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

O titânio é um metal que engenheiros e médicos adoram por sua resistência e por sua capacidade de viver pacificamente dentro do corpo humano. É o material de escolha para substituições de quadril e implantes dentários porque resiste aos fluidos do corpo e não enferruja facilmente. No entanto, fabricar peças de titânio, especialmente aquelas com formas complexas para pacientes individuais, é frequentemente difícil e caro usando métodos tradicionais como fundição ou corte. Nos últimos anos, uma técnica chamada fusão em leito de pó a laser surgiu como uma alternativa poderosa. Esse processo funciona como uma impressora 3D de alta precisão, usando um feixe de laser focado para derreter minúsculas partículas de pó metálico camada por camada, construindo um objeto sólido de baixo para cima. Embora este método ofereça uma liberdade de design incrível, o aquecimento e o resfriamento rápidos envolvidos podem deixar o metal com uma estrutura microscópica que não é perfeitamente uniforme, tornando-o às vezes mais fraco ou mais propenso à corrosão do que o desejado.

Pesquisadores têm explorado maneiras de melhorar esses metais impressos misturando diferentes elementos diretamente no pó antes da impressão. Uma combinação promissora envolve adicionar cobre e silício ao titânio. O cobre é conhecido por sua capacidade de combater bactérias, o que é um grande benefício para implantes médicos, enquanto o silício pode ajudar a fortalecer o metal. O desafio reside em fazer com que esses diferentes elementos se misturem perfeitamente durante o processo de impressão. Se eles não se misturarem bem, pequenas bolsas de material não misturado podem se formar, criando pontos fracos onde a corrosão pode começar. A chave para resolver esse quebra-cabeça é entender como a energia entregue pelo laser afeta a estrutura final do metal.

Em um estudo recente, uma equipe de pesquisadores investigou como a mudança na quantidade de energia usada durante o processo de impressão influencia a qualidade de uma nova liga de titânio contendo cobre e silício. Eles focaram em uma medida específica chamada densidade de energia volumétrica, que essencialmente descreve quanta potência de laser é aplicada a um determinado volume de material. Ao imprimir amostras desta nova liga de titânio usando três níveis diferentes de energia, eles foram capazes de observar como a estrutura interna do metal mudava e como essas mudanças afetavam sua capacidade de resistir à corrosão em um ambiente salino, semelhante aos fluidos encontrados no corpo humano.

Os pesquisadores começaram imprimindo pequenos cubos de titânio puro e da nova liga de titânio-cobre-silício. Eles usaram um laser para derreter o pó, ajustando cuidadosamente a velocidade do laser e a potência que ele entregava para criar três condições de energia distintas. A configuração de energia mais baixa foi a linha de base, enquanto as outras duas configurações forneceram significativamente mais calor. Eles também imprimiram titânio puro sob os níveis de energia mais baixo e mais alto para ver como os elementos de liga alteravam especificamente o comportamento do metal em comparação ao titânio puro. Após a impressão, eles examinaram as amostras sob microscópios poderosos e as testaram em uma solução de água salgada para medir quão bem resistiam à ferrugem.

O que descobriram foi que a quantidade de energia usada fez uma diferença dramática na arquitetura interna do metal. No nível de energia mais baixo, o metal não estava perfeitamente misturado. O microscópio revelou que algumas das partículas originais de pó de titânio não haviam derretido completamente, e o cobre e o silício não haviam se espalhado uniformemente por todo o material. Em vez disso, esses elementos haviam se agrupado em regiões separadas, criando um mosaico de diferentes composições. Essa irregularidade é problemática porque diferentes partes do metal podem reagir de forma diferente à água e ao sal, levando à corrosão localizada. No entanto, quando os pesquisadores aumentaram a densidade de energia, o metal tornou-se muito mais uniforme. O calor mais alto permitiu que as partículas de pó derretessem completamente e deu aos átomos de cobre e silício tempo suficiente para se espalharem uniformemente, eliminando os aglomerados e criando uma mistura homogênea.

Essa mudança na mistura também transformou a forma e o tamanho dos grãos do metal, que são os minúsculos cristais que compõem o metal sólido. Nas amostras de baixa energia, os grãos eram grandes e esticados em colunas longas. À medida que a energia aumentava, essas colunas se quebravam em grãos menores e mais arredondados que se distribuíam uniformemente por todo o material. O tamanho médio desses grãos encolheu significativamente, caindo de quase cinco micrômetros na amostra de baixa energia para menos de dois micrômetros na amostra de alta energia. Este refinamento é importante porque grãos menores e mais uniformes geralmente tornam um metal mais forte e mais resistente a danos.

O estudo também observou as diferentes fases, ou estados, do metal que se formaram durante o resfriamento. O titânio pode existir em diferentes formas estruturais dependendo de quão rápido esfria. As amostras de baixa energia, que esfriaram muito rapidamente, continham uma grande quantidade de uma fase de não-equilíbrio que é rica em cobre e silício dissolvidos, mas é estruturalmente instável. Esta fase tende a ser mais reativa e propensa à corrosão. Em contraste, as amostras de alta energia esfriaram mais lentamente, permitindo que o cobre e o silício se assentassem em um arranjo mais estável. Isso resultou em uma proporção maior de uma fase estável que é naturalmente mais resistente à corrosão. Os pesquisadores mediram a tensão interna dentro da rede cristalina do metal e descobriram que as amostras de alta energia tinham muito menos tensão interna, indicando uma estrutura mais relaxada e estável.

Quando essas amostras foram testadas em água salgada, a diferença em seu desempenho foi clara. As amostras impressas com a densidade de energia mais alta mostraram uma capacidade muito maior de resistir à corrosão. Seu potencial de corrosão, uma medida de quão provável é que o metal comece a enferrujar, deslocou-se para um valor mais positivo, indicando maior estabilidade. Mais importante ainda, a taxa na qual o metal corroía caiu significativamente. As amostras de alta energia perderam material a uma taxa mais de cinco vezes mais lenta do que as amostras de baixa energia. Esta melhoria estava ligada diretamente à formação de um filme protetor melhor na superfície do metal. A estrutura uniforme e as fases estáveis permitiram que uma camada de óxido fina e protetora se formasse de maneira mais eficaz, atuando como um escudo contra a água salgada.

Os pesquisadores concluíram que simplesmente aumentar a energia usada durante o processo de impressão foi suficiente para transformar as propriedades do metal. Ao fornecer calor suficiente para garantir a fusão e a mistura completas, e ao permitir uma taxa de resfriamento ligeiramente mais lenta, eles puderam eliminar os pontos fracos causados por elementos não misturados e fases instáveis. Esta abordagem não exigiu nenhum tratamento térmico adicional após a impressão, o que economiza tempo e custo. As descobertas sugerem que, ao controlar cuidadosamente a entrada de energia, os fabricantes podem produzir implantes de titânio que são não apenas fortes e antibacterianos, mas também altamente resistentes ao ambiente corrosivo do corpo humano, potencialmente levando a dispositivos médicos mais duradouros e seguros.