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[EN] Titanium is a material that offers valuable properties such as low density, high strength, good chemical and high temperatures corrosion resistance, and biocompatibility. These properties have contributed to the industrial increasing use of titanium, its alloys and its metal matrix composites. The use of Powder metallurgy technique has become more popular as a technique to processes titanium and titanium alloys. Powder metallurgy is a solid state technique, this attribute reduces not only reactivity among the different materials, but also production costs by being a process "near net shape". Conventional powder metallurgy route, compact and sintering process, has been used in this thesis to produce commercially pure titanium powder with different added particles. The particles that have been added are TiC, TiN and TiSi2. The objective of this thesis was to study the reactivity between the particles added and the pure titanium matrix. The influence of these reactivity on microstructure and mechanical and tribological properties have been analyzed, and in addition the influence of different sintering temperatures have been evaluated too. On the other hand a work collection of present techniques to produce titanium matrix composites and current powder metallurgy processes have been done. Different properties as densification, shrinkage and porosity, in processed materials, have been studied. Furthermore hardness, microhardness and nanohardness of these materials and their different phases have been evaluated too. Flexural strength, toughness, deformation and flexural modulus have been calculated with flexural test. The Young's modulus and Poisson's ratio have been evaluated by ultrasound technique. On the other hand, frictional coefficient and wear rate of these materials have been analyzed with tribological test. Microstructural characterization by optical and electron microscopy, using EDS microanalysis and EBSD techniques, have been made. To end differential scanning calorimetry and termogravimetry have been employed to study phase transformations produced and oxidations process. These research have concluded that conventional powder metallurgy route is an interesting technique to produce titanium matrix composites and titanium alloys, and offers interesting industrial properties. Reactivity between titanium matrix and added particles have been studied, and his influence in mechanical and tribological properties, microstructure and phases formed have been evaluated. / [ES] El titanio es un material que ofrece valiosas propiedades, como su baja densidad, gran resistencia mecánica y a la corrosión, buen comportamiento a elevadas temperaturas y biocompatibilidad. Estas propiedades son las responsables del creciente empleo a nivel industrial del titanio, de sus aleaciones y de sus compuestos. Por otro, lado entre las diferentes vías por las que se puede procesar este material se encuentra la pulvimetarlúrgia convencional, ofreciendo las ventajas de un proceso de transformación en estado sólido, que permite reducir la posible reactividad de los materiales intervinientes, y estando considerado un proceso que reduce considerablemente los costes de producción, por estar clasificado dentro de los llamados "near net shape" o procesos cuya forma es cercana a la final. En este trabajo se ha planteado el empleo de la técnica pulvimetalúrgica convencional, de compactación y sinterización, para procesar polvo de titanio puro comercial al que se le han incorporado diferentes porcentajes de partículas, de diversos tipos de compuestos de titanio (TiC, TiN y TiSi2). El objetivo ha sido estudiar la reactividad resultante entre las partículas de adición y la matriz de titanio puro, y su influencia sobre determinadas propiedades finales de los materiales obtenidos; evaluando, simultáneamente, la respuesta al uso de diferentes temperaturas de sinterización. Adicionalmente, en este trabajo se ha realizado, de forma introductoria, un estudio del estado del arte de los actuales desarrollos en la obtención de materiales compuestos base titanio y similares, así como de los principales procesos pulvimetalúrgicos empleados en los últimos tiempos. La investigación se ha realizado empleando diversas técnicas de caracterización para estudiar los materiales procesados. Por un lado se han evaluado la densificación y contracciones experimentadas, la porosidad interna e interconectada conseguidas, la dureza de los materiales en general, y la microdureza y nanodureza presentada por cada una de las fases formadas; mediante ensayos de flexión se ha investigado la resistencia, tenacidad, deformación y módulo elástico a flexión presentados por los materiales procesados; se ha evaluado el módulo de Young y coeficiente de Poisson mediante el empleo de ultrasonidos; y mediante ensayos tribológicos se han evaluado su coeficiente de fricción y tasa de desgaste. Por otro lado se han realizado caracterizaciones microestructurales a través de microscopía óptica y electrónica empleando técnicas de microanálisis EDS y EBSD, para poder determinar metalúrgicamente la reactividad producida durante el proceso entre la matriz de titanio y los materiales adicionados, así como la formación de fases y estructuras cristalinas formadas. Y finalmente este estudio microestructural se ha complementado con análisis mediante calorimetría diferencial de barrido que permiten conocer las posibles transformaciones de fase que han tenido lugar. Los estudios realizados han permitido concluir que la vía pulvimetalúrgica convencional permite la obtención de materiales compuestos y aleaciones base titanio que ofrecen propiedades de interés industrial. Se ha evaluado la diversa reactividad ofrecida por los diferentes materiales adicionados, y se ha podido determinar la influencia de esta reactividad sobre las microestructuras y fases metalúrgicas formadas durante el proceso, así como el impacto y relación de estas formaciones microestructurales con propiedades mecánicas y tribológicas de los materiales procesados. / [CA] El titani és un material que ofereix valuoses propietats, com una baixa densitat, gran resistència mecànica i resistència a la corrosió, bon comportament a elevades temperatures i biocompatibilitat. Aquestes propietats són les responsables del creixent ús a nivell industrial del titani, dels seus aliatges i dels seus compostos. D'altra banda, entre les diferents vies per les quals es pot processar aquest material es troba la pulvimetarlúrgia convencional, la qual ofereix