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

Titanium is een metaal waar ingenieurs en artsen van houden vanwege de sterkte en het vermogen om vredig in het menselijk lichaam te leven. Het is het materiaal bij uitstek voor heupvervangingen en tandimplantaten omdat het bestand is tegen de lichaamsvloeistoffen en niet gemakkelijk roest. Het maken van titanium onderdelen, vooral die met complexe vormen voor individuele patiënten, is echter vaak moeilijk en duur met traditionele methoden zoals gieten of snijden. In de afgelopen jaren is een techniek genaamd laser powder bed fusion opgekomen als een krachtig alternatief. Dit proces werkt als een uiterst nauwkeurige 3D-printer, waarbij een gefocuste laserstraal minuscule deeltjes metaalpoeder laag voor laag smelt, waardoor een solide object van onderaf wordt opgebouwd. Hoewel deze methode ongelooflijke ontwerpvrijheid biedt, kan de snelle verhitting en afkoeling ervoor zorgen dat het metaal een microscopische structuur krijgt die niet perfect uniform is, wat het metaal soms zwakker of gevoeliger voor corrosie maakt dan gewenst.

Onderzoekers hebben geëxploreerd om deze geprinte metalen te verbeteren door verschillende elementen direct in het poeder te mengen vóór het printen. Een veelbelovende combinatie bestaat uit het toevoegen van koper en silicium aan titanium. Koper staat bekend om zijn vermogen om bacteriën te bestrijden, wat een groot voordeel is voor medische implantaten, terwijl silicium kan helpen het metaal te versterken. De uitdaging ligt in het perfect mengen van deze verschillende elementen tijdens het printproces. Als ze niet goed mengen, kunnen er kleine zakjes ongemengd materiaal ontstaan, wat zwakke plekken creëert waar corrosie kan beginnen. De sleutel tot het oplossen van dit puzzelstukje is het begrijpen van hoe de door de laser geleverde energie de uiteindelijke structuur van het metaal beïnvloedt.

In een recente studie onderzocht een team van onderzoekers hoe het veranderen van de hoeveelheid energie die tijdens het printproces wordt gebruikt, de kwaliteit van een nieuwe titaniumlegering beïnvloedt die koper en silicium bevat. Ze concentreerden zich op een specifieke maatstaf genaamd volumetrische energiedichtheid, wat in essentie beschrijft hoeveel laservermogen er op een bepaald volume materiaal wordt toegepast. Door monsters van deze nieuwe legering te printen met drie verschillende energieniveaus, waren zij in staat te observeren hoe de interne structuur van het metaal veranderde en hoe die veranderingen invloed hadden op het vermogen om corrosie te weerstaan in een zoute omgeving, vergelijkbaar met de vloeistoffen die in het menselijk lichaam worden gevonden.

De onderzoekers begonnen met het printen van kleine kubussen van puur titanium en de nieuwe titanium-koper-siliciumlegering. Ze gebruikten een laser om het poeder te smelten, waarbij ze de snelheid van de laser en het vermogen dat deze leverde zorgvuldig aanpasten om drie verschillende energiecondities te creëren. De laagste energie-instelling was de basislijn, terwijl de andere twee instellingen aanzienlijk meer hitte boden. Ze printen ook puur titanium onder de laagste en hoogste energie-instellingen om te zien hoe de legeringselementen het gedrag van het metaal specifiek veranderden in vergelijking met puur titanium. Na het printen onderzochten ze de monsters onder krachtige microscopen en testten ze deze in een zoutwateroplossing om te meten hoe goed ze bestand waren tegen roesten.

