Obtención de nuevas aleaciones de Titanio de Bajo módulo elástico B-Ti mediante aleado mecánico y consolidación pulvimetalúrgica

1. OBTENCIÓN DE NUEVAS ALEACIONES DE
TITANIO DE BAJO MÓDULO ELÁSTICO
(𝛃-Ti) MEDIANTE ALEADO MECÁNICOY
PROCESO DE CONSOLIDACIÓN PM
José María Cruz Oria
Master de Ciencia yTecnología de Nuevos Materiales. Curso 2016/2017
1

2. OBJETO
Justificación de la ruta seguida y revisión del estado del arte en
la obtención de aleaciones deTitanio con bajo Módulo Elástico,
para implantes óseos, obtenidas por métodos no
convencionales como son el aleado mecánico y la
consolidación pulvimetalúrgica.

3. ÍNDICE
1. Biomateriales para implantes óseos
2. Motivación
3. Elección del Material
4. Propiedades delTitanio
5. Usos delTitanio
6. Estructura Cristalina delTitanio
7. Clasificación de aleaciones deTitanio
8. Elementos Estabilizadores
9. Elección de los aleantes estabilizadores de fase 𝛃
10. Tecnologías de producción deTitanio
11. Elección del método pulvimetalúrgico
12. Elección del método de procesado de piezas porosas
13. Obtención de Aleaciones desdeTiH2
14. Conclusiones
15. Bibliografía

4. BIOMATERIALES PARA IMPLANTES ÓSEOS
4
Ematerial>> Ehueso
↓
Apantallamiento del
esfuerzo
↓
DETERIORO DEL
HUESO
Si el material tiene un módulo de
elasticidad considerablemente más
alto que el del hueso, el implante va a
soportar una parte
desproporcionada de la carga frente
la lo que aguanta el hueso.Así, el
material óseo responde a la tensión
remodelándose según el nivel de
esfuerzo al que está sometido. El
apantallamiento de esfuerzos hace
que el hueso se remodele a un nivel
de carga más bajo y su calidad se
deteriore.

5. MOTIVACIÓN
5
10～30 GPa
Módulo de Young
del hueso cortical

6. ELECCIÓN DEL MATERIAL
Los materiales compuestos de matriz polimérica
HAPEX® (40% de hidroxiapatita y 60 % de HPDE)
Inconveniente: resistencia a fatiga y tenacidad de fractura menores que la del hueso.
Aleaciones de Magnesio
Inconveniente: presentan una resistencia a la compresión insuficiente, 65-100 MPa
Las aleaciones de titanio-β metaestable
(ej.:Ti-35Nb-7Zr-5Ta yTi-7.5Mo, E≃55 GPa) rigidez menor que elTi c.p. y sus aleaciones convencionales;
inconveniente: E alto para el hueso
Los materiales porosos y espumas
controlando el tipo, el tamaño, la morfología, distribución y la proporción de la porosidad
Elección de un material/proceso para implante óseo
¿Qué buscamos?
• Biocompatible
• Resistencia a la corrosión
• Conformabilidad
• Capacidad de endurecimiento
• Bajo módulo elástico
• Simplificar su producción

7. PROPIEDADES DELTITANIO
7
Propiedades
Químicas
• Presenta dos formas
alotrópicas.Transformación a
882 ℃
• Valencia variable.
Ti+2,Ti+3,Ti+4
• Inflamable
• Excelente biocompatibilidad
• Excelente resistencia a la
corrosión. Formación de capa
de óxido pasivante.
Propiedades
Mecánicas
• Resistencia aTracción
240MPa (grado 1 ASTM)
• Límite elástico
170MPa (grado 1 ASTM)
• Módulo elástico
• Dureza
• 70HRB
• 85HV
• Alargamiento
Propiedades
Físicas
• Metal ligero
• Densidad 4,507 g/cm3
• Alto punto fusión 1668 ℃
(c.p.)
• Baja capacidad calorífica
520 J/(K·kg)
• Baja conductividad térmica
21,9 W/(K·m)
• Baja dilatación térmica
• Mala conducción eléctrica