els avantatges d'un procés de transformació en estat sòlid, que permet reduir la possible reactivitat dels materials intervinents. A més a més, es considera que aquest redueix considerablement els costos de producció, per estar classificat dins dels anomenats "near net shape" o processos de forma propera a la final. En aquest treball s'ha plantejat l'ús de la tècnica pulvimetal·lúrgica convencional, de compactació i sinterització, per a processar pols de titani pur comercial al qual se li han incorporat diferents percentatges de partícules de diversos tipus de compostos de titani (TiC, TiN i TiSi2 ). L'objectiu ha estat estudiar la reactivitat resultant entre les partícules d'addició i la matriu de titani pur, i la seva influència sobre determinades propietats finals dels materials obtinguts; avaluant, simultàniament, la resposta a l'ús de diferents temperatures de sinterització. Addicionalment, s'ha realitzat, de forma introductòria, un estudi de l'estat de l'art dels actuals desenvolupaments en l'obtenció de materials compostos base titani i similars, així com dels principals processos pulvimetal·lúrgics emprats en els últims temps. La investigació s'ha realitzat emprant diverses tècniques de caracterització per estudiar els materials processats. D'una banda, s'han avaluat la densificació i contraccions experimentades, la porositat interna i interconnectada aconseguides, la duresa dels materials en general, i la microduresa i nanoduresa presentada per cadascuna de les fases formades; mitjançant assajos de flexió s'ha investigat la resistència, tenacitat, deformació i mòdul elàstic a flexió presentats pels materials processats; s'ha avaluat el mòdul de Young i coeficient de Poisson mitjançant l'ús d'ultrasons; i mitjançant assajos tribològics s'han avaluat el seu coeficient de fricció i taxa de desgast. D'altra banda s'han realitzat caracteritzacions microestructurals a través de microscòpia òptica i electrònica emprant tècniques de microanàlisi EDS i EBSD, per poder determinar metal·lurgicament la reactivitat produïda durant el procés entre la matriu de titani i els materials addicionats, així com la formació de fases i estructures cristal·lines formades. I finalment, aquest estudi microestructural s'ha complementat amb anàlisis mitjançant calorimetria diferencial d'escombrat que permeten conèixer les possibles transformacions de fase que han tingut lloc. Els estudis realitzats han permès concloure que la via pulvimetal·lúrgica convencional permet l'obtenció de materials compostos i aliatges base titani que ofereixen propietats d'interès industrial. S'ha avaluat la diversa reactivitat oferta pels diferents materials addicionats, i s'ha pogut determinar la influència d'aquesta reactivitat sobre les microestructures i fases metal·lúrgiques formades durant el procés, així com l'impacte i relació d'aquestes formacions microestructurals amb propietats mecàniques i tribològiques dels materials processats. / Romero Sanchis, FB. (2015). Estudio de la reactividad del titanio con partículas de adición por vía pulvimetalúrgica [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/59233

El presente trabajo se enmarca dentro del proyecto FONDECYT Nº 1070294 ejecutado por un equipo de investigación de la Universidad de Chile. El objetivo general es estudiar el efecto de la presión de compactación, la temperatura y el tiempo de sinterización sobre polvos aleados mecánicamente de Cu-1,2%p Al, Cu-2,3%p Ti y Cu-2,7%p V, sobre su densidad y microestructura tras sinterizar. Se fabricaron las aleaciones a partir de polvos elementales de Cu, Ti, Al y V, mediante molienda reactiva. Los polvos fueron compactados y sinterizados bajo atmósfera reductora. Para cada aleación, se estudió la densidad final y microestructura resultante de 8 condiciones diferentes de compactación y sinterización, de acuerdo con un diseño factorial del tipo 2N , donde se consideraron los siguientes parámetros: (1) Presión de compactación (200[MPa] y 400[MPa]), (2) Temperatura de sinterización (850[°C] y 950[°C]), (3) Tiempo de sinterización (1[h] y 4[h]). Se realizaron ajustes mediante regresión lineal para describir el efecto de la variación de la presión, temperatura y tiempo sobre la densidad de los materiales obtenidos, y se describió la morfología de la porosidad residual mediante observación en microscopio óptico. La densidad final máxima obtenida fue, en orden creciente: Cu-V (66%, 400[MPa], 850[°C], 4[h]), Cu-Ti (65%, 400[MPa], 950[°C], 4[h]), y Cu-Al (77%, 400[MPa], 850[°C], 1[h]). El proceso de molienda reactiva dio lugar a partículas con forma de hojuela, endurecidas por deformación, lo cual provocó que las aleaciones obtuviesen una densidad final mucho menor que el cobre puro sinterizado (densidad 87%). Esto se debe a que el polvo endurecido resiste la deformación durante la compactación, lo cual crea menos puntos de contacto entre partículas, hace más lenta la sinterización, y da lugar a una menor densidad. El elemento aleante influyó en el tamaño de partícula que se obtiene durante la molienda, lo que se atribuye a los diferentes medios de molienda (hexano para Ti y V, metanol para Al) y a la diferente dureza que confiere cada cerámica al formarse en el cobre durante la molienda. A mayor tamaño de partícula, se obtuvo mayor densidad en verde, menor densificación, y mayor densidad final, en correspondencia con la teoría. Para las tres aleaciones, el aumento de la presión de compactación da lugar a una mayor densidad en verde, una mayor densificación, y una densidad final mayor. Para mayor presión se observa un engrosamiento de la microestructura debido a la mayor densidad de dislocaciones del polvo, lo cual da lugar a una recristalización acelerada durante la sinterización, y un mayor crecimiento del tamaño de grano. Para las tres aleaciones, el aumento de la temperatura de sinterización produce mayor densificación y una densidad final mayor. La temperatura es un parámetro importante en la densidad final, ya que influye en forma exponencial en el coeficiente de autodifusión del cobre. A mayor temperatura se observa un engrosamiento de la microestructura, con mayor crecimiento del tamaño de grano, y los poros se esferoidizan. Para las tres aleaciones, el aumento del tiempo de sinterización produce mayor densificación, y una densidad final mayor. El tiempo es un parámetro poco relevante sobre la densidad final, ya que la distancia de difusión depende de la raíz cuadrada del tiempo. No se observan cambios en la microestructura al aumentar el tiempo de sinterización, a pesar de que la densidad aumenta.

