Designing Homogeneous Ti-Nb-Fe-Sn Titanium Alloys by PBF-LB: A Pre-Alloyed Powder Blend Strategy
Este estudo demonstra que a combinação de pós de liga mestra pré-ligada com uma grande espessura de camada, refusão e tratamento térmico na fusão em leito de pó a laser produz efetivamente ligas de Ti-Nb-Fe-Sn de fase única e quimicamente homogêneas, com propriedades mecânicas ajustáveis e baixo módulo de elasticidade, superando a heterogeneidade química tipicamente associada à mistura de pós elementares.
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O titânio é um metal que os médicos adoram para construir implantes como articulações de quadril e parafusos ósseos porque é forte, leve e não enferruja dentro do corpo humano. No entanto, as ligas de titânio atualmente utilizadas nos hospitais são frequentemente demasiado rígidas. Quando um implante metálico rígido substitui um osso flexível, o osso deixa de receber o stress de que necessita para se manter saudável e começa a afinar, um problema que pode afrouxar o implante com o tempo. Para resolver isto, cientistas desenvolveram um tipo especial de titânio chamado liga "beta", que contém elementos como o nióbio para tornar o metal mais macio e flexível, combinando com a elasticidade natural do osso humano. Fabricar estas ligas é difícil porque requerem uma mistura precisa de diferentes metais e, quando são fabricadas através de impressão 3D, o calor intenso pode por vezes deixar a mistura irregular, criando pontos fracos ou estruturas indesejadas e quebradiças no interior do metal.
Investigadores do Brasil e da República Checa decidiram encontrar uma forma melhor de imprimir em 3D estas ligas de titânio flexíveis. Em vez de tentarem fundir pós brutos e separados de titânio e nióbio, um processo que frequentemente deixa pedaços de metal não fundidos para trás, utilizaram um ponto de partida mais inteligente. Começaram com pós pré-misturados que já continham o equilíbrio correto de metais, misturando-os com pó de titânio puro para criar quatro receitas ligeiramente diferentes. Depois, introduziram estes pós numa impressora a laser que os funde camada por camada. Para garantir que o metal estava perfeitamente misturado e livre de pequenas bolsas de ar, utilizaram uma camada espessa de pó e passaram o laser sobre cada camada duas vezes, uma técnica chamada refusão, antes de aquecer as peças finais num forno para suavizar a sua estrutura interna.
Os resultados foram um sucesso. Após este processo cuidadoso, a equipa descobriu que o metal era completamente uniforme, sem sinais de partículas não fundidas ou aglomerados químicos. Sob um microscópio, o metal mostrava uma estrutura cristalina única e consistente, com grãos aproximadamente redondos e de tamanho uniforme, em vez das formas longas e irregulares frequentemente observadas em metais impressos em 3D. Esta uniformidade é crucial porque significa que o material se comportará da mesma forma, independentemente de onde for testado. A equipa também descobriu que o tamanho destes grãos metálicos não seguia um padrão simples baseado na quantidade de ferro ou nióbio adicionada. Embora modelos computacionais pudessem prever como o metal congelaria, não conseguiam explicar o tamanho final do grão, que acabou por ser influenciado por mudanças temporárias na química do metal à medida que este arrefecia e aquecia, agindo como uma dança complexa de átomos que os investigadores ainda estão a tentar compreender totalmente.
Quando testaram a força e a rigidez destas novas ligas, encontraram uma tendência clara. O metal com mais ferro e menos nióbio foi o mais duro e forte, enquanto a versão com mais nióbio e sem ferro foi a mais macia e flexível. A liga mais forte conseguiu suportar uma força de quase 700 megapascal antes de dobrar, enquanto a mais flexível resistiu a cerca de 470 megapascal. A sua rigidez, medida como o módulo de Young, variou entre 63 e 81 gigapascal, o que é significativamente inferior aos implantes de titânio tradicionais e muito mais próximo da rigidez do osso humano. Os investigadores concluíram que, ao utilizarem pós pré-misturados e uma estratégia de dupla fusão, poderiam criar de forma fiável estas ligas avançadas com propriedades que podem ser ajustadas simplesmente alterando a receita, oferecendo um caminho promissor para implantes médicos melhores e de maior duração.
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