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

Il titanio è un metallo che ingegneri e medici amano per la sua resistenza e per la sua capacità di convivere pacificamente all'interno del corpo umano. È il materiale di scelta per le protesi d'anca e gli impianti dentali perché resiste ai fluidi corporei e non arrugginisce facilmente. Tuttavia, realizzare componenti in titanio, specialmente quelli con forme complesse per singoli pazienti, è spesso difficile ed economico utilizzando i metodi tradizionali come la fusione o la lavorazione meccanica. Negli ultimi anni, una tecnica chiamata fusione a letto di polvere laser (laser powder bed fusion) è emersa come una potente alternativa. Questo processo funziona come una stampante 3D ad alta precisione, utilizzando un raggio laser focalizzato per fondere minuscole particelle di polvere metallica strato dopo strato, costruendo un oggetto solido dal basso verso l'alto. Sebbene questo metodo offra un'incredibile libertà di progettazione, il riscaldamento e il raffreddamento rapidi coinvolti possono lasciare il metallo con una struttura microscopica che non è perfettamente uniforme, rendendolo talvolta più debole o più incline alla corrosione rispetto a quanto desiderato.

I ricercatori hanno esplorato modi per migliorare questi metalli stampati mescolando direttamente diversi elementi nella polvere prima della stampa. Una combinazione promettente prevede l'aggiunta di rame e silicio al titanio. Il rame è noto per la sua capacità di combattere i batteri, un grande beneficio per gli impianti medici, mentre il silicio può aiutare a rinforzare il metallo. La sfida risiede nel far sì che questi diversi elementi si mescolino perfettamente durante il processo di stampa. Se non si mescolano bene, possono formarsi piccole sacche di materiale non miscelato, creando punti deboli dove la corrosione potrebbe iniziare. La chiave per risolvere questo enigma è comprendere come l'energia fornita dal laser influenzi la struttura finale del metallo.

In uno studio recente, un team di ricercatori ha investigato come cambiare la quantità di energia utilizzata durante il processo di stampa influenzi la qualità di una nuova lega di titanio contenente rame e silicio. Si sono concentrati su una misura specifica chiamata densità di energia volumetrica, che descrive essenzialmente quanta potenza laser viene applicata a un dato volume di materiale. Stampando campioni di questa nuova lega di titanio utilizzando tre diversi livelli di energia, sono stati in grado di osservare come la struttura interna del metallo cambiasse e come tali cambiamenti influenzassero la sua capacità di resistere alla corrosione in un ambiente salino, simile ai fluidi presenti nel corpo umano.

I ricercatori hanno iniziato stampando piccoli cubi di titanio puro e della nuova lega di titanio-rame-silicio. Hanno utilizzato un laser per fondere la polvere, regolando attentamente la velocità del laser e la potenza erogata per creare tre distinte condizioni di energia. L'impostazione a energia più bassa era il punto di riferimento, mentre le altre due impostazioni fornivano molto più calore. Hanno anche stampato titanio puro con l'impostazione di energia più bassa e quella più alta per vedere come gli elementi leganti alterassero specificamente il comportamento del metallo rispetto al titanio puro. Dopo la stampa, hanno esaminato i campioni sotto potenti microscopi e li hanno testati in una soluzione di acqua salata per misurare quanto bene resistessero alla ruggine.

Ciò che hanno scoperto è che la quantità di energia utilizzata ha fatto una differenza drammatica nell'architettura interna del metallo. Al livello di energia più basso, il metallo non era perfettamente miscelato. Il microscopio ha rivelato che alcune delle particelle originali di polvere di titanio non si erano fuse completamente e che il rame e il silicio non si erano diffusi uniformemente in tutto il materiale. Inveve, questi elementi si erano raggruppati in regioni separate, creando un mosaico di composizioni diverse. Questa irregolarità è problematica perché parti diverse del metallo possono reagire diversamente all'acqua e al sale, portando a una corrosione localizzata. Tuttavia, quando i ricercatori hanno aumentato la densità di energia, il metallo è diventato molto più uniforme. Il calore maggiore ha permesso alle particelle di polvere di fondersi completamente e ha dato al rame e al silicio abbastanza tempo per diffondersi uniformemente, eliminando i grumi e creando una miscela omogenea.

Questo cambiamento nella miscelazione ha trasformato anche la forma e la dimensione dei grani del metallo, ovvero i piccoli cristalli che compongono il metallo solido. Nei campioni a bassa energia, i grani erano grandi e allungati in lunghe colonne. Man mano che l'energia aumentava, queste colonne si sono frammentate in grani più piccoli e arrotondati, distribuiti uniformemente in tutto il materiale. La dimensione media di questi grani è diminuita significamente, scendendo da quasi cinque micrometri nel campione a bassa energia a meno di due micrometri nel campione ad alta energia. Questa raffinazione è importante perché grani più piccoli e uniformi generalmente rendono un metallo più forte e resistente ai danni.

Lo studio ha anche esaminato le diverse fasi, o stati, del metallo che si sono formate durante il raffreddamento. Il titanio può esistere in diverse forme strutturali a seconda di quanto velocemente si raffredda. I campioni a bassa energia, che si sono raffreddati molto rapidamente, contenevano un'alta quantità di una fase fuori equilibrio, ricca di rame e silicio disciolti, ma strutturalmente instabile. Questa fase tende a essere più reattiva e incline alla corrosione. Al contrario, i campioni ad alta energia si sono raffreddati più lentamente, permettendo al rame e al silicio di assestarsi in una disposizione più stabile. Ciò ha portato a una maggiore proporzione di una fase stabile che è naturalmente più resistente alla corrosione. I ricercatori hanno misurato lo stress interno nel reticolo cristallino del metallo e hanno scoperto che i campioni ad alta energia avevano molta meno tensione interna, indicando una struttura più rilassata e stabile.

Quando questi campioni sono stati testati in acqua salata, la differenza nelle loro prestazioni è stata evidente. I campioni stampati con una densità di energia maggiore hanno mostrato una capacità molto più forte di resistere alla corrosione. Il loro potenziale di corrosione, una misura di quanto sia probabile che il metallo inizi a arrugginire, si è spostato verso un valore più positivo, indicando una maggiore stabilità. Ancora più importante, la velocità con cui il metallo si corrodeva è diminuita significamente. I campioni ad alta energia hanno perso materiale a un ritmo più di cinque volte più lento rispetto ai campioni a bassa energia. Questo miglioramento è stato collegato direttamente alla formazione di un film protettivo migliore sulla superficie del metallo. La struttura uniforme e le fasi stabili hanno permesso la formazione più efficace di uno strato di ossido sottile e protettivo, agendo come uno scudo contro l'acqua salata.

I ricercatori hanno concluso che semplicemente aumentare l'energia utilizzata durante il processo di stampa è stato sufficiente a trasformare le proprietà del metallo. Fornendo calore sufficiente per garantire la fusione e la miscelazione completa, e permettendo un tasso di raffreddamento leggermente più lento, potevano eliminare i punti deboli causati dagli elementi non miscelati e dalle fasi instabili. Questo approccio non richiedeva alcun trattamento termico aggiuntivo dopo la stampa, il che fa risparmiare tempo e costi. Le scoperte suggeriscono che, controllando attentamente l'apporto di energia, i produttori possono produrre impianti in titanio che siano non solo forti e antibatterici, ma anche altamente resistenti all'ambiente corrosivo del corpo umano, portando potenzialmente a dispositivi medici più durevoli e sicuri.