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

El titanio es un metal que los ingenieros y médicos aman por su resistencia y su capacidad de vivir pacíficamente dentro del cuerpo humano. Es el material de elección para los reemplazos de cadera e implantes dentales porque resiste los fluidos del cuerpo y no se oxida fácilmente. Sin embargo, fabricar piezas de titanio, especialmente aquellas con formas complejas para pacientes individuales, suele ser difícil y costoso utilizando métodos tradicionales como la fundición o el corte. En años recientes, una técnica llamada fusión de lecho de polvo por láser ha surgido como una alternativa poderosa. Este proceso funciona como una impresora 3D de alta precisión, utilizando un haz de láser enfocado para derretir diminutas partículas de polvo metálico capa por capa, construyendo un objeto sólido desde la base hacia arriba. Si bien este método ofrece una increíble libertad de diseño, el calentamiento y enfriamiento rápidos implicados pueden dejar al metal con una estructura microscópica que no es perfectamente uniforme, lo que a veces lo hace más débil o más propenso a la corrosión de lo deseado.

Los investigadores han estado explorando formas de mejorar estos metales impresos mezclando diferentes elementos directamente en el polvo antes de la impresión. Una combinación prometedora consiste en añadir cobre y silicio al titanio. El cobre es conocido por su capacidad para combatir las bacterias, lo cual es un gran beneficio para los implantes médicos, mientras que el silicio puede ayudar a fortalecer el metal. El desafío radica en lograr que estos diferentes elementos se mezclen perfectamente durante el proceso de impresión. Si no se mezclan bien, pueden formarse pequeñas bolsas de material no mezclado, creando puntos débiles donde la corrosión podría comenzar. La clave para resolver este rompecabezas es comprender cómo la energía entregada por el láser afecta la estructura final del metal.

En un estudio reciente, un equipo de investigadores investigó cómo el cambio en la cantidad de energía utilizada durante el proceso de impresión influye en la calidad de una nueva aleación de titanio que contiene cobre y silicio. Se centraron en una medida específica llamada densidad de energía volumétrica, que esencialmente describe cuánta potencia de láser se aplica a un volumen determinado de material. Al imprimir muestras de esta nueva aleación de titanio utilizando tres niveles de energía diferentes, pudieron observar cómo cambiaba la estructura interna del metal y cómo esos cambios afectaban su capacidad para resistir la corrosión en un entorno salino, similar a los fluidos que se encuentran en el cuerpo humano.

Los investigadores comenzaron imprimiendo pequeños cubos de titanio puro y de la nueva aleación de titanio-cobre-silicio. Utilizaron un láser para derretir el polvo, ajustando cuidadosamente la velocidad del láser y la potencia que este entregaba para crear tres condiciones de energía distintas. El ajuste de la energía más baja fue la línea base, mientras que los otros dos ajustes proporcionaron significativamente más calor. También imprimieron titanio puro bajo los ajustes de la energía más baja y la más alta para ver cómo los elementos de la aleación alteraban específicamente el comportamiento del metal en comparación con el titanio puro. Después de la impresión, examinaron las muestras bajo microscopios potentes y las probaron en una solución de agua salada para medir qué tan bien resistían la oxidación.

Lo que encontraron fue que la cantidad de energía utilizada marcó una diferencia dramática en la arquitectura interna del metal. En el nivel de energía más bajo, el metal no estaba perfectamente mezclado. El microscopio reveló que algunas de las partículas originales de polvo de titanio no se habían derretido por completo, y el cobre y el silicio no se habían distribuido uniformemente por todo el material. En su lugar, estos elementos se habían agrupado en regiones separadas, creando un mosaico de diferentes composiciones. Esta irregularidad es problemática porque las diferentes partes del metal pueden reaccionar de manera distinta al agua y la sal, lo que conduce a una corrosión localizada. Sin embargo, cuando los investigadores aumentaron la densidad de energía, el metal se volvió mucho más uniforme. El mayor calor permitió que las partículas de polvo se derritieran por completo y les dio al cobre y al silicio el tiempo suficiente para distribuirse uniformemente, eliminando los grumos y creando una mezcla homogénea.

Este cambio en la mezcla también transformó la forma y el tamaño de los granos del metal, que son los diminutos cristales que componen el metal sólido. En las muestras de baja energía, los granos eran grandes y alargados en columnas largas. A medida que la energía aumentaba, estas columnas se dividían en granos más pequeños y redondeados que se distribuían uniformemente por todo el material. El tamaño promedio de estos granos se redujo significativamente, cayendo de casi cinco micrómetros en la muestra de baja energía a menos de dos micrómetros en la muestra de alta energía. Esta refinación es importante porque los granos más pequeños y uniformes generalmente hacen que un metal sea más fuerte y resistente al daño.

El estudio también observó las diferentes fases, o estados, del metal que se formaron durante el enfriamiento. El titanio puede existir en diferentes formas estructurales dependiendo de qué tan rápido se enfríe. Las muestras de baja energía, que se enfriaron muy rápidamente, contenían una alta cantidad de una fase de no equilibrio que es rica en cobre y silicio disueltos pero que es estructuralmente inestable. Esta fase tiende a ser más reactiva y propensa a la corrosión. En contraste, las muestras de alta energía se enfriaron más lentamente, permitiendo que el cobre y el silicio se asentaran en una disposición más estable. Esto resultó en una mayor proporción de una fase estable que es naturalmente más resistente a la corrosión. Los investigadores midieron el estrés interno dentro de la red cristalina del metal y encontraron que las muestras de alta energía tenían mucha menos tensión interna, lo que indica una estructura más relajada y estable.

Cuando estas muestras fueron probadas en agua salada, la diferencia en su desempeño fue clara. Las muestras impresas con la densidad de energía más alta mostraron una capacidad mucho mayor para resistir la corrosión. Su potencial de corrosión, una medida de qué tan probable es que el metal comience a oxidarse, se desplazó hacia un valor más positivo, indicando una mayor estabilidad. Más importante aún, la tasa a la que el metal se corroía disminuyó significativamente. Las muestras de alta energía perdieron material a una tasa que era más de cinco veces más lenta que la de las muestras de baja energía. Esta mejora estuvo vinculada directamente a la formación de una mejor película protectora en la superficie del metal. La estructura uniforme y las fases estables permitieron que una fina capa de óxido protectora se formara más eficazmente, actuando como un escudo contra el agua salada.

Los investigadores concluyeron que simplemente aumentar la energía utilizada durante el proceso de impresión fue suficiente para transformar las propiedades del metal. Al proporcionar suficiente calor para asegurar la fusión y mezcla completas, y al permitir una tasa de enfriamiento ligeramente más lenta, pudieron eliminar los puntos débiles causados por elementos no mezclados y fases inestables. Este enfoque no requirió ningún tratamiento térmico adicional después de la impresión, lo que ahorra tiempo y costos. Los hallazgos sugieren que, mediante el control cuidadoso de la entrada de energía, los fabricantes pueden producir implantes de titanio que no solo sean fuertes y antibacterianos, sino también altamente resistentes al entorno corrosivo del cuerpo humano, lo que potencialmente conducirá a dispositivos médicos más duraderos y seguros.