Published August 1, 2022 | Version v1
Publication Open

Development of non-equiatomic Bio-HEAs based on TiZrNbTa-(Mo and Mn)

Creators

  • 1. Universidade Estadual Paulista (Unesp)
  • 2. Brf (Brazil)
  • 3. Nanomed (Brazil)
  • 4. Federal Institute of São Paulo

Description

This study produced non-equiatomic TiNbZrTaMn and TiNbZrTaMo high entropy alloy (HEAs) by argon arc-melting and heat-treated for microstructural homogenization. The phase composition, microstructure, and selected mechanical properties were measured and compared with theoretical predictions. Additionally, electrochemical and cytotoxicity tests evaluated their potential applicability for use as biomaterials. X-ray diffraction measurements patterns showed a single BCC phase for the TiNbZrTaMn and a secondary HCP phase for the TiNbZrTaMo sample. The microstructural analysis revealed the formation of irregular grain boundaries and some lamellae formation, with chemical segregation of the alloying elements at the sub-micro-scale. The samples exhibited elastic modulus (80–110 GPa) closer to CP-Ti grade 2 (100 GPa) and higher Vickers microhardness (450–550 HV) than Ti–6Al–4V alloy (400 HV). The electrochemical and biological tests indicated a superior corrosion resistance against 0.9% NaCl solution compared with commercial metallic biomaterials, with proper cell adhesion and viability of pre-osteoblastic cells and hydrophilic behavior. Altogether, the data indicate that TiNbZrTaMn depicts better applicability potential for being used as a biomaterial in biomedical applications than some commercial materials (SS 316L, CP-Ti grade 2, and Ti–6Al–4V), mainly considering load-bearing orthopedical implants.

⚠️ This is an automatic machine translation with an accuracy of 90-95%

Translated Description (Arabic)

أنتجت هذه الدراسة سبيكة إنتروبيا عالية غير متكافئة TiNbZrTaMn و TiNbZrTaMo (HEAs) بواسطة صهر قوس الأرجون والمعالجة بالحرارة من أجل التجانس الهيكلي الدقيق. تم قياس تكوين الطور والبنية المجهرية والخواص الميكانيكية المختارة ومقارنتها بالتنبؤات النظرية. بالإضافة إلى ذلك، قيمت اختبارات الكهروكيميائية والسمية الخلوية قابليتها للتطبيق المحتمل لاستخدامها كمواد حيوية. أظهرت أنماط قياسات حيود الأشعة السينية مرحلة BCC واحدة لـ TiNbZrTaMn ومرحلة HCP ثانوية لعينة TiNbZrTaMo. كشف التحليل البنيوي الدقيق عن تشكيل حدود الحبوب غير المنتظمة وبعض تشكيل الصفائح، مع الفصل الكيميائي لعناصر السبائك على المقياس الدقيق الفرعي. أظهرت العينات معامل مرونة (80–110 جيجا باسكال) أقرب إلى درجة CP - Ti 2 (100 جيجا باسكال) وصلابة فيكرز أعلى (450–550 هرتز) من سبيكة Ti -6Al -4V (400 هرتز). أشارت الاختبارات الكهروكيميائية والبيولوجية إلى مقاومة فائقة للتآكل ضد محلول كلوريد الصوديوم بنسبة 0.9 ٪ مقارنة بالمواد الحيوية المعدنية التجارية، مع التصاق الخلايا بشكل صحيح وقابلية بقاء الخلايا ما قبل الأرومة العظمية والسلوك الآلف للماء. إجمالاً، تشير البيانات إلى أن TiNbZrTaMn يصور إمكانية تطبيق أفضل لاستخدامها كمواد حيوية في التطبيقات الطبية الحيوية من بعض المواد التجارية (SS 316L و CP - Ti من الدرجة 2 و Ti -6Al -4V)، مع الأخذ في الاعتبار بشكل أساسي عمليات زرع العظام الحاملة.

Translated Description (French)

Cette étude a produit des alliages à haute entropie (HEA) TiNbZrTaMn et TiNbZrTaMo non équiatomiques par fusion à l'arc d'argon et traités thermiquement pour l'homogénéisation microstructurale. La composition de la phase, la microstructure et les propriétés mécaniques sélectionnées ont été mesurées et comparées aux prédictions théoriques. De plus, des tests électrochimiques et de cytotoxicité ont évalué leur applicabilité potentielle en tant que biomatériaux. Les modèles de mesures de diffraction des rayons X ont montré une seule phase BCC pour le TiNbZrTaMn et une phase HCP secondaire pour l'échantillon TiNbZrTaMo. L'analyse microstructurale a révélé la formation de joints de grains irréguliers et la formation de certaines lamelles, avec une ségrégation chimique des éléments d'alliage à l'échelle submicro. Les échantillons présentaient un module élastique (80–110 GPa) plus proche de CP-Ti grade 2 (100 GPa) et une microdureté Vickers plus élevée (450–550 HV) que l'alliage Ti–6Al–4V (400 HV). Les tests électrochimiques et biologiques ont indiqué une résistance à la corrosion supérieure contre une solution de NaCl à 0,9% par rapport aux biomatériaux métalliques commerciaux, avec une adhérence cellulaire et une viabilité appropriées des cellules pré-ostéoblastiques et un comportement hydrophile. Au total, les données indiquent que TiNbZrTaMn représente un meilleur potentiel d'applicabilité pour être utilisé comme biomatériau dans des applications biomédicales que certains matériaux commerciaux (SS 316L, CP-Ti grade 2 et Ti–6Al–4V), principalement en considérant les implants orthopédiques porteurs.

