Estudio de las propiedades de aleaciones de alta entropía como biomateriales de nueva generación.

Abstract

El presente trabajo de investigación consiste en el análisis de distintas aleaciones de alta entropía (HEAs), propuestas como posibles materiales para aplicaciones biomédicas. Concretamente, analiza tres aleaciones formadas por las siguientes combinaciones de elementos: AlCoCrFeNi, MoNbTaTiZr y FeMoTaTiZr. En los últimos años un nuevo tipo de materiales basado en aleaciones de múltiples elementos principales (MPEAs), ha abierto un extenso campo de estudio. Lo que inicialmente se valoró como aleaciones formadas por cinco o más elementos en proporciones equimolares, también denominadas aleaciones de alta entropía (HEAs), ha dado paso a un amplio abanico de posibilidades de combinaciones, resultando en nuevas aleaciones con propiedades especiales que mejoran las características físicas y químicas de las aleaciones tradicionales. De forma lógica, el descubrimiento de un nuevo tipo de material, junto con la teorización de su estructura y composición, implica el estudio paralelo de sus propiedades, y la consecuente dirección de sus aplicaciones. En este sentido, la familia de las aleaciones de alta entropía, debido al enorme número de posibilidades de combinaciones de hasta cinco elementos que puede haber, está desarrollando nuevos materiales a una velocidad creciente, aumentando en mucho las posibles aplicaciones de estos. Esto ha generado un espacio grande para el estudio de las propiedades de las distintas HEAs, que apenas ha empezado a llenarse con investigaciones en todo el mundo. La motivación principal de este trabajo radica en la necesidad de desarrollar biomateriales con propiedades mecánicas y de biocompatibilidad superiores a las aleaciones convencionales, actualmente utilizadas en implantes y dispositivos médicos. Es por esto que, dentro de la ingente cantidad de nuevas aleaciones de alta entropía que se están investigando en la actualidad, esta tesis se ha basado en aquellos sistemas de aleaciones constituidos principalmente a partir de elementos químicos con nula o escasa toxicidad para el cuerpo humano. Con este fondo, el trabajo de investigación desarrollado tiene como objetivo fundamental caracterizar distintas aleaciones de alta entropía desde el punto de vista de la estructura, la dureza y el comportamiento ante la corrosión en ambientes que simulan el interior del cuerpo humano, de manera que se puedan obtener conclusiones sobre la idoneidad de seguir avanzando en estas líneas de investigación acerca de la biocompatibilidad de este nuevo tipo de aleaciones para su uso como piezas para implantes médicos o instrumentos quirúrgicos. Los objetivos específicos planteados para este trabajo de investigación se exponen a continuación: 1) En el sistema de aleaciones de alta entropía AlCoCrFeNix, determinar la influencia de diferentes proporciones de níquel (x = 1.0, 1.4 y 1.8) en la microestructura, en la microdureza y en el comportamiento a la corrosión en fluido corporal simulado. 2) Para dos sistemas de aleaciones de alta entropía similares, MoNbTaTiZr (NbHEA) y FeMoTaTiZr (FeHEA), determinar el efecto de la sustitución de niobio por hierro, tanto en la microestructura como en la resistencia a la corrosión en un entorno fisiológico simulado. Las muestras se ensayaron antes y después de la aplicación de tratamientos térmicos controlados, para mejor comprensión de cómo evolucionan las fases y su homogeneidad. 3) Caracterizar una nueva aleación de alta entropía basada en los elmentos FeMoTaTiZr, diseñada específicamente para aplicaciones médicas no implantables, analizándola en términos de microestructura, dureza y biocompatibilidad in vitro (citotoxicidad). El estudio de las propiedades de aleaciones de alta entropía como biomateriales de nueva generación tiene relación con las siguientes líneas de investigación del programa de doctorado en Ingenierías Química, Mecánica y de Fabricación (QUIMEFA): o Corrosión de metales. o Nanomateriales. El estudio de las propiedades de un metal que se pretende que tenga aplicaciones médicas requiere del estudio del comportamiento del mismo frente a la corrosión para concluir su idoneidad como herramientas quirúrgicas o implantes que van a estar sometidos al ataque de los fluidos corporales. En este sentido, la corrosión en los metales como línea de investigación está directamente relacionada con el tema de la tesis. Adicionalmente, algunas aleaciones de alta entropía presentan granos nanométricos, por lo que el estudio de las HEAs genera la posibilidad de influir en la composición de fases y en la estructura del material a ese nivel. La presente tesis doctoral cuenta con tres publicaciones en dos revistas científicas. El primer trabajo se publicó en el artículo "Effects of nickel content on the microstructure, microhardness and corrosion behavior of high-entropy AlCoCrFeNix alloys" y consistió en el análisis del efecto que tiene variar el ratio atómico del níquel en este sistema de aleaciones de alta entropía formado por AlCoCrFeNix. Para esto, se fabricaron tres muestras de este sistema, en los que se variaba la composición según los valores de ratios atómicos x = 1.0, 1.4 y 1.8. Las aleaciones fueron sintetizadas mediante la técnica de fabricación de refundición por arco al vacío, y sometidas a tratamientos térmicos posteriores. Se realizaron ensayos de microestructura mediante microscopía óptica y SEM, así como ensayos de microdureza Vickers y ensayos de corrosión mediante polarización potenciodinámica tras una inmersión prolongada en fluido corporal simulado. Este trabajo fue publicado en la revista científica “Scientific Reports” (ISSN 2045- 2322) en diciembre de 2020. El segundo trabajo se publicó bajo el título "Comparative Study of (Fe,Nb)MoTaTiZr High Entropy Alloys in Ringer Grifols Solution". En este segundo artículo se presentó un análisis comparativo entre las aleaciones MoNbTaTiZr (NbHEA) y FeMoTaTiZr (FeHEA), en las que se mantuvieron proporciones similares del resto de los elementos, con el objetivo de analizar el efecto de la sustitución del niobio por el hierro. Este efecto se estudió en la microestructura, en la microdureza y en la resistencia a la corrosión en un medio fisiológico simulado (solución de Ringer). Para la observación de la microestructura se utilizaron las técnicas de microscopía óptica y de espectroscopía electrónica de barrido (SEM). Esta información se completó además con los datos del ensayo de difracción de rayos X (XRD), que aportó información sobre las estructuras cristalinas presentes en las aleaciones. Finalmente, los datos arrojados por los ensayos de polarización potenciodinámica y por los ensayos de espectroscopia de impedancia electroquímica (EIS) permitieron evaluar la susceptibilidad a la corrosión y suponer los mecanismos involucrados en el proceso corrosivo.