Designing Homogeneous Ti-Nb-Fe-Sn Titanium Alloys by PBF-LB: A Pre-Alloyed Powder Blend Strategy
本研究表明，通过将预合金母合金粉末与大层厚度、重熔以及热处理相结合，在激光粉末床熔融技术中能够有效制备出化学成分均匀、单相 Ti-Nb-Fe-Sn 合金，该合金具有可调的力学性能和低弹性模量，克服了通常与元素粉末混合相关的化学不均匀性问题。
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钛是一种医生非常喜爱的金属，常用于制造髋关节和骨螺钉等植入物，因为其强度高、重量轻，且在人体内不会生锈。然而，目前医院使用的钛合金通常过于僵硬。当僵硬的金属植入物取代具有柔韧性的骨骼时，骨骼会失去维持健康所需的应力，从而开始变薄，这种问题随着时间的推移会导致植入物松动。为了解决这个问题，科学家们开发了一种特殊的“β”钛合金，其中含有铌等元素，使金属变得更软、更具柔韧性，从而匹配人体骨骼的自然弹性。制造这些合金非常困难，因为它们需要精确混合不同的金属，而且当使用3D打印制造时，剧烈的热量有时会使混合物不均匀，在金属内部产生弱点或不想要的脆性结构。
来自巴西和捷克共和国的研究人员致力于寻找一种更好的3D打印这些柔性钛合金的方法。他们没有尝试将钛和铌的原始分离粉末熔合在一起——这个过程往往会留下未熔化的金属块——而是使用了一个更聪明的起点。他们从已经含有正确金属比例的小型预混粉末开始，将这些粉末与纯钛粉混合，以创造出四种略有不同的配方。然后，他们将这些粉末送入一台逐层熔化金属的激光打印机中。为了确保金属完美混合且没有微小的气孔，他们使用了较厚的粉末层，并在加热最终部件前让激光对每一层进行两次扫描，这种技术被称为重熔，随后在熔炉中对部件进行加热，以平滑其内部结构。
结果非常成功。经过这一细致的过程，团队发现金属完全均匀，没有未熔颗粒或化学团块的迹象。在显微镜下，该金属呈现出单一且一致的晶体结构，其晶粒大致呈圆形且大小均匀，而不是在3D打印金属中常见的长条状或锯齿状。这种均匀性至关重要，因为这意味着材料无论在何处测试，其表现都将是一致的。团队还发现，这些金属晶粒的大小并不遵循基于添加铁或铌数量的简单模式。虽然计算机模型可以预测金属如何凝固，但无法解释最终的晶粒尺寸，这取决于金属在冷却和加热过程中发生的化学成分暂时变化，就像一场研究人员仍在努力理解的复杂的原子之舞。
当他们测试这些新合金的强度和刚度时，发现了一个明显的趋势。含铁量最高且含铌量最低的金属最硬、强度最高，而含铌量最高且不含铁的版本则最软、最具柔韧性。最强的合金在弯曲前能承受近700兆帕的压力，而最柔韧的一个则在约470兆帕时保持稳固。它们的刚度（以杨氏模量衡量）在63到81吉帕之间，这显著低于传统的钛植入物，并且更接近人体骨骼的刚度。研究人员得出结论，通过使用预混粉末和双重熔化策略，他们可以可靠地制造出这些先进合金，其性能可以通过改变配方来进行调节，为制造更好、更持久的医疗植入物提供了一条充满希望的路径。
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