Processamento superficial a laser de componentes de titânio

O titânio apresenta alta resistência específica, excelente resistência à corrosão e boa biocompatibilidade. Contudo, ela apresenta baixa resistência à oxidação em altas temperaturas e pobre resistência ao desgaste. Algumas ligas de titânio, como por exemplo Ti-6Al-4V, liberam íons de elementos nocivos para o organismo quando inseridos no corpo humano, devido à ação dos fenômenos de corrosão e desgaste. Pesquisas têm mostrado que a modificação superficial a laser do titânio e suas ligas permite melhorar a sua biocompatibilidade, vida em fadiga,

resistência à corrosão e resistência ao desgaste (TIAN et al., 2005a; TIAN et al., 2005b; CANDEL e AMIGÓ, 2011; WENG et al., 2014). Entre as técnicas de modificação que empregam um feixe de laser para o processamento superficial do titânio temos (TIAN et al., 2005a; MAAWAD et al., 2012): refusão superficial a laser (laser surface remelting), formação de liga superficial a laser (laser surface alloying), jateamento a laser (laser peening) e revestimento a laser (laser cladding). Segundo a forma como se adiciona o elemento de liga, a formação de liga superficial a laser está dividida em dois grupos (TIAN et al., 2005b): quando emprega-se um gás reativo (laser gas surface alloying) e quando emprega-se uma camada pré- depositada de pó (laser powder surface alloying). Nesta seção serão apresentados alguns exemplos relacionados ao aprimoramento da resistência à corrosão, fadiga e desgaste de peças de Ticp através da modificação superficial a laser.

2.8.1 Processamento superficial a laser de Ticp

ZHANG et al. (2007) relataram um aumento significativo na dureza superficial do titânio após ser submetido a dois métodos de processamento a laser: nitretação e refusão. Adicionalmente, os resultados obtidos por SUN et al. (2003) mostraram também que a refusão superficial a laser pode melhorar a resistência à corrosão e o potencial de pites do titânio em uma solução com 3% de NaCl. Por outro lado, Amaya-Vásquez et al. (2012) observaram que a refusão superficial a laser de titânio (grau 2) não alterou significativamente a sua resistência à corrosão em solução de NaCl. No entanto, detectou-se um incremento na sua dureza superficial. A resistência à oxidação em altas temperaturas e o comportamento tribológico das peças de titânio podem ser melhoradas pelo método de formação de liga superficial a laser. Visando melhorar a sua resistência ao desgaste, MAJUMDAR et al. (2000) obtiveram ligas superficiais baseadas em titânio por modificação superficial a laser com adição de pó. Dentre os três pós testados (Si, Al e Si+Al), eles reportaram maior dureza nas camadas modificadas que continham Si; no entanto, em todos os casos a dureza obtida após processamento a laser foi maior que a do substrato de Ticp. Adicionalmente, o melhor desempenho em desgaste foi obtido para as ligas

superficiais que continham Si na sua composição. Mais recentemente, MAKUCH et al. (2014) obtiveram um incremento significativo na resistência ao desgaste em cilindros de titânio quando foram submetidos a modificação superficial com adição de boro, carbono ou mistura deles. Isso é devida as características da sua microestrutura, já que obteve-se fases cerâmicas duras em matriz eutética. MAJUNDAR et al. (1999) relataram uma maior resistência à oxidação cíclica

a 923 K e 1023 K de amostras de titânio após processamento superficial a laser com adição de pó de Si, Al ou Si-Al.