Beta-titanium alloys for use as biomaterials are very interesting from the perspective of obtaining a reduction of the elastic modulus, which together with good mechanical properties, avoid the problems of stress shielding that, induce bone reabsorption. The obtaining process of these alloys is complex because the refractory elements that are normally used to stabilize the beta phase (Nb, Ta, Mo). Powder metallurgy is a relatively simple technology that allows the design of custom alloys, presenting ease in alloy modification, but this technique also presents some disadvantages, such as porosity, lack of diffusion or lack of grain size and phase transformation control. This thesis proposes the development of new alloys using conventional powder metallurgy techniques. The main objective is the study of the effect of the iron content on a Ti35Nb10Ta alloy (% wt.) on the beta phase stability and the final properties obtained, when the alloys are obtained by powder metallurgical techniques. The effect of small iron additions on porosity, microstructure and mechanical properties has been evaluated. It is also studied the behavior of these alloys in corrosion and the possibility of applying severe plastic deformation (SPD) to powder metallurgic beta alloys, as a means of microstructural control and improvement of mechanical properties. For the microstructural study, optical microscopy has been used to evaluate the porosity, and electron microscopy, both scanning (SEM) and transmission (TEM), to determine the phase distribution and the interaction between them. The orientation of the crystals is determined by electron backscatter diffraction (EBSD) and by automatic crystal orientation measurements (ACOM) in transmission electron microscopy when the nanometric characterization of the phases is required after the application of severe plastic deformation that has been performed by high-pressure torsion (HPT). The mechanical properties are determined by bending, compression and hardness tests. The elastic modulus, which can be estimated in the bending and compression tests, has been determined by nanoindentation and by ultrasounds. The corrosion resistance of the developed alloys, and therefore the effect of the iron addition on the Ti35Nb10Ta base alloy, has been performed by electrochemical corrosion tests with a three-electrode system using a simulated body fluid electrolyte (SBF). The results show that the iron produces an increase of the porosity that has a negative influence on the final mechanical properties. Complete stabilization of the beta phase is achieved, although there is an increase in grain size. The bending mechanical resistance decreases with the addition of iron, although it maintains the compression resistance. However, in spite of the greater stabilization of the beta phase, the addition of iron produces an increase in the elastic modulus of the studied alloys. The corrosion resistance is similar for all alloys studied, showing little influence with the variation of the iron content of the alloy. Finally, it has been possible to obtain a nanostructured material with the application of SPD by high-pressure torsion with different iron contents, which involves a smaller grain size and an increase of the mechanical properties with a smaller elastic modulus, which is very promising for future researches. / Las aleaciones de titanio beta para su uso como biomateriales resulta muy interesante desde la perspectiva de obtener una disminución del módulo elástico que, junto con unas buenas propiedades mecánicas, evite los problemas de apantallamiento de tensiones que inducen la reabsorción ósea. La obtención de estas aleaciones es compleja debido a que los elementos que normalmente se utilizan para estabilizar la fase beta (Nb, Ta, Mo) son refractarios. La pulvimetalurgia es una tecnología relativamente sencilla que permite el diseño de aleaciones a medida, presentando facilidad en la modificación de la aleación, pero esta técnica también presenta algunos inconvenientes, como la porosidad, falta de difusión o falta de control en el tamaño de grano y la transformación de fases. En esta tesis se propone el desarrollo de nuevas aleaciones mediante técnicas convencionales de pulvimetalurgia. Siendo el objetivo principal el estudio del efecto del contenido de hierro en una aleación Ti35Nb10Ta (% en peso) en la estabilidad de la fase beta y las propiedades finales obtenidas, cuando las aleaciones se obtienen mediante técnicas pulvimetalúrgicas. Se ha evaluado el efecto de pequeñas adiciones de hierro en la porosidad, microestructura y propiedades mecánicas. También se estudia el comportamiento de estas aleaciones respecto a la corrosión y la posibilidad de aplicar deformación plástica severa (SPD, Severe Plastic Deformation) a aleaciones beta de origen pulvimetalúrgico, como medio de control microestructural y para mejora de las propiedades mecánicas. Para el estudio microestructural se ha utilizado microscopía óptica, para evaluar la porosidad, y electrónica, tanto de barrido (SEM) como de transmisión (TEM), para determinar la distribución de las fases y la interacción entre ellas. La determinación de la orientación de los cristales se realiza mediante difracción de electrones retrodispersados (EBSD, Electron Backscatter Diffraction) y mediante un sistema automático de medida de la orientación cristalina (ACOM, Automatic Crystal Orientation Measurements) en Microscopía electrónica de transmisión cuando se requiere la caracterización nanométrica de las fases tras la aplicación de deformación plástica severa que se ha realizado mediante torsión a alta presión (HPT, High-Pressure Torsion). Las propiedades mecánicas se determinan mediante ensayos de flexión, y compresión, así como la determinación de la dureza. El módulo elástico, que puede estimarse en los ensayos de flexión y compresión, se ha determinado por nanoindentación y mediante ultrasonidos. La resistencia frente a la corrosión