Caracterización microestructural y tribo - mecánica de muestras de Ti6Al4 V fabricadas combinando la fusión selectiva por láser y tratamientos termo - químicos de modificación superficial

Abstract

El Ti-6Al-4V es la aleación de titanio más empleada para la fabricación de implantes. En la actualidad, es ampliamente reconocida la necesidad de potenciar métodos de fabricación cada vez más eficientes, que requieran un menor tiempo de manufactura y coste. En este contexto, resalta la técnica de fusión selectiva por láser (SLM). Por otra parte, en el campo biomédico, es imprescindible mejorar la capacidad de oseointegración de las aleaciones de titanio. Una alternativa es modificar la superficie de contacto entre el implante y el hueso para promover un enlace químico directo: conversión química del titanio, de bioinerte a bioactivo, a través de un tratamiento termoquímico. En esta investigación se fabrican y caracterizan placas tratadas con los siguientes protocolos sucesivos: 1. Lámina obtenida por SLM (LM) 2. Alivio de tensiones a 750 ºC durante 10 minutos (LM-A) 3. Grabado ácido, en solución de 100 ml de HCl y 100 ml de H2SO4 (LM-AE), 4. Tratamiento con peróxido de hidrógeno, en solución H2O2 8,8 M y HCl 0,1 M (LM-AE- PT) 5. Tratamiento termoquímico, calentando a 400º durante 1 h (LM-AE- PT-TT). Se evalúa la microestructura (SEM), composición química (EDX y DRX) y comportamiento termo-mecánico (microindentación y resistencia al rayado) tanto del núcleo como la superficie de las láminas. En el estudio se observa la presencia de óxidos (rutilo y anatasa) en las muestras que han sido sometidas a una atmósfera orgánica o a una solución ácida. Por otra parte, se obtiene una relación directa entre la dureza y la resistencia al rayado: 1. La resistencia al rayado de la superficie aumenta con los distintos tratamientos sucesivos 2. En el núcleo las propiedades tribológicas disminuyen en las muestras sometidas a un tratamiento de alivio de tensiones residuales.

Ti6Al4V is world wide the titanium alloy for bioengineering applications, for instance, implants manufacturing. There is a need to improve manufacturing processes so as to make them more efficient, which implies lower manufacturing time and lower costs. Nowadays, Selective Laser Melting (SLM) is the most outstanding manufacturing process to achieve this aim. On the other side, it is completely necessary to improve the osseointegration capacity of titanium alloys. An alternative to achieve this goal is to modify the contact surface between implant and bone, so as to promote a direct chemical bond: a chemical titanium conversion, from bioinert to bioactive, following a thermochemical treatment. In this study, samples are made and charaterized according to the following treatments, which were applied in a consecutive manner: 1. Rectangular sample, by SLM (LM) 2. Stress relief, 750ºC during 10 minutes (LM-A), 3. Acid attack, in acid solution with 100 mL HCl and 100 mL H2SO4 (LM-AE) 4. H2O2 treatment, immersed in a H2O2 8,8M and HCl 0,1 M solution (LM-AE-PT) 5. Thermochemical treatment, heating up to 400ºC during 1 h (LM-AE-PT-TT). Bulk and surface microstructure (SEM), chemical composition (EDX and DRX) and thermo-mechanical behaviour (hardness and scratch resistance) are evaluated. After the experimental analysis, we can stand out the presence of oxide particles in the surfaces exposed to an organic atmosphere or to an acid solution (rutile and anatase). Moreover, a direct relation between hardness and scratch resistance is noticed: 1. In the surface, scratch resistance improves after consecutive treatments 2. In the bulk, tribologic properties decrease if the samples have been exposed to a stress relief treatment.