Tailoring Microstructure and Corrosion Performance of In-Situ Alloyed Ti-5Cu-1Si Alloy via Laser Powder Bed Fusion: Impact of Volumetric Energy Density

Titan ist ein Metall, das Ingenieure und Ärzte wegen seiner Festigkeit und seiner Fähigkeit, friedlich im menschlichen Körper zu leben, lieben. Es ist das Material der Wahl für Hüftgelenksersatz und Zahnimplantate, da es den Körperflüssigkeiten widersteht und nicht leicht rostet. Die Herstellung von Titanteilen, insbesondere solcher mit komplexen Formen für individuelle Patienten, ist jedoch mit traditionellen Methoden wie Gießen oder Schneiden oft schwierig und teuer. In den letzten Jahren hat sich eine Technik namens Laser-Pulverbettfusion als leistungsstarke Alternative herauskristallisiert. Dieser Prozess funktioniert wie ein hochpräziser 3D-Drucker, der einen fokussierten Laserstrahl verwendet, um winzige Metallpartikel Schicht für Schicht zu schmelzen und so ein festes Objekt von unten nach oben aufzubauen. Während diese Methode eine unglaubliche Designfreiheit bietet, kann die schnelle Erwärmung und Abkühlung dazu führen, dass das Metall eine mikroskopische Struktur erhält, die nicht perfekt gleichmäßig ist, was es manchmal schwächer oder anfälliger für Korrosion macht als erwünscht.

Forscher haben Wege erforscht, diese gedruckten Metalle zu verbessern, indem sie verschiedene Elemente direkt in das Pulver vor dem Drucken mischen. Eine vielversprechende Kombination besteht darin, Kupfer und Silizium zu Titan hinzuzufügen. Kupfer ist bekannt für seine Fähigkeit, Bakterien zu bekämpfen, was ein großer Vorteil für medizinische Implantate ist, während Silizium helfen kann, das Metall zu stärken. Die Herausforderung besteht darin, diese verschiedenen Elemente während des Druckprozesses perfekt zu vermischen. Wenn sie sich nicht gut vermischen, können winzige Taschen aus ungemischtem Material entstehen, die Schwachstellen schaffen, an denen Korrosion beginnen könnte. Der Schlüssel zur Lösung dieses Rätsels liegt im Verständnis, wie die durch den Laser zugeführte Energie die endgültige Struktur des Metalls beeinflusst.

In einer kürzlich durchgeführten Studie untersuchte ein Forscherteam, wie die Änderung der während des Druckprozesses verwendeten Energiemenge die Qualität einer neuen Titanlegierung mit Kupfer und Silizium beeinflusst. Sie konzentrierten sich auf ein spezifisches Maß namens volumetrische Energiedichte, die im Wesentlichen beschreibt, wie viel Laserleistung auf ein gegebenes Volumen des Materials angewendet wird. Durch das Drucken von Proben dieser neuen Legierung mit drei verschiedenen Energieniveaus konnten sie beobachten, wie sich die interne Struktur des Metalls veränderte und wie diese Veränderungen seine Widerstandsfähigkeit gegen Korrosion in einer salzhaltigen Umgebung, ähnlich den Flüssigkeiten, die im menschlichen Körper vorkommen, beeinflussten.

Die Forscher begannen damit, kleine Würfel aus reinem Titan und der neuen Titan-Kupfer-Silizium-Legierung zu drucken. Sie verwendeten einen Laser zum Schmelzen des Pulvers und passten dabei die Geschwindigkeit des Lasers sowie die von ihm gelieferte Leistung sorgfältig an, um drei verschiedene Energiebedingungen zu erzeugen. Die niedrigste Energieeinstellung diente als Basislinie, während die anderen beiden Einstellungen deutlich mehr Hitze lieferten. Sie druckten auch reines Titan unter den niedrigsten und höchsten Energieeinstellungen, um zu sehen, wie die Legierungselemente das Verhalten des Metalls im Vergleich zu reinem Titan spezifisch veränderten. Nach dem Drucken untersuchten sie die Proben unter leistungsstarken Mikroskopen und testeten sie in einer Salzlösung, um zu messen, wie gut sie gegen Rost beständig waren.