Wat ze vonden, was dat de hoeveelheid energie die werd gebruikt een dramatisch verschil maakte in de interne architectuur van het metaal. Bij het laagste energieniveau was het metaal niet perfect gemengd. De microscoop onthulde dat sommige van de oorspronkelijke titaniumpoederdeeltjes niet volledig waren gesmolten, en dat koper en silicium zich niet gelijkmatig door het materiaal hadden verspreid. In plaats daarvan hadden deze elementen zich opgeklonterd in afzonderlijke regio's, wat een lappendeken van verschillende samenstellingen creëerde. Deze ongelijkmatigheid is problematisch omdat verschillende delen van het metaal verschillend kunnen reageren op water en zout, wat leidt tot lokale corrosie. Echter, wanneer de onderzoekers de energiedichtheid verhoogden, werd het metaal veel uniformer. De hogere hitte zorgde ervoor dat de poederdeeltjes volledig smolten en gaf de koper- en siliciumatomen genoeg tijd om zich gelijkmatig te verspreiden, waardoor de klonten werden geëlimineerd en een homogene mengeling werd gecreëerd.

Deze verandering in menging transformeerde ook de vorm en grootte van de korrels van het metaal, oftewel de minuscule kristallen die het vaste metaal vormen. In de monsters met een lage energie waren de korrels groot en uitgerekt in lange kolommen. Naarmate de energie toenam, braken deze kolommen af in kleinere, meer ronde korrels die gelijkmatig door het materiaal werden verdeeld. De gemiddelde grootte van deze korrels kromp aanzienlijk, van bijna vijf micrometer in het monster met lage energie naar minder dan twee micrometer in het monster met hoge energie. Deze verfijning is belangrijk omdat kleinere, meer uniforme korrels een metaal over het algemeen sterker en beter bestand tegen schade maken.

De studie keek ook naar de verschillende fasen, of toestanden, van het metaal die tijdens het afkoelen ontstonden. Titanium kan in verschillende structurele vormen bestaan, afhankelijk van hoe snel het afkoelt. De monsters met een lage energie, die zeer snel afkoelden, bevatten een grote hoeveelheid een niet-evenwichtsfase die rijk is aan opgelost koper en silicium, maar structureel onstabiel is. Deze fase heeft de neiging reactiever te zijn en gevoeliger voor corrosie. In contrast hiermee koelden de monsters met een hoge energie langzamer af, waardoor koper en silicium in een stabielere ordening konden gaan zitten. Dit resulteerde in een hoger aandeel van een stabiele fase die van nature beter bestand is tegen corrosie. De onderzoekers maten de interne spanning binnen het kristalrooster van het metaal en vonden dat de monsters met hoge energie veel minder interne spanning vertoonden, wat wijst op een meer ontspannen en stabiele structuur.

Wanneer deze monsters in zout water werden getest, was het verschil in hun prestaties duidelijk. De monsters die met de hogere energiedichtheid waren geprint, vertoonden een veel sterker vermogen om corrosie te weerstaan. Hun corrosiepotentiaal, een maatstaf voor hoe waarschijnlijk het is dat het metaal begint te roesten, verschoof naar een positievere waarde, wat duidt op grotere stabiliteit. Nog belangrijker was dat de snelheid waarmee het metaal corrodeerde aanzienlijk daalde. De monsters met een hoge energie verloren materiaal op een snelheid die meer dan vijf keer langzamer was dan die van de monsters met een lage energie. Deze verbetering was direct gekoppeld aan de vorming van een betere beschermende film op het oppervlak van het metaal. De uniforme structuur en stabiele fasen zorgden ervoor dat een dunne, beschermende oxidelaag effectiever kon worden gevormd, die als een schild fungeert tegen het zoute water.

De onderzoekers concludeerden dat het simpelweg verhogen van de energie die tijdens het printen wordt gebruikt, voldoende was om de eigenschappen van het metaal te transformeren. Door voldoende hitte te bieden om volledig smelten en mengen te garanderen, en door een iets langzamere afkoelsnelheid toe te staan, konden ze de zwakke plekken veroorzaakt door ongemengde elementen en onstabiele fasen elimineren. Deze aanpak vereiste geen aanvullende warmtebehandeling na het printen, wat tijd en kosten bespaart. De bevindingen suggereren dat door de energie-input zorgvuldig te controleren, fabrikanten titanium implantaten kunnen produceren die niet alleen sterk en antibacterieel zijn, maar ook zeer bestand tegen de corrosieve omgeving van het menselijk lichaam, wat potentieel kan leiden tot langer houdende en veiligere medische hulpmiddelen.