Modificações estruturais e mecânicas de superfície em ligas titânio-nióbio por imersão em plasma - Valadão, Guilherme Moreira (2021)
As ligas de Ti-Nb têm ganhado destaque nas últimas décadas devido a propriedades tais como baixa densidade, boa biocompatibilidade, efeito de memória de forma, e baixo módulo de elasticidade, além de não serem tóxicas ou alérgicas aos organismos vivos. No entanto, um de seus problemas é a baixa resistência ao desgaste. Visando-se obter superfícies mais resistentes, investigou-se a nitretação por plasma DC em ligas de Ti-Nb contendo 10, 25 e 35 %p. de Nb, previamente solubilizadas, nas temperaturas de 600, 700, 800 e 900 oC em atmosfera 60% N2 e 40% H2, durante duas horas. Os efeitos da temperatura sobre a estrutura e propriedades mecânicas do substrato foram avaliados em amostras tratadas termicamente (TT) na mesma câmara de nitretação, porém protegidas por máscaras de alumina. Os materiais foram caracterizados por difração de raios X, microscopia eletrônica de varredura, espectroscopia de raios X por energia dispersiva e nanoindentação. Observou-se a forte dependência estrutural e microestrutural do volume do material com a temperatura de nitretação e a fração de nióbio da liga, as quais regeram de modo complexo as propriedades mecânicas deste e do conjunto da camada / substrato. A tendência geral foi de queda na dureza e aumento do módulo de elasticidade dos substratos em comparação à condição solubilizada devido, principalmente, à razão entre as fases alfa e beta e presença das fases ômega e martensíticas. O tratamento térmico em 700 °C, um pouco acima da transição para a fase β das ligas Ti25Nb e Ti35Nb (~680 e 630 oC, respectivamente) resultou em módulos de elasticidade menores que os obtidos para a amostra solubilizada. A nitretação produziu camadas de nitretos (TiN, Ti2N) de alta dureza e módulo de elasticidade em profundidades de até 1 μm. Os melhores resultados foram obtidos na liga Ti10Nb, cujos valores de dureza superficial foram de duas a quatro vezes maiores que os observados após os TT devido à formação de uma camada intermediária de αN com ~4 μm de espessura. Porém, na amostra Ti25Nb nit92, a sinergia entre difusão de nitrogênio e temperatura resultou na diminuição da dureza logo abaixo da camada de nitretos em relação ao substrato apenas submetido ao TT. O parâmetro H/Er (dureza / módulo reduzido), que é um indicativo da resistência ao desgaste, elevou-se em todas as amostras nitretadas em comparação àquelas apenas com TT, com as amostras com 10%p. de Nb apresentando também os melhores resultados. No quesito do módulo de elasticidade, a liga Ti25Nb nitretada apresentou os valores mais baixos, mesmo com a formação de camadas de nitretos finas, e atingido menores valores de H/Er. Conclui-se que a obtenção de camadas protetoras eficientes por métodos assistidos por plasma em ligas Ti-Nb exige a escolha cuidadosa de parâmetros para se garantir as propriedades de volume adequadas para aplicações biomédicas.