Espuma de Titanio PDF

Preview

Summary

Reporte de práctica teórica "síntesis de espuma de titanio". ...

Description

UNIVERSIDAD DE GUANAJUATO DIVISIÓN DE CIENCIAS E INGENIERÍAS

Ciencia de Materiales

“Producción de Espuma de Titanio” Profesor: Dra. Andrea Ceja Fernández. Integrantes del equipo: Diego Domínguez Ramírez Missael Alejandro Hernández Huerta Juan Francisco Hernández López Rodrigo López Rangel

León Guanajuato a 05 de diciembre de 2018

Justificación: Con la detallada revisión de este (o cualquier otro) material, así como de su fabricación, se pretende aplicar los conocimientos abordados en la parte teórica de la materia, además de su interpretación en el ámbito experimental y de qué modo se pueden proponer nuevos y mejores materiales con determinados propósitos. Objetivos: Objetivo General: Realizar un trabajo de investigación sobre la espuma de titanio que incluya la aplicación de algunos tópicos vistos en clase, relacionando cada uno de estos y profundizando para el material de interés. Objetivos Particulares: -Recopilar información de calidad y veraz sobre la espuma de titanio en algunas áreas concernientes al curso de ciencia de materiales. -Describir algunas de las propiedades físicas del Titanio. -Mencionar algunos métodos de producción de espuma de Titanio. -Detallar el proceso de fabricación por pulvimetalurgia con uso de espaciador. -Interpretar los resultados obtenidos por los estudios de caracterización y establecer relaciones entre ellos y las aplicaciones del material.

Espuma de titanio, Producción y sus propiedades.

Resumen: En este trabajo se describirán algunas propiedades mecánicas, eléctricas y estructurales de la espuma de titanio y de Ti6Al4V, que permiten a éstas ser materiales biocompatibles con uso cada vez más extendido en la biomedicina, principalmente, y en demás ámbitos. Se hablará de los diferentes métodos de producción de espuma de titanio y de Ti6Al4V, detallando el pulvimetalúrgico con uso de espaciador. Se presentan pruebas mecánicas de flexión a tres puntos y caracterización por microscopía óptica y electrónica de barrido. Son presentadas indagaciones para esclarecer la relación existente entre el nivel de porosidad final que adquieren los materiales y los diferentes parámetros de fabricación. Se discute la relevancia que adquiere el nivel de porosidad para con las aplicaciones en prótesis óseas. Introducción: Recientemente se ha realizado un gran esfuerzo en la investigación y desarrollo de nuevos biomateriales para su aplicación en la ingeniería de tejidos y regeneración ósea. Los materiales metálicos biocompatibles son buenos candidatos para este tipo de aplicaciones debido a su alta tenacidad, ductilidad y capacidad de soportar cargas. Algunos de los metales y aleaciones que cumplen los requisitos anteriormente citados y que son por tanto los más comúnmente utilizados en aplicaciones clínicas como implantes son el acero inoxidable austenítico, aleaciones de Cromo-Cobalto, Titanio comercialmente puro y aleaciones de titanio. A pesar de que estos materiales tienen ventajas notorias, sus desventajas son la corrosión en medios fisiológicos, alta densidad, pérdida de propiedades mecánicas con tejidos conectivos suaves, llegan a presentar oxidación y alergias. Entre todos estos el titanio es el que mejor cumple con los requerimientos (para ciertos casos) debido a sus características, entre las cuales están una buena biocompatibilidad y a su capacidad de soportar cargas de compresión, sin embargo, su principal desventaja es la elevada rigidez (cuenta con un módulo de elasticidad de aproximadamente 105 GPa, mientras que el del hueso humano es de 10-40 GPa) que puede originar problemas de reabsorción ósea debido a un efecto de apantallamiento de tensiones. En la tabla I se muestran algunas propiedades relevantes del titanio. (wiki, docs que mandaron, espuma titanio)

