Evaluación de la resistencia al desgaste, microdureza y resistencia a la corrosión de compuestos con partículas de refuerzo cerámico (sistemas Zr/TiC y Ti/Tic) en condiciones relevantes para implantes biomédicos (NaCl/H 2SO 4).
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Artículo de método
Evaluación de la resistencia al desgaste, microdureza y resistencia a la corrosión de compuestos con partículas de refuerzo cerámico (sistemas Zr/TiC y Ti/Tic) en condiciones relevantes para implantes biomédicos (NaCl/H 2SO 4).
Este artículo presenta un protocolo experimental completo para evaluar el comportamiento de tribocorrosión de compuestos basados en TI6Al4Vfabricados aditivamente reforzados con fases cerámicas mediante deposición láser de metal (LMD). Este protocolo aborda la necesidad de comprender los mecanismos sinérgicos de degradación que surgen en componentes expuestos a cargas mecánicas y entornos corrosivos en aplicaciones biomédicas y aeroespaciales. El protocolo incluye revestimiento láser controlado de TI6Al4V con refuerzos Zr/TiC y Ti/Tic, seguido de caracterizaciones detalladas microestructurales, mecánicas, electroquímicas y de tribocorrosión. Los procedimientos abarcan el manejo de polvos, preparación de sustratos, procesamiento láser, preparación metalográfica, microscopía, difracción de rayos X, pruebas de microdureza, mediciones electroquímicas de corrosión y pruebas de tribocorrosión utilizando un tribómetro de bola sobre placa alternativo bajo control electroquímico en un electrolito NaCl/H₂SO₄. Este método permite la evaluación en tiempo real de las interacciones desgaste-corrosión, incluyendo la ruptura pasiva de la película y la re-pasivación bajo condiciones de deslizamiento, teniendo en cuenta las características microestructurales inducidas por la fabricación aditiva. El protocolo sirve como un marco estandarizado para evaluar la eficacia de las estrategias de refuerzo cerámico en la mejora de la funcionalidad de sistemas metálicos fabricados aditivamente destinados a entornos desafiantes.
La modificación superficial con láser que incorpora fases cerámicas es un enfoque eficaz para mejorar el rendimiento superficial de los implantes metálicos, permitiendo la formación de recubrimientos resistentes a la corrosión y reforzados mecánicamente mediante deposición láser de metal (LMD)1. La aleación de titanio TI6Al 4V se utiliza ampliamente en implantes biomédicos debido a su biocompatibilidad, alta relación resistencia-peso y resistencia a lacorrosión 2,3. No obstante, sigue siendo vulnerable a la corrosión y la tribocorrosión en entornos fisiológicos agresivos, donde el desgaste mecánico y la degradación electroquímica pueden comprometer el rendimiento del implante y desencadenar respuestas biológicasadversas 4,5,6,7. El LMD mejora las propiedades superficiales mediante la refusión localizada, la solidificación rápida y la incorporación de fases de refuerzo, produciendo capas densas y metalúrgicamente unidas con microestructuras adaptadas. En comparación con técnicas alternativas como la nitruración láser o el procesamiento por haz de electrones, el LMD ofrece flexibilidad composicional, menores costes operativos y una amplia accesibilidad 8,9,10. Estas ventajas lo hacen especialmente adecuado para implantes fabricados aditivamente (AM), donde la resistencia a la corrosión es crítica para un rendimiento in vivo a largoplazo 10.
El comportamiento de corrosión y tribocorrosión de los implantes AM está influenciado por la porosidad, rugosidad superficial, tensiones residuales y heterogeneidadmicroestructural 11. Por ello, la evaluación requiere ensayos electroquímicos en electrolitos agresivos (por ejemplo, NaCl/H₂SO₄), complementados por caracterización microestructural mediante SEM y EDS. Las estrategias de postprocesado, incluyendo el prensado isostático en caliente, el pulido superficial y la refusión láser, mejoran aún más la resistencia a la corrosión al reducir defectos y refinar la topología superficial.
Los compuestos reforzadosTI 6Al4V que contienen Zr, Ti y TiC presentan una mejor resistencia a la corrosión gracias a una combinación de mayor estabilidad pasiva en la capa y refinamiento microestructural. El circonio estabiliza el óxido mixto pasivo TiO₂ – ZrO₂, promoviendo una rápida re-pasivación y una mayor resistencia a lapolarización 12,13. Las partículas de TiC y Ti proporcionan refuerzo mecánico y actúan como barreras de difusión contra iones corrosivos, mientras que las interfaces bien unidas minimizan las microgrietas que pueden iniciar corrosiónlocalizada 14. La Tabla de Materiales muestra los materiales utilizados, incluyendo reactivos e instrumentos.
