Evaluation of plasma nitriding efficiency of titanium alloys for medical applications

Evaluación de la eficacia de la nitruración por plasma de aleaciones de titanio para aplicaciones médicas

Se investigaron las capas superficiales obtenidas en aleaciones de titanio seleccionadas, utilizadas en medicina, mediante nitruración en condiciones de descarga luminosa. Los resultados se refieren a: aleación de titanio α- Grado 2 y aleaciones α + β Grado 5 y Grado 5 ELI nitruradas a temperatura inferior a 873 K. Los experimentos de nitruración se realizaron en un horno de descarga luminosa JON-600 con ayuda de métodos no convencionales. Tras la nitruración se caracterizaron las capas superficiales mediante mediciones de microdureza superficial, perfiles de profundidad química, perfiles de profundidad de microdureza y ensayos de resistencia al desgaste.

INTRODUCCIÓN

El amplio uso de las aleaciones de titanio se debe a sus propiedades físicas y químicas únicas [1]. La combinación de una baja densidad y una mayor resistencia a la corrosión con una buena plasticidad y propiedades mecánicas determina la aplicación de las aleaciones de titanio en sectores como la aviación, la automoción, la energía y la construcción naval o la arquitectura, así como la medicina y el equipamiento deportivo. A pesar de las numerosas ventajas, uno de los inconvenientes fundamentales que limita un uso más amplio de las aleaciones de titanio son sus propiedades tribológicas. Esto provoca un desgaste más intenso como resultado de la creación de acoplamientos de adherencia y la inestabilidad mecánica de la capa pasiva de óxidos, en particular con la presencia de terceros cuerpos. El análisis de la aplicación del titanio y sus aleaciones también revela el impacto desfavorable de la naturaleza reactiva del titanio y su susceptibilidad a la oxidación. La capa de óxidos creada a temperatura ambiente es fina y tiene poca resistencia, lo que favorece su eliminación durante la fricción. El impacto negativo sobre el desgaste en superficies fabricadas con aleaciones de titanio se produce por la baja resistencia a la fricción resultante de la estructura cristalina hexagonal del α-Ti [2, 3]. La configuración electrónica que provoca la alta reactividad del titanio, la estructura cristalina y la ineficacia de la lubricación convencional utilizada limitan la aplicación del titanio y sus aleaciones en condiciones que requieren resistencia al desgaste tribológico [4].

La primera aleación de titanio utilizada en medicina fue la de grado 5 [5]. Esta aleación, debido a su contenido de aluminio y vanadio en particular, resultó ser una aleación con baja biotolerancia, por lo que se modificó su composición mediante el intercambio de estos dos componentes con elementos mejor tolerados por el organismo, tales como: Nb, Zr, Ta o Fe. Actualmente, las aleaciones de titanio preferidas con adiciones de niobio y circonio se caracterizan por una muy buena biotolerancia [5, 6].

Una solución alternativa es la modificación de las capas superficiales en aleaciones relativamente baratas, como por ejemplo la aleación de titanio Grado 5 ELI, provocando cambios en las propiedades químicas de la superficie y en las propiedades tribológicas y, en consecuencia, cambios en la biotolerancia [5÷7].