Punto de fusión

Punto de ebullición

Estructura cristalina

Calor específico

Conductivida d térmica

Densidad

Módulo de corte

Módulo de Young

1941 K

3560 K

Hexagonal

520 J/(K*Kg)

21.9 W/(K*m)

4.506 g/cm^3

44 GPa

116 GPa

Tabla I. Propiedades del Titanio

La fabricación de materiales porosos, tales como espumas, permite mejorar la biocompatibilidad mecánica, disminuyendo el módulo de elasticidad hasta un valor similar al que posee el hueso, así como facilitando el crecimiento del tejido óseo a través del material. Las espumas a base de metales cuentan con una alta gama de propiedades de particular interés, entre ellas físicas y mecánicas como absorción de energía de alto impacto, rigidez, alta resistencia al peso y gran conductividad térmica, entre otras. Para ellas existe una gran variedad de aplicaciones, generalmente como materiales de construcción livianos, materiales arquitectónicos, amortiguadores de impacto, silenciadores, filtros, intercambiadores de calor e implantes, siendo este último en el cual se enfoca este texto, poniendo especial atención en los requerimientos fundamentales que se exigen a una espuma de titanio para que pueda utilizarse como material biocompatible. Entre dichos están que presente una resistencia a la compresión mayor de 150 MPa, una porosidad de al menos 20% en volumen y que el tamaño de poro sea superior a 100 ###㎛. Son muchos los métodos descritos en la literatura que se pueden utilizar para la producción de espumas de titanio, entre ellos: Expansión de burbujas presurizadas: Para producir espumas de titanio a través de la expansión de gas presurizado, la mezcla precursora de titanio se coloca dentro de una lata de metal hermética al gas, que se evacua después del llenado. La lata de metal se presuriza con gas inerte, comúnmente argón, y se presiona isostáticamente. Los poros llenos de gas están contenidos dentro de la matriz compactada, y tras la exposición a temperaturas elevadas, estas burbujas se expanden a través de la fluencia de la matriz metálica circundante.Las desventajas de este proceso incluyen una conectividad de poros reducida, una porosidad alcanzable limitada y una configuración experimental complicada. (11 y 12) Expansión superplastica: La espumación en estado sólido de titanio de pureza comercial se logró mediante el prensado isostático en caliente de polvos de titanio en presencia de argón, seguido de la expansión de las burbujas de argón de alta presión resultantes a presión ambiente y temperatura elevada. La etapa de espumación se realizó en condiciones isotérmicas o durante ciclos térmicos alrededor de la temperatura alotrópica α / β del titanio, es decir, el titanio experimenta una transformación de su fase alpha a su fase beta, estas fases con distinta estructura cristalina dependiendo de la temperatura del elemento. La fase alpha tiene estructura hexagonal de empaquetamiento compacto (HCP) a temperaturas inferiores a 882.5 ° C, mientras que la fase beta tiene estructura cúbica centrada en el cuerpo (BCC) a temperaturas superiores a 882.3 ° C (13) Pulvimetalurgia: Es un método desarrollado y patentado por el Instituto Fraunhofer de Bremen, Alemania, en 1990. La técnica es atractiva por la facilidad de producir el material en distintas formas definidas.. El método consiste en fabricar un precursor espumable que mezcla metal en polvo con un agente espumante y algún refuerzo para aumentar la viscosidad de la fundición. se produce al comprimir los polvos premezclados en un bloque

sólido estanco, para que cuando el espumado tenga lugar el gas no escape al exterior del material. (9, 10 y 130 el descargado)

