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Sistema Ti-15Mo-XNb

As ligas que são compostas por titânio, molibdênio e nióbio integram uma nova classe de ligas de titânio, sem a presença de alumínio e vanádio (que apresentam citotoxidade) [1] e que possuem baixos valores do módulo de Young (abaixo de 100 GPa). Isto ocorre pelo fato destas ligas possuírem estrutura beta (cúbica de corpo centrado), bastante atraentes para o emprego como biomateriais [2] [3]. Neste tipo de ligas, as variáveis de processamento podem ser controladas mais facilmente em relação às ligas alfa e alfa-beta, objetivando a obtenção de propriedades melhoradas como menor módulo de elasticidade, aumento da resistência corrosão e melhor resposta do tecido ósseo.


Ligas de titânio do sistema Ti-15Mo-XNb (X = porcentagem em peso de Nb) editar

O sistema Ti-Mo-Nb, é um sistema relativamente novo principalmente quanto ao seu estudo de propriedades visando sua aplicação como biomateriais, existindo poucos trabalhos na literatura. Os trabalhos encontrados na literatura mostram que as ligas deste sistema possuem alto valor de microdureza, baixo módulo de elasticidade, alta resistência à compressão e alto limite escoamento quando comparados com o titânio e materiais tradicionais[4]. Além disso, este sistema, possui o efeito de memória de forma, como as ligas binárias de Ti-Nb. Este sistema já possui um diagrama de fases de equilíbrio, Figura 1, proposto pelos pesquisadores Orlinov e Polyakov[5]. Neste diagrama podemos observar que as composições Ti-15Mo, Ti-15Mo-Nb, Ti-15Mo-10Nb, Ti-15Mo-15Nb e Ti-15Mo-20Nb, estão presentes no campo β, oe seja, possuem estrutura cristalina cúbica de corpo centrado.

 
Figura 1 -Diagrama ternário do sistema Ti-15Mo-XNb com isoterma de 1100ºC
         Figura 1 - Diagrama ternário do sistema Ti-Mo-XNb com isoterma de 1100ºC

A liga Ti-15Mo-0Nb faz parte do sistema Ti-Mo, tendo inclusive norma ASTM[6] [7] . O diagrama de fases para o sistema Ti-Mo pode ser visto na Figura 2. Estão presentes as fases (βTi, Mo), cuja concentração pode variar de 0 até mesmo 100% em peso de molibdênio, acima da temperatura de transição do titânio puro (882ºC) e (α Ti), em que a solubilidade é no máximo de 0,8% em peso de molibdênio.

 
Figura 2 -Diagrama de equilíbrio do sistema Ti-Mo
         Figura 2 - Diagrama de equilíbrio  do sistema Ti-Mo

Aplicação das regras de Hume-Rothery no sistema Ti-15Mo-XNb [8] editar

Na tabela abaixo [9], são apresentados as principais propriedades físicas e químicas dos elementos que compõe o sistema Ti-15Mo-XNb.

Elemento químico Estrutura cristalina Raio atômico (Å) Eletronegatividade Valência Ponto de Fusão(ºC)
Titânio cúbica de corpo centrado (882ºC) 1,448 1,54 +2,+3,+4 1668
Molibdênio Cúbica de corpo centrado 1,39 2,16 +2,+3,+4,+5,+6 2623
Nióbio Cúbica de corpo centrado 1,46 1,6 +2,+3,+4 2477

No sistema Ti-15Mo-XNb, há a satisfação plena das regras de Hume-Rothery:

  1. a diferença nos raios atômicos do titânio, molibdênio e nióbio é menor que 15%;
  2. eles possuem a mesma estrutura cristalina;
  3. a eletronegatividade é próxima;
  4. a mesma valência química;

Dificuldades de obtenção deste sistema editar

Como os pontos de fusão do titânio, molibdênio e nióbio são muito diferentes, 1668, 2623 e 2477ºC, respectivamente, é bastante difícil se obter grande homogeneidade de molibdênio e nióbio, podendo ocorrer formação de segregados, termo que se refere à possível formação de regiões com distribuição não homogênea dos elementos de liga. Desta forma no processo de preparação das ligas é muito importante utilizar parâmetros adequados como grande número de refusões no caso de fusão a arco voltaico.

Valores de algumas propriedades deste sistema editar

Na tabela [10] seguinte são apresentados valores de densidade de algumas ligas do sistema Ti-15Mo-XNb.Também são apresentadas algumas ligas do sistema Ti-10Mo-XNb, em ambos os sistemas percebe-se que existe um aumento da densidade em função da adição de nióbio. Em ambos os sistemas Ti-15Mo-XNb e Ti-10Mo-XNb, a partir da difração de raios X verificou-se que possuem estrutura cristalina cúbica de corpo centrado, o que esta de acordo com digrama de fases de equilibrio, figura 1.