8. USOS DELTITANIO
8
Industrias
Químicas
• Ambientes con cloruros
• Ambientes con ácidos
orgánicos (fórmico, cítrico,
estaráico, tánico, etc.)
• Ambientes con ácidos
inorgánicos
• Ambientes básicos hasta pH
12 y 75 ℃
•
Aplicaciones
Médicas
• Ambientes con fluidos
corporales agresivos
• Compatible con tejido óseo
• Aplicable en forma de lámina
(ej.Vávulvas corazón)
• Fabricación de prótesis
• Menor módulo deYoung que
otros metales, implica menor
diferencia de rigidez protesis-
hueso propio
• Sin interferencias magnéticas
Industria
Aeroespacial
• Componentes ligeros de
aviones
• Requerimientos de resistencia
específica alta
• Piezas que trabajan a alta
temperatura
• Piezas con requerimientos de
compatibilidad galvánica

9. ESTRUCTURA CRISTALINA DEL
TITANIO
9
Fase 𝛂
• Estructura hexagonal compacta
• Poco deformable
• Estable aTemperatura ambiente
• 4,507 g/cm3
Fase 𝛃
• Estructura BCC
• Facilmente deformable
• Inestable a temperaturas <882ºC
• 4,35 g/cm3
➼
882 ℃
Único metal ligero que presenta dimorfismo
Esta transformación permite hacer tratamientos térmicos para obtener aleaciones
𝛂, 𝛂/𝛃 ó 𝛃, dependiendo de los elementos aleantes estabilizadores

10. CLASIFICACIÓN DE
ALEACIONES DETITANIO
10
Aleaciones 𝛂/𝛃
• Mayor resistencia que las aleaciones 𝛂
• Sensibles a tratamientos térmicos.
• Propiedades en función de la forma de
precipitación/maduración de la fase 𝛃
Aleaciones 𝛃
• MayorTenacidad a la fractura
• Buena aptitud a la conformación
• Riesgo de segregación por cantidad de
elementos aleantes
Aleaciones 𝛂
• Mala forjabilidad
• Baja resistencia
• Resistencia a la oxidación a alta temperatura
• Insensibles a los tratamientos térmicos
Tª 𝛃-Transus
(100% fase 𝛃)

11. ELEMENTOS ESTABILIZADORES
TIPOS
Neutros
𝛃 - estabilizadores
isomorfos
𝛃 - estabilizadores
eutécticos
𝛂 - estabilizadores

12. ELEMENTOS ESTABILIZADORES
NEUTROS
Sn Zr
• Elementos que son solubles tanto en una como en otra
fase
• Su efecto es el de retardar las velocidades de
transformación.
• Pueden provocar endurecimiento sin afectar a la
temperatura de transformación

13. ELEMENTOS ESTABILIZADORES
𝛂-ESTABILIZADORES
•Elementos que incrementan la temperatura a la cual la fase 𝛂
es estable.Aumento de la temperatura 𝛃-transus.
• En general, elementos con menos de 4 e- de valencia por
átomo estabilizan la fase 𝛂 y se disuelven preferentemente en
ella.
• Fase 𝛂 con tres posibles microestructuras: granos equiaxiales,
aciculares, o placas de Widmanstätten.
Al O C N
Intersticiales
Efecto Alfágeno: Aleq= Al+1/3Sn+1/6Zr+10(O+C+2N) > 9% ➼ fragilidad
Sustitucionales
⇣resistencia/dutilidad

14. • Forman sistemas eutectoides, con temperaturas de
transformación mucho menores que la 𝛃-transus.
• A temperatura ambiente, en equilibrio, la estructura del
material consiste en una mezcla de fase 𝛂 y un compuesto
intermetálico.
• Si la cinética de formación del intermetálico es lenta, se
formaría fase 𝛃.
Fe Mn Cr Co Ni Cu Si
ELEMENTOS ESTABILIZADORES
𝛃 EUTECTICOS