O jateamento a laser é uma técnica de tratamento superficial a laser usada para introduzir tensões de compressão na superfície das peças metálicas tratadas, visando melhorar a sua resistência à fadiga. Assim, existe evidencia experimental da aplicação do jateamento a laser em peças de Ti-2.5Cu e TIMETAL LCB e a sua subsequente melhoria em ensaios de fadiga (MAAWAD et al., 2012). De fato, essas mesmas peças apresentaram melhor desempenho em fadiga que as tratadas por jateamento de granalha. SANO et al. (2006) também relataram que o jateamento a laser prolongou a vida em fadiga e preveniu a formação de trincas sob corrosão assistida por tensão em aço inox. (SUS316L), Ti-6Al-4V e na liga de alumínio AC4CH, tudo devido à formação de tensão residual em compressão e ao endurecimento da sua superfície. Por outro lado, MAAWAD et al. (2012) relataram que a aplicação de jateamento a laser em amostras de TIMETAL 54M causou efeitos deletérios no seu desempenho em testes de fadiga. A grande maioria das alternativas disponíveis para aumentar a resistência ao desgaste e à corrosão do titânio são contraproducentes em relação à resistência à fadiga. A obtenção de camadas superficiais em componentes de titânio, com menor do módulo de elasticidade e maior dureza, foi proposto por FOGAGNOLO et al. (2013) visando atender à necessidade de aumento da resistência à fadiga conjuntamente com aumento da resistência ao desgaste ou à corrosão. A obtenção de peças modificadas a laser, com camadas superficiais de menor módulo de elasticidade recobrindo o núcleo mais rígido, retardaria a nucleação e propagação de trincas de fadiga e portanto, a vida a fadiga seria incrementada. Assim, CARVALHO (2014) relatou a obtenção de camadas superficiais da liga Ti-Nb com baixo módulo de elasticidade sobre chapas de Ticp através da sobreposição de cordões individuais por modificação superficial a laser. Adicionalmente, foi observada a presença de dendritas de fase α na zona de fusão, estabilizada pelos elementos N e O, o que seria um indicativo da baixa eficiência do jato de Ar em proteger a poça de fusão dos gases presentes na atmosfera. Em outro trabalho, FOGAGNOLO et al. (2016) mostraram a importância da escolha do elemento de liga e dos parâmetros de processo na obtenção de camadas modificadas que apresentem menor modulo de elasticidade que o substrato de Ticp. A adição dos elementos Cu e Nb aumentou a dureza da camada, mas somente o Nb conseguiu diminuir a seu módulo de elasticidade.

Em geral, os revestimentos se caracterizam pela pouca participação do substrato na formação da poça de fusão e, portanto, na sua composição química. Assim, os revestimentos podem ser obtidos por modificação superficial a laser empregando duas metodologias: 1) fusão do pó pré-colocado na superfície do substrato, com densidade de energia laser suficientemente

baixa para que se funda pouca ou nenhuma quantidade do substrato; 2) injeção do pó na coluna do feixe do laser, o qual é parcial ou totalmente fundido pelo feixe antes de atingir o substrato. O uso da técnica de laser cladding na obtenção de revestimentos que apresentam maior dureza e menor coeficiente de atrito que o Ticp têm sido muito explorada para melhorar a sua resistência

ao desgaste (BAO et al., 2006). Por exemplo: WANG et al. (2004), MATTEWS et al. (2007) e SAHASRABUDHE et al. (2013) conseguiram obter revestimentos de ligas baseadas em Zr, Cu e Fe sobre substratos de titânio e que apresentaram uma dureza superior ao mesmo. Isso foi devido à microestrutura presente nos revestimentos, compostas de fases cristalinas em matriz amorfa. Adicionalmente, SAHASRABUDHE et al. (2013) constataram que revestimentos amorfos baseado em Fe melhoram a resistência à corrosão em solução salina de peças de titânio, além de melhorar a sua resistência ao desgaste. Com o objetivo de melhorar a sua biocompatibilidade, além da sua resistência ao desgaste, ZHANG et al. (2015) empregaram um equipamento de manufatura aditiva a laser para obter um revestimento de nióbio poroso sobre substrato de titânio. A dureza do recobrimento foi maior que à do substrato e a sua biocompatibilidade mostrou-se superior. Além disso, por ser poroso, o recobrimento ajudaria a obter uma melhor fixação biológica. Alguns autores têm usado a técnica de laser cladding para revestir peças de titânio com material bioativo (Ex. hidroxiapatita) e assim melhorar a sua biocompatibilidade (CANDEL e AMIGÓ, 2011).