Efecto de la modificación superficial de la aleación Ti6AL4V en condición de contacto lubricado con polietileno de ultra alto peso molecular (UHMWPE)

Abstract

Resumen: las excelentes propiedades de biocompatibilidad, resistencia a la corrosión, resistencia a altas temperaturas, entre otras, han hecho de la aleación de titanio, una buena opción en aplicaciones biomédicas. sin embargo las pobres propiedades tribológicas presentes en esta aleación limitan su uso en ciertas aplicaciones debido a su baja resistencia al corte, bajo endurecimiento por trabajo y altas tasas de desgaste adhesivo y abrasivo. En la presente investigación se evaluó el comportamiento a la fricción y el desgaste de aleación de titanio modificada en contacto lubricado con polietileno de ultra alto peso molecular (uhmwpe). la aleación de titanio ti6al4v fue modificada mediante proceso de anodización seguido de un proceso de oxidación térmica a diferentes temperaturas para evaluar el efecto de cambios microestructurales sobre el comportamiento tribológico. Las pruebas tribológicas fueron llevadas a cabo en una máquina pin disco, a temperatura ambiente, en un rango de carga entre 20 y 50 n, con velocidad de deslizamiento de 0.3 m/s y utilizando solución ringer y suero bovino como lubricante. La topografía y caracterización microestructural de las muestras de ti6al4v fueron llevadas a cabo por difracción de rayos x (drx), microscopia óptica (mo), esclerometría lineal (el) y microscopia electrónica de barrido. Los resultados, en el par ti6al4v-modificado/uhmwpe, mostraron una reducción significativa de la tasa de desgaste promovida por la oxidación térmica de la superficie anodizada. Las muestras anodizadas presentaron un elevado coeficiente de fricción, mientras que las muestras oxidadas térmicamente y pulidas redujeron este valor. Fue encontrado que la respuesta tribológica de las superficies modificadas, esta correlacionada con la transformación de fase de la capa anódica debido a la oxidación térmica. Se encontraron estructuras tipo rutilo formadas por encima de los 850°c, las cuales contribuyeron a incrementar la resistencia al desgaste de la aleación de ti6al4v en las pruebas de laboratorio. Los resultados mostraron además una combinación de régimen de lubricación límite – mixto en el contacto ti6al4v-modificado/UHMWPE

Abstract: The excellent properties of biocompatibility, corrosion resistance, high temperature resistance and others have made titanium alloys a good option for biomedical applications. However, their poor tribological performance due to low shear strength and work hardening capabilities, together with reduced adhesive and abrasive wear resistances limit their use in many cases. In this work, the friction and wear behavior of surface-modified Ti6Al4V alloy sliding against UHMWPE under lubricated conditions was investigated. The titanium alloy surface was anodized and then thermally oxidized at different temperatures to evaluate the effect of microstructural changes on tribological behavior. The tribological tests were carried out in a pin-on-disc testing machine at room temperature with normal loads ranging from 20 to 50N, sliding speed of 0.3 m/s and bovine serum and Ringer’s solution as lubricant. Topographic and microstructural characterization of the Ti6Al4V samples were carried out by X-Ray Diffraction (XRD), Optical Microscopy (OM), Linear Sclerometry (LE) and Scanning Electron Microscopy (SEM). The results showed that a significant reduction in wear rate of the Ti6Al4V-UHMWPE pair was promoted by thermal oxidation of the anodized surface. The highest coefficient of friction was found for anodized samples while subsequent thermal oxidation and mechanical polishing of the surface led to lower values. The tribological response of the modified surfaces was found to be correlated with phase transformations in the anodic layer by thermal oxidation. In particular, the rutile structure formed above 850oC contributed to increase the wear resistance of the Ti6Al4V alloy in the laboratory tests. Finally the results showed the combination of boundary and mixed lubrication regime in the Ti6Al4V-modificated/UHMWPE contact