Characterization of a biomedical Ti-Nb-Fe-Sn alloy prepared by additive manufacturing

Abstract

This work focuses on the preparation of titanium alloys for biomedical im- plants by selective laser melting. A Ti-20Nb-3Fe-6Sn (wt%) alloy was investi- gated, as iron and tin are cost-effective alternatives to tantalum and zirconium. The processing parameters of manufacturing were optimized to achieve a homo- geneous microstructure and low porosity. The samples were characterized by scanning electron microscopy, x-ray diffraction, porosity and microhardness mea- surements, and resonant ultrasound spectroscopy. Optimal parameters, which were determined as a scanning speed of 100 mm/s and laser power of 300 W, re- sulted in homogeneous structure with minimum porosity, around 0.4 vol.%. The elastic modulus was anisotropic and within the range of 50-80 GPa. On top of that, an additional sample was prepared under the optimized conditions to assess the mechanical properties of the alloy. The tensile test showed good mechanical properties, with a yield strength of 708 MPa and an ultimate tensile strength of 898 MPa. This supports the suitability of the selected processing parameters of selective laser melting. 35

Tato práce se zaměřuje na přípravu titanových slitin pro biomedicínské im- plantáty metodou selektivního laserového tavení. Byla zkoumána slitina Ti-20Nb- 3Fe-6Sn (hm. %), protože železo a cín jsou cenově dostupné alternativy k tantalu a zirkoniu. Procesní parametry výroby byly optimalizovány s cílem dosáhnout homogenní mikrostruktury a nízké porozity. Vzorky byly charakterizovány po- mocí rastrovací elektronové mikroskopie, rentgenové difrakce, měření porozity a mikrotvrdosti a rezonanční ultrazvukové spektroskopie. Optimální parametry, které byly stanoveny jako rychlost skenování 100 mm/s a výkon laseru 300 W, vedly k homogenní struktuře s minimální porozitou, přibližně 0,4 obj. %. Ela- stický modul byl anizotropní a v rozmezí 50-80 GPa. Kromě toho byl za optimal- izovaných podmínek připraven další vzorek za účelem posouzení mechanických vlastností slitiny. Tahová zkouška ukázala dobré mechanické vlastnosti, s mezí kluzu 708 MPa a mezí pevnosti v tahu 898 MPa. To podporuje vhodnost vy- braných procesních parametrů selektivního laserového tavení. 36