Designing Homogeneous Ti-Nb-Fe-Sn Titanium Alloys by PBF-LB: A Pre-Alloyed Powder Blend Strategy
Questo studio dimostra che la combinazione di polveri di lega maestra pre-legata con uno spessore dello strato elevato, la rimeltura e il trattamento termico nella fusione a letto di polvere laser produce efficacemente leghe Ti-Nb-Fe-Sn chimicamente omogenee e monofasiche con proprietà meccaniche modulabili e un basso modulo elastico, superando l'eterogeneità chimica tipicamente associata alla miscelazione di polveri elementari.
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Il titanio è un metallo che i medici amano per la costruzione di impianti come articolazioni dell'anca e viti ossee perché è resistente, leggero e non arrugginisce all'interno del corpo umano. Tuttavia, le leghe di titanio attualmente utilizzate negli ospedali sono spesso troppo rigide. Quando un impianto metallico rigido sostituisce un osso flessibile, l'osso smette di ricevere lo stress di cui ha bisogno per rimanere sano e inizia ad assottigliarsi, un problema che può allentare l'impianto nel tempo. Per risolvere questo problema, gli scienziati hanno sviluppato un tipo speciale di titanio chiamato lega "beta", che contiene elementi come il niobio per rendere il metallo più morbido e flessibile, adattandosi alla naturale elasticità dell'osso umano. Realizzare queste leghe è difficile perché richiedono una miscelazione precisa di diversi metalli e, quando vengono realizzate tramite stampa 3D, l'intenso calore può talvolta lasciare la miscela disomogenea, creando punti deboli o strutture indesideratamente fragili all'interno del metallo.
Ricercatori del Brasile e della Repubblica Ceca si sono posti l'obiettivo di trovare un modo migliore per stampare in 3D queste leghe di titanio flessibili. Invece di cercare di fondere insieme polveri grezze e separate di titanio e niobio — un processo che spesso lascia dietro di sé pezzi di metallo non fusi — hanno utilizzato un punto di partenza più intelligente. Sono partiti da piccole polveri pre-miscelate che contenevano già il giusto equilibrio di metalli, mescolandole con polvere di titanio puro per creare quattro ricette leggermente diverse. Hanno poi alimentato una stampante laser che le fonde strato dopo strato. Per garantire che il metallo fosse perfettamente miscelato e privo di minuscole sacche d'aria, hanno utilizzato uno strato spesso di polvere e hanno fatto passare il laser su ogni strato due volte, una tecnica chiamata rimelting (rimeltatura), prima di riscaldare i componenti finali in un forno per levigare la loro struttura interna.
I risultati sono stati un successo. Dopo questo attento processo, il team ha scoperto che il metallo era completamente uniforme, senza segni di particelle non fuse o grumi chimici. Sotto un microscopio, il metallo mostrava una struttura cristallina singola e coerente, con grani approssimativamente rotondi e di dimensioni uniformi, piuttosto che le forme lunghe e frastagliate spesso viste nei metalli stampati in 3D. Questa uniformità è fondamentale perché significa che il materiale si comporterà nello stesso modo indipendentemente da dove venga testato. Il team ha anche scoperto che la dimensione di questi grani metallici non seguiva un modello semplice basato sulla quantità di ferro o niobio aggiunta. Mentre i modelli informatici potevano prevedere come il metallo si sarebbe solidificato, non riuscivano a spiegare la dimensione finale dei grani, che si è rivelata essere influenzata da cambiamenti temporanei nella chimica del metallo durante il raffreddamento e il riscaldamento, agendo come una complessa danza di atomi che i ricercatori stanno ancora cercando di comprendere appieno.
Quando hanno testato quanto fossero resistenti e rigide queste nuove leghe, hanno riscontrato una tendenza chiara. Il metallo con più ferro e meno niobio era il più duro e resistente, mentre la versione con più niobio e senza ferro era la più morbida e flessibile. La lega più resistente poteva sopportare una forza di quasi 700 megapascal prima di piegarsi, mentre la più flessibile reggeva a circa 470 megapascal. La loro rigidità, misurata come modulo di Young, variava da 63 a 81 gigapascal, il che è significativamente inferiore rispetto ai tradizionali impianti in titanio e molto più vicino alla rigidità dell'osso umano. I ricercatori hanno concluso che, utilizzando polveri pre-miscelate e una strategia di doppia fusione, potevano creare in modo affidabile queste leghe avanzate con proprietà che possono essere regolate semplicemente cambiando la ricetta, offrendo una strada promettente verso impianti medici migliori e più duraturi.
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