de las aleaciones desarrolladas, y por tanto el efecto de la adición de hierro en la aleación base Ti35Nb10Ta, se ha realizado mediante ensayos de corrosión electroquímica, con un sistema de tres electrodos, utilizando un electrolito de fluido corporal simulado (SBF, Simulated Body Fluid). Los resultados obtenidos muestran que el efecto del hierro produce un incremento de la porosidad que presenta una influencia negativa en las propiedades mecánicas finales. Se consigue una estabilización completa de la fase beta, aunque también se produce un incremento del tamaño de grano. La resistencia mecánica a flexión disminuye con la adición de hierro, aunque mantiene la resistencia en compresión. Sin embargo, pese a la mayor estabilización de la fase beta, la adición de hierro produce un incremento en el módulo de elasticidad de las aleaciones estudiadas. La resistencia a la corrosión es semejante para todas las aleaciones estudiadas, mostrando poca influencia con la variación del contenido de hierro de la aleación. Finalmente, se ha conseguido obtener una nanoestructuración del material con la aplicación de SPD mediante la técnica de torsión a alta presión con diferentes contenidos de hierro, que implica un menor tamaño de grano y un aumento de las propiedades mecánicas con un menor m / Els aliatges de titani beta per a utilitzar-los com biomaterials resulta molt interessant des de la perspectiva d'obtindre una disminució del mòdul d'elasticitat que, juntament amb unes bones propietats mecàniques, evite els problemes d'apantallament de tensions que indueixen la reabsorció òssia. L'obtenció d'aquests aliatges és complexa degut a que els elements que normalment s'utilitzen per estabilitzar la fase beta (Nb, Ta, Mo) son refractaris. La pulvimetal¿lúrgia és es una tecnologia relativament senzilla que permet el disseny d'aliatges a mesura, presentant la facilitat de modificació de l'aliatge, però aquesta tècnica també presenta alguns inconvenients, com la porositat, falta de difusió o falta de control en el tamany del gra i la transformació de les fases. En aquesta tesi es proposa el desenvolupament de nous aliatges mitjançant tècniques convencionals de pulvimetal¿lúrgia. Sent l'objectiu principal l'estudi de l'efecte del contingut de ferro en un aliatge Ti35Nb10Ta (% en pes) en l'estabilitat de la fase beta i les propietats finals obtingudes, quan els aliatges s'obtenen mitjançant tècniques pulvimetal¿lúrgiques. S'ha avaluat l'efecte de xicotetes addicions de ferro en la porositat, microestructura i propietats mecàniques. També s'estudia el comportament d'aquests aliatges front a la corrosió i la possibilitat d'aplicar deformació plàstica severa (SPD, Severe Plastic Deformation) a aliatges beta d'origen pulvimetal¿lúrgic, com mitjà de control microestructural i per millorar les propietats mecàniques. Per a l'estudi microestructural s'ha utilitzat microscòpia òptica, per avaluar la porositat, i electrònica, tant d'escombratge (SEM, Scanning Electron Microscope) com de transmissió (TEM, Transmision Electron Microscope), per a determinar la distribució de les fases y la interacció entre elles. La determinació de l'orientació dels cristalls es realitza mitjançant difracció d'electrons retrodispersats (EBSD, Electron Backscatter Diffraction) i mitjançant un sistema automàtic de mesura de l'orientació cristal¿lina (ACOM, Automatic Crystal Orientation Measurements) en microscòpia electrònica de transmissió quan es requereix la caracterització nanomètrica de les fases després de l'aplicació de deformació plàstica severa que s'ha realitzat mitjançant torsió a alta pressió (HPT, High-Pressure Torsion). Les propietats mecàniques es determinen amb assajos de flexió, compressió i durea. El mòdul elàstic, que pot estimar-se amb els assajos de flexió i compressió, s'ha determinat per nanoindentació i mitjançant ultrasons. La resistència front a la corrosió dels aliatges desenvolupats, i per tant l'efecte de l'addició de ferro en l'aliatge base Ti35Nb10Ta, s'ha realitzat mitjançant assajos de corrosió electroquímica, amb un sistema de tres elèctrodes, utilitzant un electròlit de fluid corporal simulat (SBF, Simulated Body Fluid). Els resultats obtinguts mostren que l'efecte del ferro produeix un increment de la porositat que presenta una influència negativa en les propietats mecàniques finals. S'aconsegueix una estabilització completa de la fase beta, encara que també es produeix un increment del tamany del gra. La resistència mecànica a flexió disminueix amb l'addició de ferro, encara que manté la resistència a compressió. No obstant açò, malgrat la major estabilització de la fase beta, l'addició de ferro produeix un increment en el mòdul d'elasticitat dels aliatges estudiats. La resistència a la corrosió es semblant per a tots els aliatges estudiats, mostrant poca influència amb la variació del contingut de ferro de l'aliatge. Finalment, s'ha aconseguit obtenir una nanoestructuració del material amb l'aplicació de SPD mitjançant torsió a alta pressió amb diferents continguts de ferro, que implica una menor grandària de gra i un augment de les propietats mecàniques amb un menor mòdul d'elasticitat, la qual cosa resulta molt p / Amigó Mata, A. (2017). Influencia de las adiciones de Fe en las aleaciones de Ti-Nb-Ta obtenidas mediante tecnología de polvos, para aplicaciones biomédicas [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/80618

