Nueva aleación metálica podría utilizarse en implantes ortopédicos y componentes de aeronaves

Una estructura multicapa basada en titanio e impresa en 3D combina dos propiedades generalmente contradictorias: resistencia y ductilidad

Por José Tadeu Arantes  |  Agência FAPESP – Investigadores de la Facultad de Ingeniería Mecánica de la Universidad Estatal de Campinas (FEM-Unicamp), en el estado de São Paulo (Brasil), desarrollaron un material metálico multicapa, producido mediante manufactura aditiva, capaz de combinar alta resistencia mecánica y buena ductilidad, dos propiedades difíciles de conciliar en las aleaciones metálicas estructurales. Sus posibles aplicaciones van desde prótesis hasta componentes estructurales para aeronaves.

El estudio, publicado en la revista Additive Manufacturing, demuestra que es posible modular diversos parámetros mediante la alternancia controlada de capas de dos aleaciones distintas de titanio. El material fue fabricado utilizando una impresora 3D computarizada especialmente modificada para esta tarea, capaz de producir capas de espesor micrométrico mediante fusión por láser sobre lecho de polvo. El trabajo fue coordinado por Rubens Caram Junior, profesor titular de la FEM-Unicamp. “La idea fue combinar una aleación muy resistente con otra más dúctil, de modo que el conjunto presentara un equilibrio ajustable entre estas propiedades”, afirma el investigador.

La investigación contó con diversos apoyos de la FAPESP (procesos 18/18293-8, 23/13947-8, 22/10049-6, 21/06156-9, 24/13761-4 y 22/10350-8) y utilizó la infraestructura del Laboratorio Nacional de Nanotecnología del Centro Nacional de Investigación en Energía y Materiales (LNNano-CNPEM).

En ingeniería de materiales, aumentar la resistencia mecánica normalmente implica reducir la ductilidad, es decir, la capacidad del material para deformarse plásticamente antes de fracturarse. Este comportamiento, conocido como la “paradoja resistencia-ductilidad”, limita seriamente las aplicaciones. “En un material único, cuando aumenta la resistencia mecánica, disminuye la ductilidad. Y esto constituye un gran problema, porque la ductilidad es fundamental para absorber energía antes de la fractura. De lo contrario, el material puede romperse de forma abrupta”, explica el investigador. La alternancia controlada de capas diferentes, una más resistente y otra más dúctil, permitió resolver este problema.

La estrategia adoptada consistió en combinar dos aleaciones metaestables de titanio: una de alta resistencia, sensible a tratamientos térmicos y ampliamente utilizada en aplicaciones aeroespaciales, que incorpora aluminio (Al), molibdeno (Mo), vanadio (V) y cromo (Cr), dando lugar a la aleación Ti-5Al-5Mo-5V-3Cr o, simplemente, Ti-5553; y una aleación que contiene niobio (Nb), con elevada ductilidad y empleada en biomateriales, la Ti-42Nb.

La aleación Ti-5553 puede alcanzar una resistencia superior a 1.200 megapascales (MPa). El pascal (Pa) es la unidad estándar de presión del Sistema Internacional (SI), definida como 1 newton por metro cuadrado (1 N/m²). Su nombre rinde homenaje al físico, matemático y filósofo francés Blaise Pascal (1623-1662).

La Ti-42Nb presenta un bajo módulo elástico y una mayor capacidad de deformación.

“La aleación Ti-5553 es extremadamente sensible a los tratamientos térmicos. Sin tratamiento, puede presentar una resistencia de alrededor de 600 MPa. Después de un tratamiento térmico adecuado, puede superar los 1.200 MPa. Sin embargo, cuanto más resistente se vuelve, menos dúctil es. En cambio, la aleación Ti-42Nb mantiene una mayor ductilidad y presenta un módulo de elasticidad reducido”, explica Caram.

El “módulo elástico” (o “módulo de elasticidad”) es una magnitud física que mide la rigidez de un material, es decir, cuánto se deforma elásticamente cuando se le aplica una fuerza. En términos simples, es la relación entre la tensión aplicada y la deformación producida. Un valor elevado de esta relación indica que es necesario aplicar mucha fuerza para deformar el material, como ocurre con materiales rígidos, por ejemplo, el acero. En cambio, un valor bajo indica que el material puede deformarse con fuerzas mucho menores, como sucede con el caucho, entre otros.

