11nd International Conference of Mechanical Engineering

COMEC 2023

XVIII Materials and Welding Symposium

Conference: Microstructural modification of TiAl6V4 alloy to avoid detrimental effects due to selective in vivo crevice corrosion

Abstract

TiAl6V4 wrought alloy is a standard material used for endoprostheses due to its ideal characteristics in terms of osseointegration. However, the insufficient wear and crevice corrosion resistance of TiAl6V4 are limiting factors that can cause clinical problems. Therefore, the objective of this study was to analyze and identify suitable phases and microstructural states of TiAl6V4 alloy with advantageous implant properties by thermal treatments. By varying the temperature and cooling rate, four heat treatment strategies were derived that produced different microstructural states that differed in morphology, arrangement and proportions of phases present. All TiAl6V4 modifications were characterized regarding their microstructure, mechanical, corrosive and tribological properties, as well as cell adhesion. The acicular, martensitic microstructure achieves a significant hardness increase by up to 63% and exhibits improved corrosion and wear resistance compared to the forged condition. Whereas the modified microstructures showed similar electrochemical properties in polarization tests using different electrolytes (PBS with H2O2 and HCl additives), selective α or β phase dissolution occurred under severe inflammatory crevice conditions after four weeks of exposure at 37 °C. The microstructurally selective corrosion processes resemble the damage patterns of retrieved Ti-based implants and provide a better understanding of clinically relevant in vivo crevice corrosion mechanisms. Furthermore, a microstructural effect on cell attachment was determined and is correlated to the size of the vanadium-rich β phase. These key findings highlight the relevance of an adapted processing of TiAl6V4 alloy to increase the longevity of implants.

Resumen

La aleación forjada TiAl6V4 es un material estándar utilizado para endoprótesis debido a sus características ideales en términos de osteointegración. Sin embargo, la insuficiente resistencia al desgaste y a la corrosión en grietas del TiAl6V4 son factores limitantes que pueden causar problemas clínicos. Por lo tanto, el objetivo de este estudio fue analizar e identificar fases y estados microestructurales adecuados de la aleación TiAl6V4 con propiedades de implante ventajosas mediante tratamientos térmicos. Al variar la temperatura y la velocidad de enfriamiento, se derivaron cuatro estrategias de tratamiento térmico que produjeron diferentes estados microestructurales que diferían en morfología, disposición y proporciones de las fases presentes. Todas las modificaciones de TiAl6V4 se caracterizaron en cuanto a su microestructura, propiedades mecánicas, corrosivas y tribológicas, así como a la adhesión celular. La microestructura martensítica acicular logra un aumento significativo de la dureza de hasta un 63% y exhibe una resistencia mejorada a la corrosión y al desgaste en comparación con la condición forjada. Mientras que las microestructuras modificadas mostraron propiedades electroquímicas similares en pruebas de polarización utilizando diferentes electrolitos (PBS con aditivos de H2O2 y HCl), se produjo una disolución selectiva de las fases α o β en condiciones de grietas inflamatorias graves después de cuatro semanas de exposición a 37 °C. Los procesos de corrosión microestructuralmente selectivos se asemejan a los patrones de daño de los implantes a base de Ti recuperados y proporcionan una mejor comprensión de los mecanismos de corrosión en grietas in vivo clínicamente relevantes. Además, se determinó un efecto microestructural sobre la unión celular y se correlaciona con el tamaño de la fase β rica en vanadio. Estos hallazgos clave resaltan la relevancia de un procesamiento adaptado de la aleación TiAl6V4 para aumentar la longevidad de los implantes.