Studio di materiali nanostrutturati per applicazioni nel campo biomedico

Abstract The study of materials plays an important role in modern society for its great impact in all human activities. In particular, the nanostructured materials arouse nowadays a great interest both from the point of view of basic research and of applicative field. The aim of this PhD thesis was the study of metal alloys for applications in the biomedical field. In particular alloys of Co-Cr-Mo-W and Ti-6Al-4V, were used to make samples through technical Additive Manufacturing (AM) of type DMLS (Direct Metal Laser Sintering). This technique consists in the production of objects starting from powders of special metal alloys by fusion effected by a high-power laser beam that, layer after layer, constructs the object whose geometric shapes are described in a CAD file. The specimens obtained were studied both in their mechanical properties and in their nanostructural properties. These properties have been studied both on simply sintered samples and after heat treatment following the sintering. Roughness and hardness measurements were performed together with tensile and bending tests to evaluate the mechanical properties. X-ray diffraction, electron microscopy (SEM, TEM, STEM, HRTEM) and microanalysis (EDX) techniques were used for investigate the nanostructure. The analysis showed that for the alloy Co-Cr-Mo-W there is a transformation, induced by the production process DMLS, that brings the initial powder, essentially consisting of γ-Co phase (face-centered cubic), at the sintered sample in which there is also the presence of ε-Co phase (hexagonal) in the form of lamellae inserted in the γ-Co matrix. This configuration is responsible for the high tensile strength (UTS) and hardness of the sintered samples. After heat treatment, it was found an increase of the volumetric fraction of the ε-Co phase, which slightly modifies the average size of the lamellae. Also after heat treatment a significant increase in UTS and hardness, and a strong reduction of the ductility was found. The ductility reduction is attributed to a massive precipitation of a probable compound Co3(Mo,W)2Si with hexagonal phase and the simultaneous formation of inclusions rich in Si. For Ti-6Al-4V samples, built in different orientations, a low porosity and high mechanical properties regardless of orientation were found. The analysis showed a martensitic Ti α'-phase (hexagonal) after the first relaxation treatment of efforts, while the thermal cycle induces a stable phase (α + β)-Ti, with the β-Ti (cubic phase) growing at the α-Ti edge-grain. The mechanical properties remain very good. The quantitative analysis on the volume fraction α/β was obtained by different characterization tools. The comparison between the mechanical properties and nanostructural details suggests possible innovative applications of the DMLS technology for the production of mechanical parts in the medical and dental fields.

Abstract Lo studio dei materiali riveste un ruolo di primaria importanza nella società moderna per il suo grande impatto in tutte le attività umane. In particolare i materiali nanostrutturati suscitano al giorno d’oggi un grande interesse sia dal punto di vista della ricerca di base che in ambito applicativo. Scopo di questa tesi di Dottorato è stato lo studio di leghe metalliche per applicazioni nel campo biomedico, in particolare leghe di Co–Cr–Mo–W e Ti-6Al-4V, usate per costruire provini tramite la tecnica Additive Manufacturing (AM) di tipo DMLS (Sinterizzazione Diretta di Metalli mediante Laser), che consiste nella produzione di oggetti a partire da polveri di particolari leghe metalliche tramite fusione operata da un raggio laser ad alta potenza che, strato dopo strato, costruisce l’oggetto le cui forme geometriche sono descritte in un file CAD. I provini ottenuti sono stati studiati sia nelle loro proprietà meccaniche sia nelle loro proprietà nanostrutturali e queste proprietà sono state studiate sia sui campioni semplicemente sinterizzati sia dopo trattamento termico seguito alla sinterizzazione. Sono state eseguite misure di rugosità e durezza ed anche test di trazione e flessione per testare le proprietà meccaniche, mentre la diffrazione di raggi X, la microscopia elettronica (SEM, TEM, STEM, HRTEM) e la microanalisi (EDX) sono state usate per investigare la nanostruttura. La caratterizzazione ha mostrato che per la lega Co–Cr–Mo–W si ha una trasformazione, indotta dal processo di produzione DMLS, che porta la polvere iniziale, essenzialmente costituita da fase γ-Co (cubica a facce centrate), al campione sinterizzato in cui vi è la presenza anche di fase ε-Co (esagonale) in forma di lamelle inserite nella matrice γ-Co. Tale configurazione è responsabile dell’alta resistenza a trazione (UTS) e durezza dei campioni sinterizzati. Dopo il trattamento termico si è riscontrato un aumento della frazione volumica della fase ε-Co, che modifica leggermente la dimensione media delle formazioni lamellari, inoltre dopo il trattamento termico si ha un sensibile aumento di UTS e durezza ed una forte riduzione della duttilità. Quest’ultima è attribuita ad una massiccia precipitazione di un probabile composto Co3(Mo,W)2Si con fase esagonale e alla contemporanea formazione di inclusioni ricche in Si. Per i campioni in lega di Ti-6Al-4V, costruiti in diverse orientazioni, è stata riscontrata una bassa porosità ed alte proprietà meccaniche indipendentemente dalle orientazioni. La caratterizzazione ha mostrato una fase martensitica α’-Ti (esagonale) dopo il primo trattamento di rilassamento degli sforzi, mentre il ciclo termico induce una fase stabile (α+β)-Ti, con la fase β-Ti (cubica) che cresce al bordo-grano della α-Ti, ma le proprietà meccaniche restano comunque molto buone. L’analisi quantitativa sulla frazione volumetrica α/β, ottenuta dagli strumenti di caratterizzazione, è stata inoltre confrontata con i risultati ottenuti per via grafica con l’applicazione software ImageJ, ottenendo un buon accordo. Il confronto tra i test meccanici e la caratterizzazione nanostrutturale suggerisce possibili applicazioni innovative della tecnologia DMLS per la produzione di parti meccaniche in campo medico/odontoiatrico.