Tesis por compendio / Titanium and its alloys have been widely used in oral implantology due to their mechanical properties, corrosion resistance and biocompatibility. However, under in vivo conditions the implants are subjected to the tribocorrosion phenomenon, which consists in the degradation mechanisms due to the combined effect of wear and corrosion. This process contributes to limiting the life span of the implant and may generate clinical problems in patients as metallic ions are released. Another cause of dental implant failure may be the loosening of the implant as metal does not promote osseointegration. The powder-metallurgy process is a promising alternative to the traditional casting fabrication process of titanium alloys for bone implants design, as the porous structure would allow the bone to grow into the pores. This would result in a better fixation of the metal implant without the need of sandblasting /acid etching the surface. The present Doctoral thesis aims at describing the corrosion and tribocorrosion behavior of titanium alloys and their degradation mechanisms when processed by powder metallurgy, as a possible alternative to standard casting for dental implant application. For this, model Ti6Al4V titanium alloy and possible substitute Ti6Al7Nb alloy, where Vanadium has been replaced by Niobium in order to avoid cytotoxicity of the resulting biomaterial, have been studied. Electrochemical and tribo-electrochemical characterization of the biomaterials have been carried out under different physico-chemical conditions with biological relevance (in artificial saliva (AS) with different fluoride content, pH and oxidising conditions) which noticeably influences the degradation mechanisms of the studied materials. A new tribocorrosion technique that allows measuring the galvanic potential and current between the wear track (anode) and the passive material (cathode) through Zero-Resistance Ammetry (ZRA) has been also used to elucidate tribocorrosion mechanisms of the model Ti6Al4V cast alloy in AS. The ZRA technique for tribocorrosion allowed predicting the real depassivated area and therefore, the deviation of the wear mechanisms from Archard wear law at Open Circuit Potential (OCP). All alloys show passivity in artificial saliva although active dissolution occurs in presence of high fluoride concentration (1000 ppm) and acidic conditions, pH 3. The degradation mechanism of sintered alloys is mainly governed by the mechanical wear in AS and only determined by the active dissolution when fluorides are added to acidified artificial saliva (pH 3). Wear was found to be governed by the prevailing oxidizing condition (simulated by changes in the electrode potential). Ti6Al4V alloy processed by powder metallurgy showed a similar tribocorrosion resistance when compared to commercially available cast alloy suggesting that powder metallurgy is a promising fabrication process for implant applications. The influence of the alloying elements, Al and Nb, on the corrosion and tribocorrosion behavior of different titanium alloys, Ti6Al7Nb, Ti7Nb and Ti6Al has been studied and in all cases, the corrosion resistance is improved when compared to pure titanium. Wear damage was found to be critically affected by the ductility of the material, thus by the alloying element. Ti6Al7Nb showed a better corrosion resistance and similar tribocorrosion behaviour when compared to Ti6Al4V. The results of this thesis have shown that Ti6Al7Nb obtained by Powder metallurgy is a promising biomedical alloy for oral implants. Wear damage of sintered Ti alloys depends on the electrochemical potential and their tribocorrosion behaviour is critically affected by a high content of fluoride found in common daily dental health care products. / El titanio y sus aleaciones han sido utilizados en implantología oral debido a sus propiedades mecánicas, resistencia a la corrosión y biocompatibilidad. Sin embargo, bajo condiciones in vivo los implantes están sometidos al fenómeno de tribocorrosión, que consiste en mecanismos de degradación debido al efecto combinado de desgaste y corrosión. Este proceso disminuye la vida útil del implante y genera problemas clínicos a medida que se liberan iones metálicos. La pérdida de fijación del implante es otra causa de fracaso del implante, por falta de osteointegración. El proceso de pulvimetalurgia es una alternativa prometedora al proceso tradicional de fabricación (colada, forja) de aleaciones de titanio para el diseño de implantes óseos, ya que la estructura porosa permitiría que el hueso crezca dentro de los poros, dando lugar a una mejor fijación del implante. La presente tesis doctoral pretende describir el comportamiento frente a la corrosión y tribocorrosión de las aleaciones de titanio y sus mecanismos de degradación cuando se procesan mediante pulvimetalurgia, como una posible alternativa a la colada estándar para la aplicación de implantes dentales. Se ha estudiado el modelo de aleación de titanio Ti6Al4V y posible sustitución por la aleación Ti6Al7Nb, donde el Vanadio ha sido sustituido por Niobio para evitar la citotoxicidad del biomaterial. La caracterización electroquímica y tribo-electroquímica de los biomateriales se ha llevado a cabo en diferentes condiciones físico-químicas con relevancia biológica (en saliva artificial (AS) con fluoruro, pH y condiciones oxidantes) que influye notablemente en los mecanismos de degradación de los materiales estudiados. También se ha utilizado una nueva técnica de tribocorrosión que permite medir el potencial galvánico y la corriente entre la pista de desgaste (ánodo) y el material pasivo (cátodo) a través de la ametría de resistencia cero (Zero-Resistence Ammetry, ZRA) para elucidar los mecanismos de tribocorrosión de la aleación de forja Ti6Al4V en AS. La técnica ZRA para tribocorrosión permitió predecir el área real despasivada y, por tanto, la desviación de los mecanismos de desgaste de la ley de desgaste de Archard en OCP. Las aleaciones muestran pasividad en AS, aunque la disolución activa se produce en presencia de alta concentración de fluoruro (1000 ppm) y condiciones ácidas, pH 3. El mecanismo de degradación de las aleaciones sinterizadas se rige principalmente por el desgaste mecánico en AS y sólo determinado por la disolución activa cuando se añaden fluoruros a la saliva artificial acidificada (pH3). Se encontró que el desgaste se rige por la condición oxidante predominante (simulada por cambios en el potencial de electrodo). La aleación Ti6Al4V procesada por