A NiTi ötvözetek sikeres orvosi alkalmazása a teljes gyártási folyamat szigorú ellenőrzésén múlik, mivel a hibák átvihetők a végtermékre. Számos szabvány létezik e tekintetben, köztük az ASTM F2063, amely nemcsak az orvosi minőségű nikkel-titán ötvözetek oxigén- és nitrogéntartalmát korlátozza 500 ppm-re, hanem az orvosi anyagok gyártásában használt nikkelt is. fokozatú felszerelés. A titánötvözet olvadékokban a zárványok maximális mérete 39 μm. Ez a rész a Nitinol különböző gyártási lépéseit és módszereit tekinti át, kiemelve fontosságukat, előnyeiket és hátrányaikat, valamint az orvosi minőségű Nitinol feldolgozására való alkalmasságukat.
01. Öntési/olvasztási folyamat
Magas titántartalma miatt az olvadt nitinol nagyon reaktív, ezért vákuumban kell feldolgozni. Az öntési eljárások a legelterjedtebbek a NiTi-ötvözetek gyártásakor, és magukban foglalják a vákuum-indukciós olvasztást (VIM), a vákuumíves újraolvasztást (VAR), az elektronsugaras olvasztást és a plazmaív-olvasztást (PAM). E négy módszer közül a nikkel-titán ötvözeteket elsősorban több VAR vagy VIM, majd VAR gyártja. Ez a rész röviden tárgyalja ezeket a módszereket, míg az 1. táblázat kiemeli előnyeiket és korlátaikat. Ezen túlmenően, a 2. táblázatban látható módon, mivel ez az orvosi felhasználásra szánt NiTi ötvözetek áttekintése, az alkalmassági elemzést a szén- és oxigénérzékenység, az egyenletesség és a kémiai összetétel alapján is elvégezték, mivel ezek a tényezők befolyásolják az ötvözet minőségét. és így a teljesítménye.
1. táblázat: A nitinol öntési/olvasztási gyártási módszerek előnyei és korlátai.
2. táblázat. A NiTi ötvözetek orvosi felhasználásra való feldolgozására való alkalmasságán alapuló módszerek összehasonlítása.
01.1. Vákuumos indukciós olvasztás (VIM)
A VIM egy olvadt grafittégelyből áll, amely acélhéjban van elhelyezve, és vákuumhoz van csatlakoztatva. Amikor örvényáramot vezetnek be a grafittégelybe és fémtöltésekbe, elektrodinamikus erők keletkeznek, amelyek elősegítik az olvadék keveredését. A VIM a NiTi ötvözetek kereskedelmi gyártásának legszélesebb körben használt eljárása. Más vákuumos olvasztási eljárásokkal összehasonlítva nagyobb rugalmasságot, valamint az egyenletesség és az ötvözet összetételének jobb szabályozását biztosítja az idő, a nyomás, a hőmérséklet és az ömledékkeveréssel történő tömegátadás független szabályozásával. Mivel azonban grafittégelyeket használnak, ezek érzékenyek a szénszennyezésre. A tipikus szénszennyeződési szint 300 és 700 ppm között van, bár gondos ellenőrzés mellett 200 és 500 ppm közötti széntartalmú tuskó is lehetséges.
01.2. Vákuumos ív újraolvasztás (VAR)
A vákuumíves újraolvasztás során az elhasználható vagy nem fogyó elektródákat folyamatosan újraolvasztják ív segítségével vákuum környezetben. A VAR olvasztása rendkívül nagy tisztaságú ötvözetek előállítását teszi lehetővé, ezért felhasználható a VIM tuskók tisztaságának és szerkezetének javítására. A teljes tuskó azonban nem olvad meg egyszerre, és több ömledékre is szükség lehet a kívánt egyenletesség eléréséhez.
01.3. Plazmaív olvadás (PAM)
A plazmaív olvasztási eljárása során a bevitt elemi fémet egy rézzel hűtött kristályosítóba helyezik, majd az argon plazmaégő alatti spirál segítségével továbbítják. Ez a módszer kiküszöböli a vákuum-indukciós kemencés tégelyek használata által okozott szennyeződéseket. Ezért a PAM Company által gyártott nikkel-titán ötvözet nagyobb tisztaságú és jobb a korrózióállóság, mint a VIM Company által gyártott nikkel-titán ötvözet. Sokkal kisebb zárványai is vannak, amint azt a 3. ábra mutatja. Alacsonyabb az egyenletessége, és több PAM fáklyát igényel a VIM-hez hasonló egyenletesség eléréséhez.
3. ábra PAM (a) és VIM (b) SEM képek melegen hengerelt és teljesen lágyított Ni50.8Ti49.2 rudakról. A nyíl a tipikus befoglalásra mutat gr4.
01.4. Elektronsugár olvadás
Ennél a módszernél egy vákuum-indukciós kemencében előállított kerek tuskót elektronikus melegítéssel megolvasztanak sokkal nagyobb vákuummal (10^(-2) Pa), mint a VIM-nél (10 Pa). Az olvasztótégely hiányával együtt a további szénszennyeződés veszélye kiküszöbölhető, és az olvadék minősége a tömb minőségétől függ. Az EBM rendkívül tiszta, oxigéntartalma már 70 ppm (4-10-szer alacsonyabb, mint a VIM).