Was sie fanden, war, dass die Menge der verwendeten Energie einen dramatischen Unterschied in der internen Architektur des Metalls machte. Bei der niedrigsten Energiestufe war das Metall nicht perfekt vermischt. Das Mikroskop enthüllte, dass einige der ursprünglichen Titanpulverpartikel nicht vollständig geschmolzen waren und dass sich Kupfer und Silizium nicht gleichmäßig im Material verteilt hatten. Stattdessen hatten sich diese Elemente in separaten Regionen zusammengeballt und so ein Flickenteppich aus unterschiedlichen Zusammensetzungen geschaffen. Diese Unregelmäßigkeit ist problematisch, da verschiedene Teile des Metalls unterschiedlich auf Wasser und Salz reagieren können, was zu lokaler Korrosion führt. Wenn die Forscher jedoch die Energiedichte erhöhten, wurde das Metall viel gleichmäßiger. Die höhere Hitze ermöglichte es den Pulverpartikeln, vollständig zu schmelzen, und gab den Kupfer- und Siliziumatomen genug Zeit, sich gleichmäßig zu verteilen, wodurch die Klumpen eliminiert wurden und eine homogene Mischung entstand.

Diese Änderung in der Vermischung veränderte auch die Form und Größe der Körner des Metalls, also der winzigen Kristalle, aus denen das feste Metall besteht. In den Proben mit niedriger Energie waren die Körner groß und in langen Säulen gestreckt. Als die Energie zunahm, brachen diese Säulen in kleinere, rundere Körner auf, die gleichmäßig im Material verteilt waren. Die durchschnittliche Größe dieser Körner schrumpfte erheblich und sank von fast fünf Mikrometern in der Niedrigenergieprobe auf weniger als zwei Mikrometer in der Hochenergieprobe. Diese Verfeinerung ist wichtig, da kleinere, gleichmäßigere Körner ein Metall im Allgemeinen stärker und widerstandsfähiger gegen Schäden machen.

Die Studie untersuchte auch die verschiedenen Phasen oder Zustände des Metalls, die während der Abkühlung entstanden. Titan kann je nach Geschwindigkeit, mit der es abkühlt, in verschiedenen strukturellen Formen existieren. Die Proben mit niedriger Energie, die sehr schnell abkühlten, enthielten einen hohen Anteil einer Nicht-Gleichgewichtsphase, die reich an gelöstem Kupfer und Silizium, aber strukturell instabil ist. Diese Phase neigt dazu, reaktiver und anfälliger für Korrosion zu sein. Im Gegensatz dazu kühlten die Proben mit hoher Energie langsamer ab, was es Kupfer und Silizium ermöglichte, sich in eine stabilere Anordnung einzufinden. Dies resultierte in einem höheren Anteil einer stabilen Phase, die von Natur aus widerstandsfähiger gegen Korrosion ist. Die Forscher maßen die interne Spannung innerhalb des Kristallgitters des Metalls und fanden heraus, dass die Hochenergieproben eine viel geringere interne Verspannung aufwiesen, was auf eine entspanntere und stabilere Struktur hindeutete.

Als diese Proben in Salzwasser getestet wurden, war der Unterschied in ihrer Leistung deutlich. Die mit höherer Energiedichte gedruckten Proben zeigten eine viel stärkere Widerstandsfähigkeit gegen Korrosion. Ihr Korrosionspotenzial – ein Maß dafür, wie wahrscheinlich es ist, dass das Metall zu rosten beginnt – verschob sich zu einem positiveren Wert, was auf größere Stabilität hindeutete. Viel wichtiger war, dass die Rate, mit der das Metall korrodierte, signifikant sank. Die Hochenergieproben verloren Material um mehr als das Fünffache langsamer als die Niedrigenergieproben. Diese Verbesserung war direkt auf die Bildung eines besseren Schutzfilms auf der Oberfläche des Metalls zurückzuführen. Die einheitliche Struktur und die stabilen Phasen ermöglichten es, dass sich effektiver eine dünne, schützende Oxidschicht bildete, die als Schild gegen das salzhaltige Wasser fungierte.

Die Forscher kamen zu dem Schluss, dass es ausreichte, einfach die während des Druckprozesses verwendete Energie zu erhöhen, um die Eigenschaften des Metalls zu transformieren. Indem sie genügend Hitze bereitstellten, um eine vollständige Schmelzung und Vermischung zu gewährleisten, und indem sie eine etwas langsamere Abkühlrate ermöglichten, konnten sie die Schwachstellen durch ungemischte Elemente und instabile Phasen eliminieren. Dieser Ansatz erforderte keine zusätzliche Wärmebehandlung nach dem Drucken, was Zeit und Kosten spart. Die Ergebnisse legen nahe, dass Hersteller durch die sorgfältige Kontrolle der Energiezufuhr Titanimplantate herstellen können, die nicht nur stark und antibakteriell, sondern auch hochgradig resistent gegen die korrosive Umgebung des menschlichen Körpers sind, was potenziell zu langlebigeren und sichereren medizinischen Geräten führt.