15. •Elementos miscibles en la fase 𝛃
• No forman compuestos intermetálicos
• En función de la concentración se puede obtener
fase 𝛃 metaestable o estable a temperatura
ambiente.
• Las propiedades del material dependen de si el
material se ha forjado en zona 𝛃 ó 𝛂+𝛃
• Añadiendo suficientes 𝛃-estabilizadores se puede
obtener fase 𝛃 aTª amb.
V Mo Ta Nb
Efecto betágeno: Moeq.=Mo+0.2Ta+0.28Nb+0.4W+0.67V+1.25Cr+1.25Ni+1.7Mn+1.7Co+ 2.5Fe
ELEMENTOS ESTABILIZADORES
𝛃 ISOMORFOS
Si Ms <Tª ambiente ➼ Fase 𝛃 retenida

16. COMPORTAMIENTO DEL MÓDULO ELÁSTICO
EN FUNCIÓN DE LA ESTRUCTURA CRISTALINA
16
En el 𝛂 -Ti policristalino, un aumento de
temperatura, hace que disminuyan los
módulos de elasticidad y rigidez
El valor E de la fase 𝛃 aumenta con el
aumento del contenido deVanadio entre 20 y
50%
⇓
La fase 𝛃 en general tiene un módulo de
elasticidad inferior que la fase 𝛂
Se buscará obtener una aleación 𝛃-Ti

17. ELECCIÓN DE LOS ELEMENTOS
ALEANTES 𝛃-ESTABILIZANTES
De los agentes betágenos, elegiremos aleaciones exentas de Va para mejora biocompatibilidad
Mo
• CiertaToxicidad
• Más barato que resto 𝛃-estabiliz.
• Mayor efecto betágeno que Nb
• Fase a muy restringida
• %Mo>15 ➼ Fase 𝛃 enfriam. lento
• Suficiente homogeneidad estruc.
Ta
• No presenta toxicidad
• %Ta <10 ➼ fase 𝛂
• 90 > %Ta >10 ➼ fase 𝛂/𝛃
• No se suele usar como única
adición.
Nb
• Toxicidad nula
• Para contenidos 2-50% Nb fase
estable 𝛂/𝛃
• ⇡%Nb ➼ ⇣Microdureza
• Tenacidad y protección frente a
corrosión mejor queTi6Al4V
Mo
• CiertaToxicidad
• Más barato que resto 𝛃-estabiliz.
• Mayor efecto betágeno que Nb
• Fase 𝛂 muy restringida
• %Mo>15 ➼ Fase 𝛃 enfriam. lento
• Suficiente homogeneidad estruc.

18. TECNOLOGÍAS EMERGENTES
PRODUCCIÓNTITANIO
Producto Proceso Organización
bloque de polvo
reducción electrolítica de
un electrodo
parcialmente sinterizado
deTio2 en CaCl2
ffC /Cambridge Univ./
Qinetiq/TIMeT
Polvo
reducción líquida de
vapor deTiCl4 con na
Armstrong /Internacional
Titanium Powder (ITP)
Polvo, escamas,
bloque sólido
reducción deTio2,
transporte a través de
electrolito de haluro y
deposición en cátodo.
Mer Corporation
Polvo, gránulos
Polvo
reducción de haluro de
Ti en lecho fluido
SrI International
Ti líquido, o
solidificado en barra
reducción de plasma de
TiCl4 con hidrógeno
IdahoTitanium
Technologies
bloque de polvo
reducción electrolítica de
vapor deTiCl4 disuelto
en un electrolito fundido.
gTT s.r.l. (ginatta)
Polvo, esponja
reducción calciotérmica
deTio2
oS (ono/ Suzuki; Kyoto
Univ.)
Producto Proceso Organización
Partículas
reducción deTio2 en un
reactor por vibración
MIr Chem
esponja reducción deTiCl4 por H2 CSIr (S.Africa)
Titanio líquido
reducción electrolítica de
escoria de titanio
Quebec fe &Ti (rioTinto)
Compacto de polvo de
titanio muy poroso
Celda electrolítica entre
Tio2 y Ca para la reducción
deTio2
eMr / MSe (Universidad de
Tokio)
Compacto de polvo
de titanio
reducción deTio2 por Ca Preform reduction vartech
Polvo
reducción gaseosa de vapor
deTiCl4
Idaho researh foundation
Partículas
reducción químico-mecánica
deTiCl4 líquido
MIr Chem
La producción de Ti en polvo está tomando cada vez más relevancia

