Corrosão localizada e comportamentos de repassivação de ligas de titânio fabricadas aditivamente em soluções biomédicas simuladas

npj Materials Degradation volume 7, Número do artigo: 44 (2023) Citar este artigo

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Detalhes das métricas

O comportamento de corrosão localizada de ligas de titânio manufaturadas aditivamente (AM) é estudado com base na relação entre potenciais de pite, o fluxo de vacâncias de oxigênio em um filme passivo e a taxa de repassivação usando polarização potenciodinâmica, Mott-Schottky e técnicas de eletrodo abrasivo. A relação entre a resistência à corrosão localizada e os comportamentos de repassivação das ligas de titânio AM foi explicada pela constante de probabilidade de sobrevivência com base no modelo de defeito pontual que descreve as vacâncias de oxigênio geradas e as vacâncias de cátions acumuladas afetam a ocorrência da corrosão localizada. A corrosão localizada pode ser iniciada por poços de sobrevivência sob condições suficientes dos filmes passivos de quebra. A probabilidade de sobrevivência é constante significa um valor quantitativo de probabilidade da transição de poço metaestável para poço estável para ocorrer corrosão localizada. Quanto maior a constante de probabilidade de sobrevivência das ligas de titânio AM, mais difícil a repassivação e mais fácil a ocorrência de corrosão localizada.

As ligas de titânio (Ti) têm sido usadas em muitos campos, como aeroespacial, naval e indústrias médicas por muitos anos1,2,3. Isso é atribuído à sua alta relação resistência/densidade e excelente resistência à corrosão4. A excelente resistência à corrosão das ligas de Ti é atribuída às suas camadas passivas protetoras em sua superfície5,6. A biocompatibilidade de filmes passivos em ligas de Ti é um fator essencial em biomateriais do corpo humano. Titânio puro comercial (CP Ti; fase α) tem sido usado como biomateriais. No entanto, sua resistência mecânica não foi satisfatória em alguns tecidos duros ou peças de suporte de carga. Portanto, ligas de Ti do tipo α + β, como Ti–6Al–4V e Ti–6Al–7Nb, foram desenvolvidas. Embora as ligas de Ti do tipo α + β tenham alta resistência e boa resistência à fadiga, os elementos que contêm alumínio (Al) e vanádio (V) têm problemas potenciais de Alzheimer e são tóxicos para o corpo humano, respectivamente7. Além disso, o módulo de Young das ligas de Ti do tipo α + β é maior do que o dos ossos humanos8. Portanto, o efeito de proteção contra estresse pode ocorrer devido à diferença no módulo de Young entre um implante e o osso. Recentemente, foram desenvolvidas ligas de Ti do tipo β com baixo módulo para evitar o efeito de blindagem de tensão e contendo elementos não tóxicos, como Ti–13Nb–13Zr (próximo a β) e Ti–15Mo9.

Atualmente, as ligas de Ti fabricadas com aditivo (AM) tornaram-se populares devido à vantagem de sua relação buy-to-fly, que é de aproximadamente 1/20 em comparação com as ligas convencionais de Ti fabricadas subtrativamente (SM)10. Os processos AM incluem vários métodos versáteis, como deposição de energia direcionada (DED), fusão seletiva a laser (SLM) e fusão por feixe de elétrons (EBM)11,12. Durante o processo DED, um feixe de laser gera uma poça de fusão. Os materiais em pó são fornecidos por gás argônio (Ar) e injetados localmente para fundir e solidificar em um cordão. O DED tem um maior grau de liberdade no design da composição do que os outros dois métodos, pois pode alimentar o pó simultaneamente. Por outro lado, como o SLM e o EBM são processos de fusão em leito de pó, os pós metálicos são espalhados uniformemente nas plataformas usando um ancinho, diferente do DED. O processo SLM pode controlar camadas mais finas que o processo DED, enquanto o processo EBM gera uma taxa de construção mais rápida que o processo DED.

Do ponto de vista mecânico, a resistência e a ductilidade das ligas AM Ti são comparáveis ​​ou até maiores que as dos métodos SM13,14,15. No entanto, as ligas AM Ti têm menor resistência à corrosão do que as ligas SM Ti devido à anisotropia causada pela direção do empilhamento e rápida solidificação da fase martensítica16,17. As ligas SM Ti (tipo α ou α + β) possuem uma microestrutura composta por fases α ou α + β, enquanto as ligas AM Ti contêm fases α' de martensita18. A fase martensita α' é instável e reduz significativamente a resistência à corrosão das ligas AM Ti19. Dai et al.20 estudaram o comportamento corrosivo de ligas AM Ti–6Al–4V e verificaram que quanto maior a proporção da fase α′ martensítica acicular, mais fraca é a formação de uma camada passiva mais fraca. Seo e Lee21,22,23 investigaram a resistência à corrosão localizada e uniforme de ligas AM Ti–6Al–4V usando polarização potenciodinâmica, espectroscopia de impedância eletroquímica (EIS), temperatura eletroquímica crítica de pite e temperatura eletroquímica crítica de corrosão localizada24. Eles descobriram que a redução na resistência à corrosão localizada das ligas AM Ti foi causada pela formação de fases α' de martensita e sua distribuição.