El objetivo general de este método es evaluar el rendimiento de la tribocorrosión de compuestos AMTI 6Al4V reforzados con partículas cerámicas (Zr/TiC y Ti/TiC), capturando los mecanismos de daño sinérgicos que ocurren bajo desgaste mecánico simultáneo y exposición electroquímica. La prueba de tribocorrosión integra mediciones de desgaste y electroquímicas, proporcionando evaluación en tiempo real bajo condiciones dinámicas y fisiológicamenterelevantes 15,16,17,18,19,20. El método es adecuado para implantes biomédicos portantes o componentes expuestos a tensiones mecánicas y químicas combinadas, simulando escenarios in vivo en el peor caso utilizando electrolitos que contienen cloruro. El rendimiento óptimo se logra equilibrando el refuerzo mecánico con la estabilidad electroquímica, enfatizando la importancia de la uniformidad microestructural y la integridad pasiva de la película. Este protocolo proporciona un marco reproducible y relevante para la aplicación para evaluar compuestos AMTI 6Al4V bajo condiciones de tribocorrosión, apoyando la selección informada de materiales, la ingeniería de superficies y el diseño de implantes.
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1. Materiales, equipos y polvos iniciales
2. Deposición láser de metales compuestos de superficie reforzados con cerámica
3. Caracterización microestructural y de fase
4. Caracterización mecánica
5. Pruebas electroquímicas de corrosión
6. Ensayo integrado de tribocorrosión
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Caracterización de polvo y sustrato
En la Figura 1 se muestran micrografías representativas de microscopía electrónica de barrido (SEM) de los polvos de refuerzo inicial ((A) Ti, (B) Zr y (C) TiC. Las imágenes ilustran morfologías típicas de partículas obtenidas de polvos atomizados en gas y de origen comercial. Las partículas de titanio y circonio presentaban predominantemente formas esféricas a casi esféricas, mientras que las partículas de carburo de t...
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Este artículo de métodos presenta un protocolo reproducible para la fabricación, caracterización y evaluación de tribocorrosión de compuestos basados en TI6Al 4Vfabricados aditivamente reforzados con fases cerámicas mediante deposición láser de metal (LMD). La metodología integra la caracterización de polvos, mezcla automatizada in situ, revestimiento láser, análisis microestructural, pruebas electroquímicas y evaluación de tribocorrosión acoplada para abor...
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Los autores no tienen conflictos de interés relacionados con este trabajo y no utilizaron ninguna herramienta de escritura con IA.
Los autores desean agradecer a la Universidad Tecnológica de Durban por el apoyo financiero a este trabajo.
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| Nombre | Empresa | Número de catálogo | Comentarios |
|---|---|---|---|
| Materias primas / Polvos | |||
| Ti6Al4V Polvo | Atomizado por gas, 15–53 μm (ASTM F136) Uso en el estudio: Material matriz para el revestimiento por láser y sustrato. | ||
| Polvo de zirconio (Zr) | Pureza ≥99,5 wt.%, 10–45 μm Uso en el estudio: Refuerzo compuesto y material estabilizador. | ||
| Polvo de carburo de titanio (TiC) | Pureza ≥99 wt.%, 2–10 μm Uso en el estudio: Material de refuerzo cerámico para compuesto. | ||
| Polvo de Ti/TiC | Polvo compuesto mezclado (proporciones específicas de peso) Uso en el estudio: Mezcla de refuerzo para compuesto. | ||
| Polvo de Zr/TiC | Polvo compuesto mezclado (proporciones específicas de peso) Uso en el estudio: Mezcla de refuerzo para compuesto. | ||
| Gases & Químicos | |||
| Nitrógeno (N2) | Ambiente controlado/precaución de seguridad Uso en el estudio: Ambiente controlado para la mezcla de polvo y sistema de Deposición de Metal por Láser (LMD). | ||
| Argón (Ar) | Ambiente de purga, Gas portador/de protección Uso en el estudio: Carga de polvo, atmósfera LMD y tobera coaxial con gas portador. | ||
| Acetona | Disolvente de limpieza Uso en el estudio: Limpieza del sustrato Ti6Al4V. | ||
| Etanol | Disolvente de limpieza Uso en el estudio: | ||
| Solución de enfriamiento | agua Uso en el estudio: Limpieza del sustrato Ti6Al4V. | ||
| Resina epoxi transparente | Material de montaje Uso en el estudio: Montaje de muestras para preparación de electrodos o metalográfica. | ||
| Epoxy conductor | Material de montaje Uso en el estudio: Montaje de muestras para microscopía (posterior a la sección). | ||
| Papel de esmeril (SiC) | Varios tamaños de grano Uso en el estudio: Molienda de muestras (preparación metalográfica). | ||
| Pasta de diamante | Compuesto de pulido Uso en el estudio: Pulido de las superficies expuestas de electrodos y secciones transversales. | ||
| Fluido corporal simulado (SBF) | Electrolito Uso en el estudio: Pruebas de corrosión electroquímica. | ||
| Electrolito NaCl/H2SO4 | Concentración no especificada Uso en el estudio: Pruebas de corrosión electroquímica. | ||
| Equipos & Instrumentación | |||
| Microscopio Electrónico de Barrido (SEM) | Con Espectroscopía Dispersiva de Energía (EDS) Uso en el estudio: Caracterización de polvos y sustratos, análisis microestructural, dispersión de refuerzo y mapeo EDS. |
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