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
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.
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)
Introdução
Microscopia eletrônica de varredura da
superfície de um mini-implante ortodôntico
de Ti-6Al-4V.
Implante com recobrimento cerâmico
de hidriapatita.
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.
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).
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.
Materiais
• Potenciostato
• 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
Métodos:
Tratamento térmico
712ºC /30 minutos
Acompanhamento: MEV e XPS
Curvas de polarização potenciodinâmica
Ensaios de voltametria cíclica
Acompanhamento: MEV e XPS
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.
Métodos:
-
Obtenção dos espectros:
- Passagem de energia do analisador: 80 eV.
- Espectros de alta resolução: 20 eV.
-
Parâmetros do equipamento:
•
•
•
•
-
Pressão utilizada: 5,0. 10-7 a 1,0.10-6 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.
Resultados: Polarização
Resultados: Polarização
Ecorr
Resultados: Polarização
Passivação
Resultados: Polarização
Resultados: MEV
Antes da polarização
Depois da polarização
Mudança na superfície da amostra devido ao crescimento de
uma camada de óxido.
Resultados: Voltamograma
Voltamograma
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
Resultados: Voltamograma
Na região de ativação
pode ocorrer uma
pequena dissolução
metálica.
Curva anódica
Região de ativação
Curva catódica
Resultados: Voltamograma
Crescimento do
filme de TiO, TiO2,
Ti2O3 na superfície
Faixa de estabilidade da Curva anódica
corrente elétrica
Curva catódica
Pico
catódico
Segundo pico
anódico:
relacionado com o
aumento de
espessura da
camada de óxido na
superfície.
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.
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.
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.
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.
Técnica: XPS
•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: 1253.7 eV e 1253.4 eV
K alfa de Al: 1486.7 eV e 1486.3 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.
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).
Técnica: Gráficos
XPS de XPS depois da polarização
- Possui na superfície somente picos de Titânio
e impurezas como Si e C.
- Gráfico em alta resolução de Ti- 2p, onde
aparece somente TiO2 na superfície da liga.
Conclusões:
• As curvas de polarização:
• 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.
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.