Universidade Estadual de Campinas Faculdade de Engenharia Mecânica

Apresentação em tema: "Universidade Estadual de Campinas Faculdade de Engenharia Mecânica"— Transcrição da apresentação:

1 Universidade Estadual de Campinas Faculdade de Engenharia Mecânica
Estudo do Biomaterial Ti-6Al-4V Empregando técnicas eletroquímicas e XPS (Ivan Ramires e Antonio Carlos Guastaldi) Crystopher Brito Nathália C. Veríssimo Matéria: IM 314 – Corrosão Metálica

2 Introdução Ligas de Ti são usadas em setores como:
Espaciais, ortopédico e ortodôntico. Possuem boas propriedades como: Alta tensão específica Boa resistência à corrosão Baixa densidade Boa resistência à oxidação em temperaturas menores do que 600 °C.

3 Introdução Produtos de corrosão são os principais responsáveis pelo comprometimento da biocompatibilidade Biocompatibilidade deve ser local e sistêmica. Materiais utilizados para implantes tem que ser capazes de suportar esforços mecânicos e ambientes agressivos. Placa bacteriana, saliva, fluidos fisiológicos, Ligas aplicadas como biomaterial: Cobalto – Cromo (Próteses parciais e ortopédicas) Aços inoxidáveis (aparelhos ortodônticos) Ligas de titânio (implantes dentários e ortopédicos)

4 Introdução Microscopia eletrônica de varredura da superfície de um mini-implante ortodôntico de Ti-6Al-4V. Implante com recobrimento cerâmico de hidriapatita.

5 Introdução Estudos realizados:
Mueller e Greenes: estudo do comportamento de corrosão. Hoar e Mears: estudo de resistência a corrosão em ligas de implante. Solar et. al.: Caracterização de filmes formados na superfície do titânio em solução de Ringer. Speck e Fraker: estudo do comportamento de corrosão Ni-Ti e da liga Ti-6Al-4V em solução de Hank. Okasaki: estudo de corrosão de liga em implantes utilizando vários meios. Breme: estudo do Ti puro e da liga Ti-6Al-4V em NaCl 0,15 mol/L. Pouilleau: avaliação dos filmes formados sobre o substrato de titânio. Mueller e Greenes: Estudo de titânio puro e da liga Ti-6Al-4V. Uso de polarização potenciostática anódica em solução de Ringer Solução de Ringer: A solução fisiológica de Ringer foi criada em 1882 pelo médico inglês Sidney Ringer. É uma solução que contém as mesmas concentrações de sais que são encontradas em fluidos corporais. A solução contém: 8,6g de cloreto de sódio, 0,3g de cloreto de potássio, 0,33g de cloreto de cálcio, em um litro. Hoar e Mears: Técnicas eletroquímicas de potencial de circuito aberto com tempo de polarização anódica. Titânio comercialmente puro e sangue humano. Solar et. al.: Medidas de potencial de circuito aberto com o tempo e polarização anódica. Variação de fatores como: pH, pressão de oxigênio, com e sem a adição de aminoácidos ao meio. Após estudo de corrosão empregou-se a técnica de espectroscopia de elétrons de Auger (resultado: aparecimento do crescimento de camada passiva). Speck e Fraker: -Ensaios de polarização potenciostática anódica com varredura de potencial de 0mV até que que o potencial de ruptura do filme fosse atingido. Okasaki: ácido láctico 1% e HCl 5%. O Ti c.p., grau 2, mostrou boa resistência à corrosão com ruptura de filme entre 1 V e 2,6 V. Breme: encontrou valor de potencial de ruptura de filme após 2 V (ECS) para os dois biomateriais. Pouilleau: espectroscopia de fotoelétrons excitados por raios X (XPS) e outras técnicas, para avaliar os filmes formados sobre o substrato titânio, concluindo que eram compostos de TiO2 amorfo, com um intermediário TiOx em contato com o TiO2 e o substrato metálico. Suas composições variam continuamente, não sendo detectados por difratometria de raios X. As camadas foram estimadas em nm de espessura, mas é muito sensível ao meio, podendo decrescer com o tempo de envelhecimento.

