Obtención de capas de nitruro de titanio mediante tratamiento termoquímico en titanio y Ti6A14V y caracterización de sus propiedades para aplicaciones biomédicas

Abstract

En la presente tesis doctoral se ha estudiado y caracterizado la obtención de capas de nitruro en titanio y Ti6Al4V mediante tratamiento termoquímico de nitruración para la mejora de la dureza superficial y de la resistencia al desgaste del titanio y del Ti6Al4V.<br/><br/>Tras un estudio estadístico de los parámetros ópticos y el efecto del tratamiento en los mecanismos de desgaste, se realizó un estudio químico y microestructural, así como de la cinética de nitruración, mediante diferentes técnicas, como rugosimetría, microscopia, difracción de electrones, de rayos X y espectroscopia Auger. El estudio de las propiedades mecánicas se realizó mediante ensayos mecánicos de tracción y de fatiga oligocíclica. Se procedió posteriormente a la caracterización electroquímica mediante técnicas de análisis electroquímico. Por último, se procedió a un estudio de la biocompatibilidad del tratamiento de nitruración.<br/><br/>Las conclusiones obtenidas son que el tratamiento termoquímico de nitruración del titanio y de la aleación Ti6Al4V produce una capa lisa y homogénea en las muestras tratadas de titanio y de la aleación Ti6Al4V, con incrementos de la dureza superficial de hasta un 500% respecto al material no tratado, y con obtención de reducciones del coeficiente de desgaste de más de un orden de magnitud en las condiciones ensayadas.<br/><br/>La capa de nitruros formada tiene un espesor de 1-2 ?m, formada por pequeños granos de nitruros con diámetros del orden de los 50-100 nm. El componente principal de la capa es nitruro de titanio (Ti2N). <br/><br/>Las muestras nitruradas estudiadas exhiben un buen comportamiento electroquímico, con elevadas resistencias de transferencia de carga. <br/><br/>A partir de los resultados obtenidos en los ensayos realizados el Ti6Al4V nitrurado no se apreciaron señales de toxicidad.

In this thesis it has been studied and characterised the obtention of titanium and Ti6Al4V nitride layers by means of thermo-chemical nitriding processing for the improvement of the surface hardness and wear resistance. <br/><br/>After statistical study of the optical parameters and the effect of nitriding in the wear mechanisms, chemical and microstructural characterisations were made, as well as the study of nitriding kinetics by means of different techniques, like profilometry, optical and electron microscopy, X-ray and electron diffraction techniques and Auger spectroscopy. The study of the mechanical properties was made by means of static and fatigue mechanical tests. Electrochemical characterisation was made by means of electrochemical analyses techniques. Finally, the biocompatibility of Ti6Al4V nitrided samples was studied.<br/> <br/>It was concluded that thermo-chemical nitriding of titanium and Ti6Al4V alloy produces a smooth and homogenous layer in the treated samples, with increments of surface hardness up to 500% compared to non-treated material. Reductions of the wear coefficient of an order of magnitude were also achieved in test conditions. The obtained nitride layer has a thickness of 1-2 micrometer, and it is formed by small nitride grains with diameters of the order of 50-100 nm. The main component of the layer is titanium nitride (Ti2N). The studied nitrided samples exhibit excellent electrochemical behaviour, with a high resistance to electric load transference. The results obtained in the toxicity tests did not show signals of toxicity of the nitrided Ti6Al4V.