De los métodos mencionados, el pulvimetalúrgico del espaciador permite obtener tras la etapa de sinterización materiales con propiedades similares a las del hueso con una porosidad bien distribuida, abierta e interconectada, debido a esto, sera el metodo en el cual se enfocara este texto, poniendo especial atención en las características de los materiales porosos sinterizados. En general, para obtener espumas de titanio por pulvimetalurgia se usan favorablemente polvos de hidruro de titanio. Una técnica novedosa es la del espaciador, que consiste en sinterizar un material que previamente se ha mezclado con otro (el llamado espaciador) el cual se eliminará en otro paso, dejando huecos en su lugar; por tanto un material de elevada porosidad. El bicarbonato de amonio es un espaciador que puede ser eliminado fácilmente por descomposición térmica.\\ La razón por la que el polvo utilizado es de hidruro de titanio, es que la obtención de polvo de titanio es un proceso complicado por la alta reactividad del material. En favor de este método, pues, se produce el hidruro de titanio y posteriormente se fractura para obtener el polvo, que después de emplear técnicas de deshidruración (reducción) dará lugar al polvo de titanio. Considerando lo anterior, tanto las propiedades del titanio como el método pulvimetalúrgico para la producción de materiales porosos, resultó conveniente hacer una comparación entre el titanio y otra aleación del mismo. Dicha aleación es el Ti6Al4V: la aleación de titanio que más comúnmente se utiliza. Su uso es habitual debido a la estabilidad que le confieren su estructura bifásica y sus buenas propiedades mecánicas. Se presentará un estudio de la resistencia de las muestras en verde mediante ensayos de flexión a tres puntos. Se hará lo mismo después de la sinterización y tras la evaluación de porosidad final para obtener sus propiedades en función del tamaño de partícula utilizado. También se presenta la caracterización microestructural de los materiales porosos finales.

DESARROLLO El Ti6Al4V es la aleación de titanio que más comúnmente se utiliza. Su estructura bifásica (alpha + betha) le confiere buenas propiedades mecánicas.

En general, para obtener espumas de titanio por pulvimetalurgia se usan favorablemente polvos de hidruro de titanio. Una técnica novedosa es la del espaciador, que consiste en sinterizar un material que previamente se ha mezclado con otro (el llamado espaciador) el cual se eliminará en otro paso, dejando huecos en su lugar; por tanto un material de elevada porosidad. El bicarbonato de amonio es un espaciador que puede ser eliminado fácilmente por descomposición térmica. La razón por la que el polvo utilizado es de hidruro de titanio, es que la obtención de polvo de titanio es un proceso complicado por la alta reactividad del material. En favor de este método, pues, se produce el hidruro de titanio y después se fractura para obtener el polvo, que después de emplear técnicas de deshidruración (reducción) dará lugar al polvo de titanio. La rugosidad que adquieren los polvos en el proceso permite una buena compactación uniaxial. Tras obtener materiales con polvos de diferente tamaño de partícula a distintas presiones de compactación, se presentará un estudio de su estabilidad mediante ensayos de flexión a tres puntos. Se hará lo mismo después de la sinterización y tras la evaluación de porosidad final para obtener sus propiedades en función del tamaño de partícula utilizado. También se presenta la caracterización microestructural de las aleaciones. EXPERIMENTO Se-Jong Materials, empresa surcoreana, provee polvos de titanio y de Ti6Al4V, fabricados por el proceso de hidruración-deshidruración, con partículas de forma irregular de un tamaño menor a 45 micrómetros (según el propio fabricante). La tabla TABLA muestra las composiciones de los polvos. TABLA TABLA TABLA Ambos materiales han sido tamizados con objeto de obtener dos fracciones de polvo por encima y por debajo de 25 micrómetros. Es decir, se ha trabajado con diferentes fracciones dando lugar a tres distribuciones granulométricas: la primera sin tamizar, la segunda, tamizada por debajo de 25 micrómetros y la tercera, tamizada por encima de 25 micrómetros. La figura FIGURA muestra estas distribuciones granulométricas. Se observan distribuciones de tamaño mayores a la esperada para el polvo tamizado por debajo de 25 micrómetros, debido a la forma irregular de las partículas por el propio proceso de fabricación, que después el equipo de determinación granulométrica (Matersizer 2000 Malver Instruments) evalúa. Se utiliza bicarbonato de amonio como material espaciador, obtenido de Alfa Aesar. Dicho espaciador es tamizado entre 425 y 600 micrómetros en vista de obtener propiedades convenientes.