6 Introdução Objetivo da pesquisa (artigo):
Avaliação de resistência a corrosão da liga Ti-6Al-4V. Avaliação do filme formado antes e após os ensaios de polarização. Técnica usada: Espectroscopia de fotoelétrons excitados por raios X (XPS).

7 Materiais Liga: Ti-6Al-4V Solução de imersão: NaCl 0,15 mol/L.
Célula eletroquímica com três eletrodos. Eletrodo de trabalho: a liga Ti-6Al-4V em forma de chapa. Eletrodo de referência: calomelano saturado (ECS). Contra-eletrodo: eletrodo de platina.

8 Materiais Potenciostato Microscópio eletrônico de varredura.
Marcas: Solartron SI 1287 e EG&G Princeton modelo 273 A. Microscópio eletrônico de varredura. Marca: JEOL-JSM, Modelo: T-330A. Espectromicroscópio (XPS): Marca: Kratos Analytical, Modelo: XSAM HS

9 Métodos: Tratamento térmico Acompanhamento: MEV e XPS
712ºC /30 minutos Acompanhamento: MEV e XPS Curvas de polarização potenciodinâmica Ensaios de voltametria cíclica Acompanhamento: MEV e XPS

10 Métodos: Construção da célula eletroquímica.
Ti-6Al-4V escolhido como eletrodo de trabalho. Polimento (politriz elétrica) Pano embebido em alumina com granulação de 1 – 0,3 micrômetros. Ensaios eletroquímicos: Após da imersão em NaCl 0,15 mol/L. Simulação da agressividade do corpo humano.

11 Métodos: Obtenção dos espectros: Parâmetros do equipamento:
Passagem de energia do analisador: 80 eV. Espectros de alta resolução: 20 eV. Parâmetros do equipamento: Pressão utilizada: 5, a 1, Pa. Potência do feixe de raios X: 180W. Emissão de 15 mA e voltagem de 12 KV. Referência: energia de ligação do carbono no valor de 284,8 eV do hidrocarbonetos C-C e C-H. As análises foram feitas em ultra-alto vácuo com pressão na faixa de 5x10-7 a 1x10-6 Pa.

12 Resultados: Polarização
Potencial de corrosão (Ecorr) : -0,546V Logo após Ecorr tem zona de passivação

13 Resultados: Polarização
Ecorr

14 Resultados: Polarização
Passivação Neste potencial há uma ligeiro aumento de densidade de corrente, em torno de 10 A.cm-2, devido a duas possibilidades, oxidação de TiO e Ti2O3 ou crescimento do filme TiO2. Pelas análises de XPS, discutidas mais adiante, os filmes de TiO e Ti2O3 e TiO2, ocorrem naturalmente na superfície do titânio. O titânio possui uma região de passividade que alcança potenciais da ordem de 6 V. Além disso, a variação de densidade de corrente neste potencial é baixa, portanto seria muito difícil atribuir este fenômeno ao rompimento da camada passiva. Após este aumento de corrente o processo volta a estabilizar, fato este que revela a presença de um filme de óxido na superfície da amostra.

15 Resultados: Polarização

16 Resultados: MEV Não se observa a corrosão por pites no material. Comprovação da camada de óxido pode ser feita pela análise por XPS. Antes da polarização Depois da polarização Mudança na superfície da amostra devido ao crescimento de uma camada de óxido.

17 Resultados: Voltamograma
Voltamograma cíclico para a região de potenciais de: -1,5V a 3,0V Esse intervalo de potenciais é onde ocorre os principais processos eletroquímicos na superfície do material.