La heteroestructura fue producida mediante una técnica denominada Powder Bed Fusion – Laser Beam (PBF-LB), en la que diminutas partículas esféricas de polvo metálico se depositan sobre un sustrato, se nivelan mediante un distribuidor de polvo y se funden selectivamente mediante un haz láser.

Un importante diferencial del estudio fue la modificación de un equipo nacional de manufactura aditiva, al que se incorporaron dos depósitos independientes de polvo, lo que permitió alternar automáticamente el suministro de las aleaciones durante el proceso de fabricación.

La impresora 3D adaptada para el estudio (imagen: Rubens Caram Junior/FEM-Unicamp)

“Desarrollamos un dispositivo que permite cambiar la composición en cada capa. Las máquinas tradicionales no permiten esta alternancia controlada”, subraya Caram. En el estudio se produjeron capas alternadas de aproximadamente 300 micrómetros, claramente identificadas mediante microscopía electrónica.

Uno de los hallazgos relevantes fue la interrupción del “crecimiento epitaxial continuo” entre capas. Este fenómeno ocurre durante la deposición de un material sobre un sustrato de manera que la capa depositada mantiene la misma orientación cristalográfica del material base. En otras palabras, el nuevo cristal crece “copiando” la orientación cristalográfica del cristal inferior. En el estudio, la alternancia de materiales interrumpió este crecimiento epitaxial continuo, evitando el inconveniente de la anisotropía mecánica. Un material anisotrópico no se comporta de la misma manera cuando se estira, comprime o dobla en distintas direcciones. En cambio, los materiales isotrópicos presentan propiedades uniformes en todas las direcciones.

Incluso en la condición inicial, sin tratamiento térmico, el nuevo material mostró un desempeño sobresaliente, con una resistencia a la tracción del orden de 800 MPa y un alargamiento superior al 10 %. Los tratamientos térmicos seguidos de envejecimiento permitieron modular las propiedades y mejorar aún más sus características.

“Lo que ocurre es una modificación de la microestructura interna. Al elevar la temperatura y controlar el enfriamiento, aumentamos significativamente la resistencia de las capas de Ti-5553 y, en consecuencia, incrementamos también de manera considerable la resistencia de toda la heteroestructura”, comenta el investigador.

Aplicaciones

La aleación Ti-5553 ya se utiliza en los trenes de aterrizaje de aeronaves comerciales. Según Caram, la sustitución del acero por titanio puede reducir el peso de la aeronave en varios cientos de kilogramos, lo que permite transportar una mayor carga útil. Esto se debe a que la densidad del titanio (≈4,5 g/cm³) es mucho menor que la del acero (≈8 g/cm³).

En el ámbito médico, el bajo módulo elástico resulta fundamental. “Si se coloca una varilla muy rígida en el fémur, el hueso deja de deformarse elásticamente cuando está sometido a esfuerzos mecánicos. Esto puede inducir la reabsorción ósea. Por eso buscamos aleaciones con un módulo de elasticidad más bajo”, afirma Caram.

La posibilidad a futuro es fabricar vástagos femorales para prótesis de cadera con una variación gradual de composición y rigidez (módulo de elasticidad) a lo largo de la pieza: más rígidos en la región superior y más flexibles en la inferior. “Hoy en día estos vástagos están constituidos por un solo tipo de material, con un comportamiento mecánico uniforme. Nuestra visión es fabricar un vástago con variaciones controladas de composición y, en consecuencia, de comportamiento mecánico”, prevé el investigador.

Este enfoque amplía el alcance del diseño de multimateriales estructurales producidos mediante manufactura aditiva, proporcionando directrices prácticas para el ajuste fino de las propiedades mecánicas. El concepto se aproxima al de los materiales compuestos, pero con una diferencia esencial: las heterogeneidades están constituidas por aleaciones metálicas compatibles de la misma clase, lo que evita la formación de fases intermetálicas frágiles en la interfaz.

El artículo Tailoring strength and ductility in Ti-5553/Ti-42Nb layered heterostructures produced by laser powder bed fusion puede consultarse en: sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2214860425003987.