La mezcla de materiales con el espaciador se lleva a cabo en un único paso, con una mezcladora (Inversina 2 L Bioengineering) a 38 rpm, en porcentajes de 60, 70 y 80 % en volumen de espaciador. Como muestra de control se toman los materiales sin espaciador añadido. El paso siguiente es la compactación uniaxial. Las mezclas de polvo son compactadas entre 200 y 500 Mpa, mediante el equipo universal de ensayos Instron modelo 800, evaluando la curva de compactación para cada mezcla en un software especializado, y se obtienen unos compactos con altura de aproximadamente 6.5 mm. Para eliminar el bicarbonato de amonio se utiliza una estufa (Carbolite 500°C). La temperatura del horno se mantiene entre 353 y 393 K, con un tiempo de exposición de hasta 24 horas. La sinterización se realiza en un horno de alta temperatura Carbolite modelo HVT 15/75/450 en condiciones de alto vacío, necesario durante la sinterización del titanio para inhibir la reactividad de este elemento. Dicho proceso de sinterización se realiza a 1523 K durante dos horas usando velocidades de calentamiento y enfriamiento entre 10 y 15 K/min y manteniendo un vacío durante todo el proceso de al menos 10⁻4 atm. La densidad de las muestras se ha evaluado por el método de Arquímedes, para por medio de este valor encontrar la porosidad abierta y cerrada de las muestras. El ensayo de resistencia mecánica se realiza con una prensa Instron modelo 4204. Para evaluar la resistencia de las muestras en verde, se sometieron tales muestras al ensayo de flexión a tres puntos, usando una velocidad de 0.5 mm/min y una célula de carga de 1 kN. Después de la sinterización, las muestras se someten al mismo ensayo mecánico, para evaluar su resistencia máxima y el módulo a flexión, el cual se compara con el valor correspondiente a las muestras de control bajo las mismas condiciones (21 GPa para titanio y 29 GPa para Ti6Al4V). El ensayo es igual en estos casos salvo por las células de carga, que son de 5 y 50 kN para materiales porosos y de control, respectivamente. Luego del ensayo de flexión se realiza un estudio fractográfico mediante microscopía electrónica de barrido con equipo JEOL JSM-6300. Para el análisis microestructural, se realiza la preparación metalográfica de las muestras. El ataque químico se realiza con el reactivo de Kroll (3 ml HF, 6 ml HNO3 y 100 ml H2O), revelándose la microestructura y evaluando el tamaño de grano. Las muestras se observan mediante el microscopio óptico Nikon Microphot FX y el microscopio electrónico JEOL JSM-6300. RESULTADOS La correcta eliminación del espaciador es crucial en el proceso de obtención de materiales porosos mediante la técnica aquí referida. Además, el espaciador utilizado no debe afectar a la composición química del material durante toda la fabricación, por ello fue escogido el bicarbonato de amonio. Éste se elimina fácilmente por aporte de calor, trabajando a temperaturas superiores a su temperatura de descomposición térmica (308 K).