pulvimetalurgia mostró una resistencia similar a la tribocorrosión cuando se comparó con la aleación forjada comercial disponible, lo que sugiere que la pulimetalurgia es un prometedor proceso de fabricación para aplicaciones de implantes. Se ha estudiado la influencia de los elementos aleantes Al y Nb sobre el comportamiento de corrosión y tribocorrosión de diferentes aleaciones de titanio Ti6Al7Nb, Ti7Nb y Ti6Al y en todos los casos la resistencia a la corrosión se mejora en comparación con el titanio puro. El daño de desgaste está afectado críticamente por la ductilidad del material, por lo tanto, por el elemento de aleación. La aleación Ti6Al7Nb mostró una mejor resistencia a la corrosión y un comportamiento similar de tribocorrosión en comparación con la aleación Ti6Al4V. Los resultados de esta tesis han demostrado que el Ti6Al7Nb obtenido por pulvimetalurgia es una prometedora aleación biomédica para implantes orales. El deterioro del desgaste de las aleaciones de Ti sinterizadas depende del potencial electroquímico y su comportamiento a tribocorrosión se ve afectado de manera crítica por un alto contenido de ion flúor / El titani i els seus aliatges s'han utilitzat en l'implantologia oral degut a les seves propietats mecàniques, resistència a la corrosió i biocompatibilitat. No obstant això, en condicions in vivo els implants són sotmesos al fenomen de tribocorrosió, que consisteix en els mecanismes de degradació causats per l'efecte combinat de desgast i corrosió. Aquest procés contribueix a limitar la vida útil de l'implant i pot generar problemes clínics com l'alliberament d'ions metàl¿lics. Una altra causa de fracàs de l'implant dental pot ser la pèrdua de fixació de l'implant, ja que el metall no promou l'osteointegració. El procés de pulvimetal¿lúrgia és una alternativa prometedora al procés tradicional de fabricació (colada i forja) d'aliatges de titani per al disseny d'implants ossis, ja que l'estructura porosa permetria que l'os creixca dins dels porus. Això donaria lloc a una millor fixació de l'implant metàl¿lic. La present tesi doctoral pretén descriure el comportament enfront de la corrosió i tribocorrosió dels aliatges de titani i els seus mecanismes de degradació quan es processen mitjançant pulverimetal¿lúrgia, com una possible alternativa a la fabricació estàndard per forja per a l'aplicació d'implants dentals. Per a això, s'ha estudiat el model d'aliatge de titani Ti6Al4V i possible substitució per l'aliatge Ti6Al7Nb, on el vanadi ha estat substituït per niobi per evitar la citotoxicitat del biomaterial resultant. La caracterització electroquímica i tribo-electroquímica dels biomaterials s'ha dut a terme en diferents condicions fisicoquímiques amb rellevància biològica (en saliva artificial (AS) amb fluorur, pH i condicions oxidants) que influix notablement en els mecanismes de degradació dels materials estudiats. També s'ha utilitzat una nova tècnica de tribocorrosió que permet mesurar el potencial galvànic i el corrent entre la pista de desgast (ànode) i el material passiu (càtode) a través de la ametria de resistència zero (Zero-Resistence Ammetry, ZRA) per elucidar els mecanismes de tribocorrosió de l'aliatge de forja Ti6Al4V en AS. La tècnica ZRA per tribocorrosió va permetre predir l'àrea real despassivada i, per tant, la desviació dels mecanismes de desgast de la llei de desgast de Archard en OCP. Tots els aliatges mostren passivitat en la saliva artificial, tot i que la dissolució activa es produix en presència d'alta concentració de fluorur (1000 ppm) i condicions àcides, pH 3. El mecanisme de degradació dels aliatges sinteritzats es regix principalment pel desgast mecànic en AS i només determinat per la dissolució activa quan s'afegixen fluorurs a la saliva artificial acidificada (pH 3). Es va trobar que el desgast es regix per la condició oxidant predominant (simulada per canvis en el potencial d'elèctrode). L'aliatge Ti6Al4V processada per pulverimetal¿lúrgia va mostrar una resistència similar a la tribocorrosió quan es va comparar amb l'aliatge forjada comercial disponible, el que suggerix que la pulverimetal¿lúrgia és un prometedor procés de fabricació per a aplicacions d'implants. S'ha estudiat la influència dels elements d'aliatge Al i Nb sobre el comportament de corrosió i tribocorrosió de diferents aliatges de titani Ti6Al7Nb, Ti7Nb i Ti6Al i en tots els casos la resistència a la corrosió es millora en comparació amb el titani pur. Es va trobar que el dany de desgast està afectat críticament per la ductilitat del material, per tant, per l'element d'aliatge. L'aliatge Ti6Al7Nb va mostrar una millor resistència a la corrosió i un comportament similar de tribocorrosió en comparació amb l'aliatge Ti6Al4V. Els resultats d'aquesta tesi han demostrat que el Ti6Al7Nb obtingut per pulverimetal¿lúrgia és un prometedor aliatge biomèdic per a implants orals. El deteriorament del desgast dels aliatges de Ti sinteritzats depèn del potencial electroquímic i el seu comportament a tribocorrosió es veu afectat de manera crí / Licausi, M. (2017). Analysis of tribocorrosion behavior of biomedical powder metallurgy titanium alloys [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/90448 / Compendio