19. ELECCIÓN DEL MÉTODO
PULVIMETALÚRGICO
Justificación de la elección del
método pulvimetalúrgico
• Reducir considerablemente el coste por la
reducción de etapas asociadas ➼ disminución del
tiempo de procesado.
• Reducción o eliminación de etapas de
mecanizado ➼ Evitar el dificultoso mecanizado
delTitanio. Óptimo aprovechamiento de material.
• Empleo de temperaturas por debajo de la de
fusión, evitan la reacción del titanio con los útiles
de trabajo ➼ evita la contaminación del material
• Las nuevas tecnologías para la obtención del
Titanio tienden a producir material en forma de
polvo ➼ podría ser utilizado directamente en el
proceso pulvimetalúrgico.
• Temperatura de fusión del Mo (2623 ℃), dificulta
la obtención de aleaciones por metalurgia
convencional.

20. ELECCIÓN DEL MÉTODO DE
PROCESADO PIEZAS POROSAS
20
Inyección de un gas directamente al metal líquido
Técnicas de moldeo por enfriamiento direccional
crear porosidades alargadas y dirigidas
tratando de de imitar la arquitectura anisotrópica del hueso trabecular
Técnicas que involucran procesos de sinterización
Loose
sintering
sin compactación
previa. Crea piezas con
más porosidad que con
un compactado pero
con difícil control sobre
la misma
Empleo
de cables
y/o
fibras
metálicas
Expansión
de un gas
atrapado
se induce el
crecimiento de los
poros por la
deformación plástica
de la matriz
(termofluencia)
Utilizando
espaciadores
Utilizada ampliamente,
Buen control de la
porosidad
El espaciador debe ser
fácilmente eliminable” en
etapas previas o durante
el proceso de
sinterización.
ej: carbamida, bicarbonato
de amonio, NaCl, NaF,
sacarosa, magnesio, PVA,
PMMA
Asistidas
por campo
eléctrico

21. CONCLUSIONES
Para la motivación que se nos presenta de la fabricación de un material para la realización de
implantes óseos que presentase características mecánicas como las del hueso, se opta por la siguiente
ruta de investigación:
• Dentro de los Biomateriales, por biocompatibilidad, resistencia a Corrosión, densidad, resistencia a
compresión y tenacidad se opta por encaminarnos a las aleaciones deTitanio
• Intentaremos conseguir aleaciones deTitanio con fase 𝛃 estabilizada, por su menor módulo de
Young, más parecido al del Hueso
• Como elemento estabilizador de la fase 𝛃, se usará Mo, por su coste y su escasa zona de fase 𝛂 en
sus mezclas con elTi.
• Con el fin de abaratar futuros costes industriales de fabricación, y teniendo en cuenta las tendencias
del fabricación delTitanio, se opta por un método pulvimetalúrgico convencional.
• Para conseguir valores de E semejantes a los del material óseo a partir de aleaciones 𝛃-Ti, se opta
por dirigirnos hacia la fabricación de piezas de porosidad controlada.
• Con el fin de evitar la formación de carburos deTi por el uso del ACP se opta por partir deTiH2.
21

22. BIBLIOGRAFIA
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23. GRACIAS
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