Material densidade (g.cm-3) Estrutura cristalina
Ti 4,51 Hexagonal compacta
Mo 10,23 Cúbica de corpo centrado
Nb 8,58 Cúbica de corpo centrado
Ti-15Mo 4,99 Cúbica de corpo centrado
Ti-15Mo-5Nb 5,10 Cúbica de corpo centrado
Ti-15Mo-10Nb 5,24 Cúbica de corpo centrado
Ti-15Mo-15Nb 5,38 Cúbica de corpo centrado
Ti-15Mo-20Nb 5,53 Cúbica de corpo centrado
Ti-10Mo 4,80 Cúbica de corpo centrado
Ti-10Mo-3Nb 4,85 Cúbica de corpo centrado
Ti-10Mo-6Nb 4,90 Cúbica de corpo centrado
Ti-10Mo-9Nb 4,95 Cúbica de corpo centrado
Ti-10Mo-20Nb 5,30 Cúbica de corpo centrado
Ti-10Mo-30Nb 5,60 Cúbica de corpo centrado

Módulo de Elásticidade do sistema Ti-10Mo-XNb editar

Na tabela abaixo é apresentadas uma propriedade mecânica muito importante para um candidato a biomaterial que é o módulo de elasticidade para o sistema Ti-10Mo-XNb. Neste sistema foi póssivel perceber que as ligas Ti-10Mo-3Nb e Ti-10Mo-20Nb apresentaram um módulo de elasticidade menor que o Ti cp e a Ti-6Al-4V, além disso não apresentam efeitos citotóxicos como o Al e o V.

Material Módulo de Elasticidade (GPa)
Ti-10Mo 120
Ti-10Mo-3Nb 107
Ti-10Mo-6Nb 123
Ti-10Mo-9Nb 120
Ti-10Mo-20Nb 112
Ti-10Mo-30Nb 100
Ti cp 108
Ti-6Al-4V 112

Expectativas do sistema Ti-15Mo-XNb editar

São esperadas as propriedades mecânicas, eletróquimicas e de biocompatibilidade adequadas para uso como biomaterial. Isto é devido que os elementos que constituem este sistema, possuem ótima resistência corrosão, e Mo e Nb diminui o módulo de elasticidade de ligas de titânio. Além disso, o sistema Ti-Mo-XNb não apresentam elementos que apresentam efeitos citotóxicos como o Al e o V.


Importância de metais com nióbio editar

A importância de metais que contêm nióbio é muito grande para o Brasil, pois o país domina a tecnologia de produção de nióbio. As reservas nacionais desse elemento correspondem a cerca de 95% da reserva mundial[11]. Assim, estudo de materiais que contêm nióbio está diretamente relacionado ao desenvolvimento científico, tecnológico e econômico do país.

Referências

  1. ↑ PERL, D.P.; BRODYU, A.R. Alzheimer's disease: X-ray spectrometric evidence of aluminum accumulation in neurofibrillary tangle-bearing neurons, Science, v.208, n.4441. p. 297-299. 1980.
  2. ↑ RATNER, B. HOFFMAN, A.; SCHOEN, F. LEMONS, J. Biomateriais Science. An Introduction to Materiais in Medicine. 2. Ed. California (USA). Academic Press, 2004.
  3. ↑ LÜTJERING, G. Influence of processing on microstructure and mechanical properties of (alfa + beta) titanium alloys. Materials Science and Engineering A, v. 243, pp. 32-45, 1998.
  4. ↑ GABRIEL, S. B.; NUNES, C. ª; SOARES, G. ª; Production, microstructura and mechanical properties of As-Cast Ti-10Mo-XNb alloys, v .3, p. 299-304, 2008.
  5. ↑ ORLINOV, J. K.; POLYAKOV, R.S., Phase Diagram of the Ternary Sytem Titanium-Niobium-Molybdenum, Russ. J. Inorganic Chem., Tr. Zh. Neorg. Khim., Vol 3 (No. 4), 1958, p 62-74
  6. ↑ ASTM designation F2066-08. Standard specification for wrought titanium-15 molybdenum alloy for surgical implant applications. Philadelphia (USA): ASTM, 2008, p. 1–5.
  7. ↑ MARTINS JR et al, Preparation and characterization of Ti-15Mo alloy used as biomaterial. Materials Research, v. 14, 2011, p. 107-112.
  8. ↑ SHACKELFORD, J. F. Ciência dos Materiais.6.ed. Traduzido por Daniel Vieira. São Paulo: Pearson Education do Brasil, 2008.
  9. ↑ LIDE, D.R. Handbook of Chemistry and Physics, 88.ed. New York (USA): CRC, 1999.
  10. ↑ LIDE, D.R. Handbook of Chemistry and Physics, 88.ed. New York (USA): CRC, 1999.
  11. ↑ http://www.cprm.gov.br/publique/cgi/cgilua.exe/sys/start.htm?sid=32
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