18 Resultados: Voltamograma
Pico relacionado a oxidação do H2 adsorvido na rede cristalina do Ti Curva anódica Pico de oxidação Ocorrência de adsorção: aplicação de potenciais próximos aos de descarga do H2. Curva catódica

19 Resultados: Voltamograma
Na região de ativação pode ocorrer uma pequena dissolução metálica. Curva anódica Região de ativação Curva catódica

20 Resultados: Voltamograma
Crescimento do filme de TiO, TiO2, Ti2O3 na superfície Curva anódica Faixa de estabilidade da corrente elétrica Segundo pico anódico: relacionado com o aumento de espessura da camada de óxido na superfície. Curva catódica Pico catódico

21 Resultados: Voltamograma
Corte de potencial em –0,4V Corte de potencial em –0,2V Pico catódico começa a crescer após a região de ativação do material, aumentando com o potencial = redução de óxido de titânio na superfície.

22 Resultados: Voltamograma
Corte de potencial em 0,8V Corte de potencial em 1,4V A redução de óxido de titânio na superfície é explicado pela eletroredução parcial de Ti (IV) a potenciais próximos a reação de descarga de hidrogênio.

23 Fotoelétrons Excitados
Técnica: XPS Espectrometria de Fotoelétrons Excitados por Raios X (XPS) Técnica usada para obtenção de micrografias Utilização de elétrons de baixa energia (E < 1,5 KeV) como sonda.

24 Técnica: XPS Análise da utilizada para investigar a composição da camada superficial do material. Os caminhos livres médios destes fotoelétrons nos sólidos são de 0,5 nm a 2,0 nm, ou seja, apenas a superfície do material está sendo analisada. Identificação de elementos presentes é medido pela energia de ligação dos picos fotoelétricos. Cada elemento da tabela periódica possui uma energia característica entre si.

25 Técnica: XPS Fontes de luz: Uso do ultra alto vácuo:
UV: He I: Transição 21P1(1s12p1)-11S0(1s2) do He em 58.4 nm (21.22 eV) He II: Transição 2p . 1s do íon He+ em 30.4 nm (40.81 eV) Raios X: K alfa Mg: eV e eV K alfa de Al: eV e eV Radiação sincotron. Uso do ultra alto vácuo: Bombeamento de argônio. Remove outros gases que foram absorvidos pela superfície da amostra. Previne que haja formação de um arco elétrico. Aumenta o caminho livre médio dos fotoelétrons. Fontes de luz: UV: He I: Transição 21P1(1s12p1)-11S0(1s2) do He em 58.4 nm (21.22 eV) He II: Transição 2p . 1s do íon He+ em 30.4 nm (40.81 eV) Raios X: K alfa Mg: eV e eV K alfa de Al: eV e eV Radiação sincotron.

26 Técnica: Gráficos de XPS antes da polarização
Apresentam elementos da liga metálica (Ti, Al e V) e impurezas na superfície (Si e C). Gráfico em alta resolução para Ti- 2p. Aparecimento de TiO, TiO2, Ti2O3. Metal não está todo recoberto por filme de óxidos (formação de óxidos ao ar).

27 Técnica: Gráficos de XPS depois da polarização
Técnica: XPS Técnica: Gráficos de XPS depois da polarização - Gráfico em alta resolução de Ti- 2p, onde aparece somente TiO2 na superfície da liga. - Possui na superfície somente picos de Titânio e impurezas como Si e C.

28 Conclusões: As curvas de polarização: Micrografia:
liga Ti-6Al-4V possui elevada resistência a corrosão. Micrografia: O material não sofreu corrosão por pite. Não houve rompimento do filme até potenciais de 3V. Voltamogramas cíclicos: Indicam um crescimentos de óxido de titânio que protege o material contra a agressividade do meio.

29 Conclusões: Técnica de XPS: Antes dos ensaios de polarização:
O filme que é formado naturalmente, sem polarização é constituído de uma variedade de óxidos e esse filme não recobre toda a superfície da amostra devido ao aparecimento de Ti, Al e V metálicos. Após ensaios de polarização: Presença somente o óxido de titânio na superfície.