Comportamenti di corrosione localizzata e ripassivazione di leghe di titanio prodotte in modo additivo in soluzioni biomediche simulate

npj Materiali Degradazione volume 7, Numero articolo: 44 (2023) Citare questo articolo

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Il comportamento della corrosione localizzata delle leghe di titanio prodotte in modo additivo (AM) è studiato in base alla relazione tra potenziali di vaiolatura, il flusso di posti vacanti di ossigeno in un film passivo e il tasso di ripassivazione utilizzando la polarizzazione potenziodinamica, Mott-Schottky e tecniche di elettrodo abrasivo. La relazione tra la resistenza alla corrosione localizzata e i comportamenti di ripassivazione delle leghe di titanio AM è stata spiegata dalla costante di probabilità di sopravvivenza basata sul modello del difetto puntuale che descrive i posti vacanti di ossigeno generati e i posti vacanti di cationi accumulati influenzano il verificarsi della corrosione localizzata. La corrosione localizzata può essere avviata da fosse di sopravvivenza in condizioni sufficienti di rottura dei film passivi. Per probabilità di sopravvivenza costante si intende un valore quantitativo di probabilità che si verifichi una corrosione localizzata nel passaggio da fossa metastabile a fossa stabile. Maggiore è la costante di probabilità di sopravvivenza delle leghe di titanio AM, più difficile è la ripassivazione e più facile è il verificarsi di corrosione localizzata.

Le leghe di titanio (Ti) sono utilizzate da molti anni in molti campi, tra cui l'industria aerospaziale, marina e medica1,2,3. Ciò è attribuito al loro elevato rapporto resistenza/densità e all'eccellente resistenza alla corrosione4. L'eccezionale resistenza alla corrosione delle leghe di Ti è attribuita ai loro strati protettivi passivi sulla loro superficie5,6. La biocompatibilità dei film passivi sulle leghe di Ti è un fattore essenziale nei biomateriali del corpo umano. Come biomateriali è stato utilizzato il titanio puro commerciale (CP Ti; fase α). Tuttavia, la loro resistenza meccanica non era soddisfacente in alcuni tessuti duri o parti portanti. Pertanto, sono state sviluppate leghe di Ti di tipo α + β come Ti–6Al–4V e Ti–6Al–7Nb. Sebbene le leghe di Ti di tipo α + β abbiano un'elevata robustezza e una buona resistenza alla fatica, gli elementi contenenti alluminio (Al) e vanadio (V) presentano potenziali problemi di Alzheimer e sono rispettivamente tossici per il corpo umano7. Inoltre, il modulo di Young delle leghe Ti di tipo α + β è superiore a quello delle ossa umane8. Pertanto, l'effetto di protezione dallo stress può verificarsi a causa della differenza nel modulo di Young tra un impianto e l'osso. Recentemente, sono state sviluppate leghe di Ti di tipo β con basso modulo per prevenire l'effetto di protezione dallo stress e contenenti elementi non tossici come Ti–13Nb–13Zr (vicino a β) e Ti–15Mo9.

Al giorno d'oggi, le leghe di Ti prodotte in modo additivo (AM) sono diventate popolari grazie al vantaggio del loro rapporto buy-to-fly, che è circa 1/20 rispetto alle leghe di Ti convenzionali prodotte per sottrazione (SM)10. I processi AM includono diversi metodi versatili come la deposizione diretta di energia (DED), la fusione laser selettiva (SLM) e la fusione con fascio di elettroni (EBM)11,12. Durante il processo DED, un raggio laser genera una piscina fusa. I materiali in polvere vengono erogati tramite gas argon (Ar) e iniettati localmente per fondersi e solidificarsi in una perla. Il DED ha un grado di libertà più elevato nella progettazione della composizione rispetto agli altri due metodi, poiché può alimentare simultaneamente la polvere. Al contrario, poiché SLM ed EBM sono processi di fusione a letto di polvere, le polveri metalliche vengono distribuite uniformemente sulle piattaforme utilizzando un rastrello, a differenza del DED. Il processo SLM può controllare strati più sottili rispetto al processo DED, mentre il processo EBM genera una velocità di costruzione più rapida rispetto al processo DED.

Da un punto di vista meccanico, la resistenza e la duttilità delle leghe AM Ti sono paragonabili o addirittura superiori a quelle dei metodi SM13,14,15. Tuttavia, le leghe AM Ti hanno una resistenza alla corrosione inferiore rispetto alle leghe SM Ti a causa dell'anisotropia causata dalla direzione di impilamento e dalla rapida solidificazione della fase martensite16,17. Le leghe SM Ti (tipo α o α + β) hanno una microstruttura comprendente fasi α o α + β, mentre le leghe AM Ti contengono fasi α′ di martensite18. La fase α′ della martensite è instabile e riduce significativamente la resistenza alla corrosione delle leghe AM Ti19. Dai et al.20 hanno studiato il comportamento alla corrosione delle leghe AM Ti–6Al–4V e hanno scoperto che maggiore è la proporzione della fase martensitica aciculare α′, più debole è la formazione di uno strato passivo più debole. Seo e Lee21,22,23 hanno studiato la resistenza alla corrosione uniforme e localizzata delle leghe AM Ti–6Al–4V utilizzando la polarizzazione potenziodinamica, la spettroscopia di impedenza elettrochimica (EIS), la temperatura di vaiolatura critica elettrochimica e la temperatura di corrosione localizzata critica elettrochimica24. Hanno scoperto che la riduzione della resistenza alla corrosione localizzata delle leghe AM Ti era causata dalla formazione di fasi α′ di martensite e dalla loro distribuzione.