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

Le titane est un métal que les ingénieurs et les médecins adorent pour sa résistance et sa capacité à vivre paisiblement à l'intérieur du corps humain. C'est le matériau de choix pour les remplacements de hanche et les implants dentaires car il résiste aux fluides corporels et ne rouille pas facilement. Cependant, la fabrication de pièces en titane, en particulier celles aux formes complexes destinées à des patients individuels, est souvent difficile et coûteuse avec les méthodes traditionnelles comme la fonderie ou la découpe. Au cours des dernières années, une technique appelée fusion sur lit de poudre par laser est apparue comme une alternative puissante. Ce processus fonctionne comme une imprimante 3D de haute précision, utilisant un faisceau laser focalisé pour faire fondre de minuscules particules de poudre métallique couche par couche, construisant un objet solide en partant du bas. Bien que cette méthode offre une liberté de conception incroyable, le chauffage et le refroidissement rapides impliqués peuvent laisser le métal avec une structure microscopique qui n'est pas parfaitement uniforme, ce qui peut parfois le rendre plus faible ou plus sujet à la corrosion qu'on ne le souhaiterait.

Les chercheurs explorent des moyens d'améliorer ces métaux imprimés en mélangeant directement différents éléments dans la poudre avant l'impression. Une combinaison prometteuse consiste à ajouter du cuivre et du silicium au titane. Le cuivre est connu pour sa capacité à combattre les bactéries, ce qui est un avantage majeur pour les implants médicaux, tandis que le silicium peut aider à renforcer le métal. Le défi réside dans l'obtention d'un mélange parfait de ces différents éléments pendant le processus d'impression. S'ils ne se mélangent pas bien, de minuscules poches de matériau non mélangé peuvent se former, créant des points faibles où la corrosion pourrait commencer. La clé pour résoudre ce casse-tête est de comprendre comment l'énergie délivrée par le laser affecte la structure finale du métal.

Dans une étude récente, une équipe de chercheurs a étudié comment le changement de la quantité d'énergie utilisée lors du processus d'impression influence la qualité d'un nouvel alliage de titane contenant du cuivre et du silicium. Ils se sont concentrés sur une mesure spécifique appelée densité d'énergie volumétrique, qui décrit essentiellement la quantité de puissance laser appliquée à un volume donné de matériau. En imprimant des échantillons de ce nouvel alliage en utilisant trois niveaux d'énergie différents, ils ont pu observer comment la structure interne du métal changeait et comment ces changements affectaient sa capacité à résister à la corrosion dans un environnement salin, similaire aux fluides que l'on trouve dans le corps humain.

Les chercheurs ont commencé par imprimer de petits cubes de titane pur et du nouvel alliage titane-cuivre-silicium. Ils ont utilisé un laser pour faire fondre la poudre, en ajustant soigneusement la vitesse du laser et la puissance qu'il délivrait pour créer trois conditions d'énergie distinctes. Le réglage d'énergie le plus bas servait de référence, tandis que les deux autres réglages fournissaient une chaleur nettement plus élevée. Ils ont également imprimé du titane pur sous les réglages d'énergie la plus basse et la plus haute pour voir comment les éléments d'alliage altéraient spécifiquement le comportement du métal par rapport au titane pur. Après l'impression, ils ont examiné les échantillons sous des microscopes puissants et les ont testés dans une solution d'eau salée pour mesurer leur résistance à la rouille.

Ce qu'ils ont découvert, c'est que la quantité d'énergie utilisée faisait une différence dramatique dans l'architecture interne du métal. Au niveau d'énergie le plus bas, le métal n'était pas parfaitement mélangé. Le microscope a révélé que certaines des particules de poudre de titane d'origine n'avaient pas totalement fondu, et que le cuivre et le silicium ne s'étaient pas répartis uniformément dans le matériau. Au lieu de cela, ces éléments s'étaient regroupés dans des régions séparées, créant un assemblage de compositions différentes. Cette irrégularité est problématique car différentes parties du métal peuvent réagir différemment à l'eau et au sel, entraînant une corrosion localisée. Cependant, lorsque les chercheurs ont augmenté la densité d'énergie, le métal est devenu beaucoup plus uniforme. La chaleur plus élevée a permis aux particules de poudre de fondre complètement et a donné au cuivre et au silicium suffisamment de temps pour se répartir uniformément, éliminant les amas et créant un mélange homogène.

Ce changement de mélange a également transformé la forme et la taille des grains du métal, qui sont les minuscules cristaux qui composent le métal solide. Dans les échantillons à faible énergie, les grains étaient grands et étirés en longues colonnes. À mesure que l'énergie augmentait, ces colonnes se brisaient en grains plus petits et plus arrondis qui étaient distribués uniformément dans le matériau. La taille moyenne de ces grains a considérablement diminué, passant de près de cinq micromètres dans l'échantillon à faible énergie à moins de deux micromètres dans l'échantillon à haute énergie. Ce raffinement est important car des grains plus petits et plus uniformes rendent généralement un métal plus fort et plus résistant aux dommages.

L'étude a également examiné les différentes phases, ou états, du métal qui se sont formées lors du refroidissement. Le titane peut exister sous différentes formes structurelles selon la vitesse à laquelle il refroidit. Les échantillons à faible énergie, qui ont refroidi très rapidement, contenaient une grande quantité d'une phase hors équilibre, riche en cuivre et en silicium dissous, mais structurellement instable. Cette phase a tendance à être plus réactive et sujette à la corrosion. En revanche, les échantillons à haute énergie ont refroidi plus lentement, permettant au cuivre et au silicium de se stabiliser dans un arrangement plus stable. Cela a entraîné une proportion plus élevée d'une phase stable qui est naturellement plus résistante à la corrosion. Les chercheurs ont mesuré la contrainte interne au sein du réseau cristallin du métal et ont constaté que les échantillons à haute énergie présentaient beaucoup moins de déformation interne, indiquant une structure plus détendue et stable.

Lorsque ces échantillons ont été testés dans de l'eau salée, la différence de performance était évidente. Les échantillons imprimés avec la densité d'énergie la plus élevée ont montré une capacité beaucoup plus forte à résister à la corrosion. Leur potentiel de corrosion, une mesure de la probabilité que le métal commence à rouiller, s'est déplacé vers une valeur plus positive, indiquant une plus grande stabilité. Plus important encore, le taux de corrosion du métal a chuté de manière significative. Les échantillons à haute énergie ont perdu de la matière à un taux plus de cinq fois plus lent que les échantillons à faible énergie. Cette amélioration était directement liée à la formation d'un meilleur film protecteur à la surface du métal. La structure uniforme et les phases stables ont permis à une fine couche d'oxyde protectrice de se former plus efficacement, agissant comme un bouclier contre l'eau salée.

Les chercheurs ont conclu que le simple fait d'augmenter l'énergie utilisée pendant le processus d'impression suffisait à transformer les propriétés du métal. En fournissant assez de chaleur pour assurer une fusion et un mélange complets, et en permettant un taux de refroidissement légèrement plus lent, ils pouvaient éliminer les points faibles causés par les éléments non mélangés et les phases instables. Cette approche ne nécessitait aucun traitement thermique supplémentaire après l'impression, ce qui permet de gagner du temps et de l'argent. Les résultats suggèrent qu'en contrôlant soigneusement l'apport d'énergie, les fabricants peuvent produire des implants en titane qui sont non seulement solides et antibactériens, mais aussi hautement résistants à l'environnement corrosif du corps humain, ce qui pourrait conduire à des dispositifs médicaux plus durables et plus sûrs.