Designing Homogeneous Ti-Nb-Fe-Sn Titanium Alloys by PBF-LB: A Pre-Alloyed Powder Blend Strategy
यह अध्ययन प्रदर्शित करता है कि लेजर पाउडर बेड फ्यूजन में प्री-अलॉयड मास्टर-अलॉयड पाउडर को एक बड़े लेयर थिकनेस, रीमेल्टिंग और हीट ट्रीटमेंट के साथ संयोजित करना प्रभावी रूप से रासायनिक रूप से सजातीय, एकल-चरण Ti-Nb-Fe-Sn मिश्र धातुओं का उत्पादन करता है, जिनके यांत्रिक गुणों और निम्न लोचदार मापांक (इलास्टिक मॉड्यूलस) को ट्यून किया जा सकता है, जो कि तत्व-आधारित पाउडर सम्मिश्रण से जुड़ी विशिष्ट रासायनिक विषमता को दूर करता है।
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टाइटेनियम एक ऐसी धातु है जिसे डॉक्टर कूल्हे के जोड़ों और हड्डी के स्क्रू जैसे इम्प्लांट बनाने के लिए बहुत पसंद करते हैं क्योंकि यह मजबूत, हल्की है और मानव शरीर के भीतर जंग नहीं खाती है। हालांकि, अस्पतालों में वर्तमान में उपयोग किए जाने वाले टाइटेनियम मिश्र धातु (alloys) अक्सर बहुत अधिक सख्त होते हैं। जब एक सख्त धातु का इम्प्लांट एक लचीली हड्डी की जगह लेता है, तो हड्डी वह तनाव प्राप्त करना बंद कर देती है जिसकी उसे स्वस्थ रहने के लिए आवश्यकता होती है और धीरे-धीरे पतली होने लगती है, जिससे समय के साथ इम्प्लांट ढीला होने की समस्या पैदा हो सकती है। इसे हल करने के लिए, वैज्ञानिकों ने टाइटेनियम का एक विशेष प्रकार विकसित किया है जिसे "बीटा" मिश्र धातु कहा जाता है, जिसमें नियोबियम (niobium) जैसे तत्व शामिल हैं ताकि धातु को नरम और अधिक लचीला बनाया जा सके, जो मानव हड्डी के प्राकृतिक लचीलेपन से मेल खाता हो। इन मिश्र धातुओं को बनाना कठिन है क्योंकि इनके लिए विभिन्न धातुओं के सटीक मिश्रण की आवश्यकता होती है, और जब उन्हें 3D प्रिंटिंग के माध्यम से बनाया जाता है, तो तीव्र गर्मी कभी-कभी मिश्रण को असमान छोड़ सकती है, जिससे धातु के भीतर कमजोर बिंदु या अवांछित भंगुर संरचनाएं बन सकती हैं।
ब्राजील और चेक गणराज्य के शोधकर्ताओं ने इन लचीले टाइटेनियम मिश्र धातुओं को 3D प्रिंट करने का एक बेहतर तरीका खोजने का प्रयास किया। कच्चे, अलग-अलग टाइटेनियम और नियोबियम पाउडर को एक साथ पिघलाने की कोशिश करने के बजाय—एक ऐसी प्रक्रिया जो अक्सर पीछे बिना पिघले धातु के टुकड़े छोड़ देती है—उन्होंने एक स्मार्ट शुरुआती बिंदु का उपयोग किया। उन्होंने ऐसे छोटे, पूर्व-मिश्रित पाउडर से शुरुआत की जिनमें पहले से ही धातुओं का सही संतुलन मौजूद था, और इन्हें शुद्ध टाइटेनियम पाउडर के साथ मिलाकर चार थोड़े अलग रेसिपी तैयार कीं। फिर उन्होंने इन पाउडर को एक लेजर प्रिंटर में डाला जो उन्हें परत दर परत पिघलाता है। यह सुनिश्चित करने के लिए कि धातु पूरी तरह से मिश्रित हो और इसमें हवा के छोटे बुलबुले न हों, उन्होंने पाउडर की एक मोटी परत का उपयोग किया और प्रत्येक परत पर लेजर को दो बार चलाया, जिसे 'रीमेल्टिंग' (remelting) नामक तकनीक कहा जाता है, और फिर अंतिम भागों को उनकी आंतरिक संरचना को चिकना करने के लिए एक भट्टी में गर्म किया।
परिणाम सफल रहे। इस सावधानीपूर्ण प्रक्रिया के बाद, टीम ने पाया कि धातु पूरी तरह से एकसमान थी, जिसमें बिना पिघले कणों या रासायनिक गुच्छों के कोई संकेत नहीं थे। एक सूक्ष्मदर्शी (microscope) के नीचे, धातु ने एक एकल, सुसंगत क्रिस्टल संरचना दिखाई, जिसमें दाने (grains) मोटे तौर पर गोल और समान आकार के थे, न कि लंबे और टेढ़े-मेढ़े आकार के, जो अक्सर 3D प्रिंटेड धातुओं में देखे जाते हैं। यह एकरूपता महत्वपूर्ण है क्योंकि इसका अर्थ है कि सामग्री का परीक्षण कहीं भी किया जाए, वह एक जैसा व्यवहार करेगी। टीम ने यह भी पता लगाया कि इन धातु के दानों का आकार आयरन या नियोबियम की मात्रा के आधार पर किसी सरल पैटर्न का पालन नहीं करता था। जबकि कंप्यूटर मॉडल यह भविष्यवाणी कर सकते थे कि धातु कैसे जमेगी, वे अंतिम ग्रेन साइज (grain size) की व्याख्या नहीं कर सके, जो कि ठंडा होने और गर्म होने के दौरान धातु की रसायन विज्ञान में होने वाले अस्थायी परिवर्तनों से प्रभावित था, जो परमाणुओं के एक जटिल नृत्य की तरह है जिसे शोधकर्ता अभी भी पूरी तरह से समझने पर काम कर रहे हैं।
जब उन्होंने परीक्षण किया कि ये नई मिश्र धातुएं कितनी मजबूत और सख्त थीं, तो उन्हें एक स्पष्ट रुझान मिला। जिस धातु में सबसे अधिक आयरन और सबसे कम नियोबियम था, वह सबसे कठोर और मजबूत थी, जबकि जिस संस्करण में सबसे अधिक नियोबियम और कोई आयरन नहीं था, वह सबसे नरम और सबसे लचीली थी। सबसे मजबूत मिश्र धातु मुड़ने से पहले लगभग 700 मेगापास्कल के बल को सहन कर सकती थी, जबकि सबसे लचीली वाली लगभग 470 मेगापास्कल पर टिकी रही। उनकी कठोरता, जिसे यंग्स मॉड्यूलस (Young's modulus) के रूप में मापा जाता है, 63 से 81 गीगापास्कल के बीच थी, जो पारंपरिक टाइटेनियम इम्प्लांट्स की तुलना में काफी कम है और मानव हड्डी की कठोरता के बहुत करीब है। शोधकर्ताओं ने निष्कर्ष निकाला कि पूर्व-मिश्रित पाउडर और डबल-मेल्टिंग रणनीति का उपयोग करके, वे विश्वसनीय रूप से इन उन्नत मिश्र धातुओं का निर्माण कर सकते हैं जिनके गुणों को केवल रेसिपी बदलकर ट्यून किया जा सकता है, जो बेहतर, लंबे समय तक चलने वाले मेडिकल इम्प्लांट्स की दिशा में एक आशाजनक मार्ग है।
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