01.5. Az olvadási folyamat összefoglalása
Az olvasztási folyamat során nagy gondot kell fordítani arra, hogy minimálisra csökkentsék az olyan tényezőket, mint a zárványok és a magas szén/oxigéntartalom, amelyek negatívan befolyásolhatják az ötvözetet. A tanulmányok például azt találták, hogy a zárványok jelenléte nemcsak a végterméket negatívan befolyásolja, hanem a megmunkálási folyamatot is befolyásolhatja. Például a vizsgálatok kimutatták, hogy a zárványok rövidebb szerszámélettartamhoz vezethetnek NiTi ötvözetek esztergálása során, mint a zárványmentes ötvözeteké. Köztudott, hogy a nem fémes zárványok, például a karbidok (TiC) és az intermetallikus oxidok (Ti4Ni2Ox) fáradási hibákat okozhatnak, amikor az olvasztási folyamat során NiTi ötvözetből készült orvosi eszközökbe kerülnek. A zárványok befolyásolják az elektropolírozott NiTi ötvözetek lyukkorrózióval szembeni érzékenységét is, mivel a zárványok mérete nagyobb hatással van, mint a zárványok száma.
02.Porkohászati eljárás (PM)
A porkohászati eljárások közé tartoznak a hagyományos kohászati eljárások és az additív gyártási (AM) eljárások. A hagyományos porkohászati eljárások közé tartozik a hagyományos szinterezés (CS), a forró izosztatikus préselés (HIS), a szikraplazma szinterezés (SPS), a fém fröccsöntés (MIM) és az önszaporító magas hőmérsékletű szintézis (SHS). Másrészt az additív gyártási PM eljárások közé tartozik a szelektív lézeres olvasztás (SLM), a lézeres hálóformázás (LENS), az elektronsugaras olvasztás (EBM) és a szelektív lézeres szinterezés (SLS). Ezen eljárások előnyeit és korlátait a 4. táblázat mutatja be.
4. táblázat. A porkohászat előnyei és korlátai NiTi ötvözet gyártási módszerek.
Bár az öntési eljárás népszerűbb a nikkel-titán ötvözetek előállítása során, különösen az orvosi alkalmazásokban, a porkohászat bebizonyította, hogy képes vetekedni az öntéssel, vagy akár felülmúlja is bizonyos területeken, beleértve azt is, ahol nem fordul elő szegregáció. Alacsonyabb hőmérsékleten magasabb ötvözet-összetételeket kapunk, amelyek izotróp fizikai és mechanikai tulajdonságokat eredményeznek. Valójában a porkohászathoz kapcsolódó gyors megszilárdulás (RS) néha javítja a fizikai és mechanikai tulajdonságokat. Ez nagyon fontos, mert ráütő hatása van. Például az egységes és finom mikrostruktúra javítja a megmunkálási tulajdonságokat, míg a porkohászat által biztosított hajlékonyság javítja a hideg- és melegmegmunkálási tulajdonságokat, mint például a hengerlés, extrudálás és kovácsolás. Általánosságban elmondható, hogy az anyagtulajdonságok javulása befolyásolja a termék eltarthatóságát. Az ötvözet egyenletességének javítása érdekében az ötvözetporos szinterezés népszerűbb, mint a nyers fémpor szinterezés. A porkohászat a fázisátalakulási hőmérséklet szabályozására is használható.
A PM-et kereskedelemben porózus NiTi-ötvözetek előállítására használták. Ebben a tekintetben a különböző módszerek, mint például a HIP, MIM és SHS teljesítik a porózus NiTi implantátumok fő előfeltételeit. Ezek a követelmények a következők: nyitott és összekapcsolt porozitás 30% és 80% között, pórusméret 100 μm és 600 μm között, nagy szilárdság (legalább 100 MPa 2%-os feszültségnél), alacsony Young-modulus (Young modulusa közel van a szivacsos csonthoz<3 GPa) or cortical bone (10-20 GPa)) and high recovery strain (more than 2% recovery after 8% loading).
Vannak azonban olyan problémák, amelyek akadályozzák az orvosi minőségű nikkel-titán ötvözetből készült porkohászati anyagok teljes körű hasznosítását. Először is, az oxigén szabályozása komoly kihívás, mivel a tipikus porkohászati NiTi alkatrészek oxigénszintje eléri a 3000 ppm-et. Bár gondos kezeléssel 1500 ppm-re csökkenthető, ennek az oxigénszintnek a hajlékonyságra és a fáradtságra gyakorolt hatása továbbra is aggodalomra ad okot. Ezen túlmenően a nagy porozitás által létrehozott nagy felületi felület miatt a nikkel kioldódása komoly probléma, mivel képes káros hatásokat, például sejtallergiát, genotoxicitást és citotoxicitást okozni. Ezenkívül a pórusok nemcsak a NiTi korrózióállóságát csökkentik, hanem a nikkel felszabadulását is befolyásolják, ami két nagyságrenddel magasabb az SHS-sel készült, kezeletlen porózus NiTi-ben, mint a szilárd NiTi-ben.
Ezenkívül a szinterezett ötvözetek nagyobb rideg oxidtartalmú ötvözeteket eredményeznek (Ti4Ni2Ox: 0 < x kisebb vagy egyenlő, mint 1). Végül, de nem utolsósorban a Ni-Ti ötvözetpor tömörítési folyamata nehézkes, elsősorban a nikkel és a titán diffúziós különbsége, valamint az erősen exoterm nikkel-titán ötvözet képződési reakció és a jelenlét által okozott Ni3Ti, Ti2Ni folyékony eutektikus Kapilláris hatás miatt.