Puede ser problemático intentar conseguir la total eliminación del compuesto sin crear defectos mecánicos por la expansión que tiene en la formación de amoniaco gas. En la figura FIGURA se representa la pérdida de peso, durante la exposición en la estufa a diferentes temperaturas, para muestras de titanio fabricadas con un 60% de espaciador. El tiempo necesario para eliminar el espaciador es mayor cuanto menor es la temperatura del horno, pero en todos los casos, 12 horas resulta un tiempo adecuado para asegurar la eliminación total. Aumentando la temperatura del horno podría aumentar la probabilidad de dañar los compactos. No obstante, no se han observado daños aparentes en muestras tratadas a 373 K, y a esta temperatura se garantiza la total eliminación del bicarbonato y la humedad. Las muestras compactadas se introdujeron en la estufa a esta temperatura durante 12 horas, para así crear la estructura porosa antes de la sinterización. La presión de compactación tiene una notable influencia en la resistencia de los compactos en verde. Los resultados de dicha resistencia se muestran en la figura FIGURA. Los compactos fabricados con polvos tamizados tienen una menor resistencia que el resto. La resistencia mayor se obtiene para compactos fabricados a partir de polvos que no han sido tamizados. Los resultados de la densidad en verde de los compactos se muestran en la figura FIGURA. Se han encontrado que las series de polvo base titanio presentan una tendencia similar a las series de polvo base Ti6Al4V. Esta variable está más influenciada por el tipo de material y la cantidad de espaciador añadida, que por el tamaño de partícula usado para el material base. Los cambios de densidad son de un 5% entre usar la presión de compactación de 300 MPa y la de 500 MPa. La densidad en verde se reduce en aproximadamente un 18% cuando la cantidad de espaciador utilizada para la fabricación aumenta de un 60% a un 80%. Los resultados de los ensayos de flexión para muestras compactadas a una presión intermedia, de 400 MPa, se muestran en la figura FIGURA. Sobre la rigidez, se ha encontrado que los resultados dependen en cierta medida del tamaño de partícula usado, como puede observarse en la figura FigurA; el valor del módulo es menor para muestras con tamaño de partícula superior a 25 micrómetros, y mayor para muestras donde no se tamizó el polvo base. En la figura FIGURA se muestran las micrografías de muestras de titanio poroso preparadas con diferentes tamaños de partícula obtenidas con microscopía óptica. Las micrografías de la figura FIGURA son un ejemplo del aspecto que presentan las muestras con diferentes niveles de porosidad. Se observa que la forma del poro depende de la forma original de la partícula de espaciador. Para muestras preparadas con partículas con tamaños menores de 25 micrómetros, se ha observado la presencia de una menor porosidad cerrada, y por lo general presentan un mayor tamaño de grano. Esto se puede observar en las micrografías de la figura FIGURA, donde se aprecian poros cerrados colocados preferentemente en los límites del grano, previniendo el crecimiento del mismo.

La superficie de fractura de todas las muestras no presenta una alta deformación, como puede observarse en la fractografía de la figura FIGURA. Todas las muestras presentan resultados similares en este sentido, independientemente del material y del tamaño de grano usado. Existen pequeñas zonas de fractura aparentemente frágil (FIGURA) que son más difíciles de localizar a medida que se ha aumentado la cantidad de espaciador y por lo tanto el nivel de porosidad. Por otro lado, se observa que la superficie interna del titanio presenta una alta rugosidad, lo cual puede ayudar a una mejor osteointegración de la prótesis. DISCUSIÓN La densidad de empaquetamiento es la razón por la cual se explican resultados tales como que la resistencia mayor se obtiene para compactos fabricados a partir de polvos que no han sido tamizados: una mayor densidad de empaquetamiento se obtiene cuando hay partículas pequeñas llenando los intersticios que dejan partículas de mayor tamaño. Por lo tanto, una distribución más amplia de tamaños de partículas aumenta la densidad de empaquetamiento y durante el proceso de compactación se producen más contactos mecánicos, y, como consecuencia, se aporta una mayor resistencia mecánica a los compactos. No obstante es importante señalar que debe tenerse en cuenta la menor capacidad de rellenar los espacios entre las partículas de bicarbonato cuando aumenta su proporción. Las propiedades de los materiales obtenidos dependen de la porosidad y la microestructura. En este caso, sobre las propiedades finales, la porosidad es la variable con mayor influencia para el diseño de materiales adecuados a aplicaciones específicas. Resulta interesante que la porosidad pueda ser controlada, ya que de esta forma cabe la posibilidad de obtener biomateriales con tamaños de poro adecua...