Las aleaciones de titanio con microestructura ß destacan sobre todo por sus buenas propiedades específicas, su resistencia a la corrosión y por su bajo módulo elástico que las hacen muy apropiadas para su utilización como biomaterial en implantología ya que reducen de forma drástica fenómenos indeseados como el apantallamiento de tensiones. Existen grandes dificultades para procesar este tipo de aleaciones pero la pulvimetalurgia convencional se muestra como una de las mejores opciones. Unido a la mezcla elemental de polvos se aprovecha la gran reactividad del titanio para obtener aleaciones homogéneas a pesar del carácter refractario de los principales aleantes betágenos del titanio. Pero esta gran reactividad entorpece el procesado ya que se debe tener especial cuidado para no contaminar u oxidar el material. En este trabajo se ha desarrollado una serie de aleaciones de titanio tipo ß procesadas por pulvimetalurgia y mezcla elemental de polvos. Se ha utilizado el niobio como principal elemento de aleación betágeno, y se ha incluido pequeños contenidos de estaño estudiándose la influencia de éste como tercer elemento en la aleación. En primer lugar se ha optimizado el procesado logrando un nivel de repetitividad y homogeneidad muy alto. Se ha estudiado las microestructuras obtenidas para comprender el comportamiento mecánico de las mismas así como su comportamiento frente a la corrosión simulando las solicitaciones requeridas como biomaterial. Se ha puesto especial hincapié en la determinación del módulo elástico por diferentes métodos de modo que permita un mayor acercamiento a la modificación del mismo mediante aleación, y todo ello comparado con los resultados alcanzados por otros investigadores. Los resultados obtenidos muestran que las aleaciones desarrolladas mediante la adición de 2 y 4 % de estaño a aleaciones base Ti 30Nb, así como la técnica de procesado seleccionada son una gran alternativa, desde el punto de vista de propiedades, y económicamente viable. / Devesa Albeza, F. (2013). Desarrollo y caracterización de aleaciones Ti-Nb-Sn obtenidas por vía pulvimetalúrgica [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/28211

[ES] Dentro del sector biomédico, el titanio y sus aleaciones han desplazado a otros materiales como el acero inoxidable 316L y las aleaciones Co-Cr por ofrecer un módulo elástico más cercano al hueso cortical, lo que reduce sustancialmente el efecto de apantallamiento de tensiones. Una manera de disminuir aún más el módulo elástico es estabilizando la fase cúbica beta (bcc) del titanio a temperatura ambiente mediante la adición de elementos como el Nb y Mo, cuya biocompatibilidad ha sido comprobada en numerosos estudios. La ruta convencional para el procesado de estas aleaciones es la fundición y/o forja, pero en esta investigación se ha optado por la pulvimetalurgia ya que el desperdicio de material es mínimo y se reducen las etapas posteriores de tratamientos térmicos y mecanizado, facilitando el procesado en general y reduciendo los costos. Además, el carácter refractario de los elementos estabilizadores beta justifica aún más el empleo de un método de consolidación en estado sólido como la pulvimetalurgia donde no es necesario alcanzar temperaturas tan elevadas. Por tanto, en una primera aproximación se han procesado aleaciones de Ti-xNb-yMo (x = 13, 20, 27, 35 ; y = 12, 10, 8, 6; % en peso) mediante pulvimetalurgia convencional para estudiar el efecto del Nb y Mo en la microestructura y propiedades mecánicas de las aleaciones. A fin de atacar otros problemas inherentes del proceso como la porosidad y la falta de homogeneidad en la microestructura se ha acudido a la mezcla mecánica de polvos de la aleación Ti-35Nb-6Mo, evaluando también el efecto de diferentes agentes controladores de proceso en la molienda. Por último, se ha tratado la superficie de las aleaciones Ti-27Nb-8Mo y Ti-35Nb-6Mo mediante fusión por láser con diferentes parámetros para estudiar la capacidad del proceso de cerrar la porosidad abierta, mejorar la homogeneidad superficial, y evaluar su efecto en la microestructura y propiedades mecánicas de las aleaciones. Pese a aumentar la porosidad en función del contenido de Nb, las aleaciones Ti-27Nb-8Mo y Ti-35Nb-6Mo de las obtenidas por mezcla elemental exhibieron las mejores propiedades en general, con una microestructura casi beta en su totalidad y un módulo de elasticidad de 67 - 74 GPa, que se acerca más al presentado por el hueso cortical en comparación con la aleación comercial Ti-6Al-4V ELI. Por su parte, la mezcla mecánica mejoró considerablemente la homogeneidad química de la aleación Ti-35Nb-6Mo, pero promovió la formación de la fase alfa y deterioró la resistencia y deformación mecánica debido a la ganancia en acritud del polvo y el aumento de la porosidad. No obstante, la microdureza de las aleaciones aumentó significativamente. En cuanto al agente controlador de proceso, el cloruro de sodio (NaCl) exhibió los mejores resultados en términos de rendimiento y distribución de tamaño de partícula, mientras que el ácido esteárico indujo la contaminación del polvo mediante la formación de la fase no deseada TiC. El tratamiento de fusión superficial por láser consiguió cerrar efectivamente la porosidad abierta de las aleaciones y mejorar la homogeneidad microestructural. Adicionalmente, promovió un aumento de la resistencia y la deformación mecánica y una leve disminución del módulo elástico en ambas aleaciones. Por último, la aleación Ti-27Nb-8Mo tratada superficialmente a 1000W y 6,67 mm/s exhibió una microestructura beta casi en su totalidad y las mejores propiedades mecánicas desde un punto de vista biomédico, con una resistencia de 1467 MPa, una deformación de 7% y un módulo de elasticidad de 67 - 72 GPa. / [CA] Dins del sector biomèdic el titani i els seus aliatges han desplaçat a altres materials com l'acer inoxidable 316L i els aliatges Co-Cr per oferir un mòdul elàstic inferior i més pròxim a l'os cortical, la qual cosa redueix substancialment l'efecte d'apantallament de tensions. Una manera de disminuir encara més el mòdul elàstic és estabilitzant la fase cúbica beta; (bcc) del titani a temperatura ambient mitjançant l'addició d'elements altament biocompatibles com el Nb i Mo. La ruta convencional per al processament d'aquests aliatges és la fosa i/o forja, però en aquesta recerca s'ha optat per la pulvimetalurgia ja que el desaprofitament de material és mínim i es redueixen les etapes posteriors de tractament tèrmics i mecanitzat, facilitant el processament en general i reduint els costos. A més, el caràcter refractari dels elements estabilitzadors beta justifica encara més l'ús d'un mètode de consolidació en estat sòlid com la pulvimetalurgia on no és necessari