Translated Description (Spanish)

Este estudio produjo una aleación de alta entropía (HEA) TiNbZrTaMn y TiNbZrTaMo no equiatómicas mediante fusión por arco de argón y tratamiento térmico para la homogeneización microestructural. La composición de fase, la microestructura y las propiedades mecánicas seleccionadas se midieron y compararon con las predicciones teóricas. Además, las pruebas electroquímicas y de citotoxicidad evaluaron su potencial aplicabilidad para su uso como biomateriales. Los patrones de mediciones de difracción de rayos X mostraron una sola fase de BCC para TiNbZrTaMn y una fase secundaria de HCP para la muestra de TiNbZrTaMo. El análisis microestructural reveló la formación de límites de grano irregulares y cierta formación de laminillas, con segregación química de los elementos de aleación a submicroescala. Las muestras mostraron un módulo elástico (80–110 GPa) más cercano a CP-Ti grado 2 (100 GPa) y una microdureza Vickers más alta (450–550 HV) que la aleación Ti–6Al–4V (400 HV). Las pruebas electroquímicas y biológicas indicaron una resistencia a la corrosión superior contra la solución de NaCl al 0,9% en comparación con los biomateriales metálicos comerciales, con una adhesión celular adecuada y viabilidad de las células preosteoblásticas y comportamiento hidrófilo. En conjunto, los datos indican que TiNbZrTaMn representa un mejor potencial de aplicabilidad para ser utilizado como biomaterial en aplicaciones biomédicas que algunos materiales comerciales (SS 316L, CP-Ti grado 2 y Ti–6Al–4V), considerando principalmente implantes ortopédicos de carga.

Files

5.0100465.pdf

Files (93 Bytes)

⚠️ Please wait a few minutes before your translated files are ready ⚠️ Note: Some files might be protected thus translations might not work.
Name Size Download all
md5:b0d506893d4802090edf1644f5f082cd
93 Bytes
Preview Download

Additional details

Additional titles

Translated title (Arabic)
تطوير HEAs البيولوجية غير المتكافئة على أساس TiZrNbTa - (Mo و Mn)
Translated title (French)
Développement de Bio-HEA non equiatomiques à base deTiZrNbTa- (Mo et Mn)
Translated title (Spanish)
Desarrollo de Bio-HEA no equiatómicos basados en TiZrNbTa-(Mo y Mn)

Identifiers

Other
https://openalex.org/W4293552954
DOI
10.1063/5.0100465

Is supplement to
https://openalex.org/W4388000458 (Other)
https://openalex.org/W3003764762 (Other)
https://openalex.org/W2586548042 (Other)
https://openalex.org/W2389743943 (Other)
https://openalex.org/W2349891746 (Other)
https://openalex.org/W2188057145 (Other)
https://openalex.org/W2170471682 (Other)
https://openalex.org/W2087697067 (Other)
https://openalex.org/W2028070978 (Other)
https://openalex.org/W2011066616 (Other)

GreSIS Basics Section

Is Global South Knowledge
Yes
Country
Brazil

References

  • https://openalex.org/W1965783559
  • https://openalex.org/W1970065157
  • https://openalex.org/W1975568151
  • https://openalex.org/W1987331714
  • https://openalex.org/W1990945363
  • https://openalex.org/W2028398500
  • https://openalex.org/W2028925902
  • https://openalex.org/W2057631086
  • https://openalex.org/W2067242276
  • https://openalex.org/W2067776712
  • https://openalex.org/W2068415766
  • https://openalex.org/W2076855563
  • https://openalex.org/W2078492700
  • https://openalex.org/W2090853174
  • https://openalex.org/W2312000677
  • https://openalex.org/W2534691303
  • https://openalex.org/W2534936579
  • https://openalex.org/W2549415078
  • https://openalex.org/W2567702313
  • https://openalex.org/W2569737486
  • https://openalex.org/W2570555460
  • https://openalex.org/W2607428222
  • https://openalex.org/W2660067730
  • https://openalex.org/W2741788422
  • https://openalex.org/W2778506208
  • https://openalex.org/W2779337958
  • https://openalex.org/W2793418025
  • https://openalex.org/W2802837375
  • https://openalex.org/W2808229443
  • https://openalex.org/W2809492233
  • https://openalex.org/W2809694916
  • https://openalex.org/W2883392086
  • https://openalex.org/W2914381519
  • https://openalex.org/W2931192787
  • https://openalex.org/W2946999310
  • https://openalex.org/W2963122076
  • https://openalex.org/W2968046129
  • https://openalex.org/W2992817207
  • https://openalex.org/W3005716420
  • https://openalex.org/W3007094524
  • https://openalex.org/W3008252015
  • https://openalex.org/W3085660340
  • https://openalex.org/W3094395581
  • https://openalex.org/W3108011493
  • https://openalex.org/W3118416626
  • https://openalex.org/W3128623355
  • https://openalex.org/W3217569396
  • https://openalex.org/W4212912304
  • https://openalex.org/W4280604495