Clarifying the effect of sintering conditions on the microstructure and mechanical properties of β-tricalcium phosphate

Abstract

Se analiza el efecto de las condiciones de sinterización (temperatura y tiempo) sobre la microestructura (densidad y tamaño de grano) y las propiedades mecánicas (dureza, módulo elástico y resistencia) de biocerámicas de β-fosfato tricálcico (β-TCP) fabricadas a partir de polvos comerciales deficientes en Ca. Contrariamente a la opinión general actual, se demuestra que la temperatura óptima de sinterización para maximizar el rendimiento mecánico de este material β-TCP no está necesariamente por debajo de la temperatura de transformación β ↔ α (1125 °C). En concreto, el rendimiento óptimo se alcanzó en muestras sinterizadas a 1200 °C durante 3 h, ya que no fue hasta temperaturas superiores o tiempos de sinterización más largos cuando se desarrolla la microfisuración y se degradan las propiedades mecánicas. Se argumenta que las tensiones residuales desarrolladas durante esta transformación reversible no conducen a la propagación de microfisuras hasta que se desarrollan defectos iniciales suficientemente grandes en la microestructura como consecuencia del crecimiento del grano. Se discuten las implicaciones de estos hallazgos en las rutas de procesado para mejorar la sinterización de esta importante biocerámica.

The effect of the sintering conditions (temperature and time) on the microstructure (density and grain size) and mechanical properties (hardness, elastic modulus, and strength) of β-tricalcium phosphate (β-TCP) bioceramics fabricated from Ca-deficient commercial powders is analyzed. Contrary to current general opinion, it is demonstrated that the optimal sintering temperature to maximize the mechanical performance of this β-TCP material is not necessarily below the β ↔ α transformation temperature (1125 °C). In particular, optimal performance was achieved in samples sintered at 1200 °C for 3 h, since it was not until higher temperatures or longer sintering times that microcracking develops and mechanical properties are degraded. It is argued that the residual stresses developed during this reversible transformation do not lead to microcrack propagation until sufficiently large starting flaws develop in the microstructure as a consequence of grain growth. Implications of these findings for the processing routes to improve sintering of this important bioceramic are discussed.