aconseguir temperatures tan elevada. Per tant, en una primera aproximació s'han processat aliatges de Tu-xNb-yMo (x = 13, 20, 27, 35 ; i = 12, 10, 8, 6; % en pes) mitjançant pulvimetalurgia convencional per a estudiar l'efecte del Nb i Mo en la microestructura i propietats mecàniques dels aliatges. A fi d'atacar altres problemes inherents del procés com la porositat i la falta d'homogeneïtat en la microestructura s'ha acudit a la mescla mecànica de pólvores de l'aliatge Tu-35Nb-6Mo, avaluant també l'efecte de diferents agents antiadherentes en la mòltaa. Finalment, s'ha tractat la superfície dels aliatges Tu-27Nb-8Mo i Tu-35Nb-6Mo mitjançant fusió per làser amb diferents paràmetres per a estudiar la capacitat del procés per a tancar la porositat oberta, millorar l'homogeneïtat superficial, i avaluar el seu efecte en la microestructura i propietats mecàniques dels aliatges. Malgrat augmentar la porositat en funció del contingut de Nb, els aliatges Tu-27Nb-8Mo i Tu-35Nb-6Mo van exhibir les millors propietats en general. La mescla mecànica va millorar l'homogeneïtat química de l'aliatge Tu-35Nb-6Mo però va deteriorar les propietats mecàniques amb excepció de la microdureza. El tractament de fusió superficial per làser va aconseguir tancar efectivament la porositat oberta dels aliatges i va millorar l'homogeneïtat microestructural i les propietats mecàniques. Finalment, l'aliatge Tu-27Nb-8Mo tractada superficialment a 1000W i 6,67 mm/s va exhibir una microestructura beta gairebé íntegrament i les millors propietats mecàniques des d'un punt de vista biomèdic. / [EN] Within the biomedical sector, titanium and its alloys have replaced other materials such as 316L stainless steel and Co-Cr alloys due to a lower elastic modulus, closer to the cortical bone, which significantly reduces the stress shielding effect. An alternative to decrease the elastic modulus even more is to stabilize the cubic beta phase (bcc) of titanium at room temperature by adding highly biocompatible elements such as Nb and Mo. These alloys are normally processed by casting and/or forging, but in this work powder metallurgy was conducted due to lower material waste and less subsequent stages of heat treatments and machining, reducing costs significantly. Moreover, the refractory nature of beta stabilizing elements justifies even more the use of a solid-state consolidation method such as powder metallurgy where it is not necessary to reach meting point temperatures. Therefore, in a first approach, Ti-xNb-yMo alloys (x = 13, 20, 27, 35; y = 12, 10, 8, 6;% by weight) were processed by conventional powder metallurgy to study the effect of Nb and Mo in the microstructure and mechanical properties of the alloys. In order to attack other powder metallurgy inherent problems, such as porosity and inhomogeneity in the microstructure, mechanical mixing was carried out for the Ti-35Nb-6Mo powder, evaluating the effect of different non-stick agents on the milling process. Finally, the surface of Ti-27Nb-8Mo and Ti-35Nb-6Mo alloys were treated by laser surface melting under different parameters to reduce open porosity, improve surface homogeneity, and evaluate its effect. in the microstructure and mechanical properties of alloys. Despite increasing porosity with the increase of Nb content, Ti-27Nb-8Mo and Ti-35Nb-6Mo alloys exhibited the best overall properties, consisting of a beta phase microstructure. Mechanical mixing improved the chemical homogeneity of the Ti-35Nb-6Mo alloy but deteriorated the mechanical properties with the exception of microhardness. The laser surface melting treatment effectively closed the open porosity in the alloys and improved the microstructural homogeneity and mechanical properties. Lastly, the Ti-27Nb-8Mo alloy which surface was treated at 1000W and 6.67 mm/s exhibited a beta microstructure and the best mechanical properties from a biomedical point of view. Despite increasing porosity with Nb addition, Ti-27Nb-8Mo and Ti-35Nb-6Mo alloys exhibited the best overall properties, both consisting of a beta phase microstructure and an elastic modulus of 67 - 74 GPa, which is closer to the cortical bone in comparison to the commercial Ti-6Al-4V ELI alloy. On the other hand, the mechanical mixing significantly improved the chemical homogeneity of the Ti-35Nb-6Mo alloy, but induced the formation of alfa phase and deteriorated the resistance and mechanical deformation due to the increase in porosity and the hardening effect produced during the milling process. Therefore, the microhardness increased significantly. Regarding the process control agent, sodium chloride (NaCl) exhibited the best results in terms of powder yield and particle size distribution, while stearic acid induced contamination by the formation of the undesired TiC phase. The laser surface melting treatment was able to effectively close the open porosity of the alloys and improve microstructural homogeneity. Moreover, it promoted an increase in strength and mechanical deformation and a slight decrease in the elastic modulus in both alloys. Finally, the surface-treated Ti-27Nb-8Mo alloy at 1000W and 6.67 mm/s exhibited almost an entirely beta phase microstructure and the best mechanical properties from a biomedical point of view, with a resistance of 1467 MPa, a deformation of 7% and a modulus of elasticity of 67 - 72 GPa. / El trabajo se realizó en el Instituto de Tecnología de Materiales y en el Departamento de Ingeniería Mecánica y de Materiales de la Universitat Politècnica de València, bajo la ayuda del proyecto MAT2014-53764-C3-1-R del Ministerio de Economía y Competitividad de España, y la subvención 2016/020 del programa SANTIAGO GRISOLIA, enmarcada en la convocatoria del 2015 de la Conselleria de Educación, Cultura y Deporte de la Generalitat Valenciana. / Viera Sotillo, M. (2020). Desarrollo de aleaciones ß Ti-Nb-Mo mediante pulvimetalurgia para aplicaciones biomédicas [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/156194