Aplicațiile medicale de succes ale aliajelor NiTi depind de un control strict al întregului proces de fabricație, deoarece defectele pot fi transferate la produsul final. Există mai multe standarde în vigoare în acest sens, inclusiv ASTM F2063, care nu numai că limitează conținutul de oxigen și azot din aliajele de nichel-titan de calitate medicală la 500 de părți per milion (ppm), dar și nichelul utilizat în producția de produse medicale. echipamente de grad. Dimensiunea maximă a incluziunilor din aliajele de titan topite este limitată la 39 μm. Această secțiune va analiza diferitele etape și metode de fabricare a Nitinolului, evidențiind importanța acestora, avantajele și dezavantajele lor și adecvarea lor pentru procesarea Nitinolului de calitate medicală.
01.Proces de turnare/topire
Datorită conținutului său ridicat de titan, nitinolul topit este foarte reactiv și trebuie procesat în vid. Procesele de turnare sunt cele mai comune pentru fabricarea aliajelor NiTi și includ topirea prin inducție în vid (VIM), retopirea cu arc în vid (VAR), topirea cu fascicul de electroni și topirea cu arcul cu plasmă (PAM). Printre aceste patru metode, aliajele de nichel-titan sunt fabricate în principal de mai multe VAR sau VIM și apoi VAR. Această secțiune discută pe scurt aceste metode, în timp ce Tabelul 1 evidențiază avantajele și limitările acestora. În plus, așa cum se arată în Tabelul 2, deoarece aceasta este o revizuire a aliajelor NiTi pentru aplicații de calitate medicală, analiza de adecvare a fost efectuată și pe baza sensibilității la carbon și oxigen, uniformitate și compoziție chimică, deoarece acești factori ar afecta calitatea aliajului. și astfel performanța acestuia.
Tabelul 1. Avantajele și limitările metodelor de fabricație de turnare/topire a Nitinolului.
Masa 2. Comparația metodelor bazată pe adecvarea pentru prelucrarea aliajelor NiTi pentru aplicații medicale.
01.1. Topire prin inducție în vid (VIM)
VIM constă dintr-un creuzet de grafit topit găzduit într-o carcasă de oțel și conectat la un vid. Când curenții turbionari sunt introduși în creuzetul de grafit și în sarcinile metalice, sunt generate forțe electrodinamice care ajută la agitarea și amestecarea topiturii. VIM este cel mai utilizat proces pentru producția comercială de aliaje NiTi. În comparație cu alte procese de topire în vid, oferă o flexibilitate mai mare și un control mai bun al uniformității și compoziției aliajului prin controlul independent al timpului, presiunii, temperaturii și transferului de masă prin agitarea topiturii. Cu toate acestea, deoarece sunt utilizate creuzetele de grafit, acestea sunt susceptibile de contaminare cu carbon. Nivelurile tipice de impurități de carbon sunt între 300 și 700 ppm, deși, cu un control atent, sunt posibile lingouri cu niveluri de carbon între 200 și 500 ppm.
01.2. Retopirea cu arc de vid (VAR)
În retopirea cu arcul de vid, electrozii consumabili sau neconsumabili sunt continuu topiti folosind un arc într-un mediu de vid. Topirea VAR produce aliaje de puritate extrem de ridicată și, prin urmare, poate fi utilizată pentru a îmbunătăți curățenia și structura lingourilor VIM. Cu toate acestea, întregul lingou nu este topit simultan și pot fi necesare mai multe topituri pentru a obține uniformitatea dorită.
01.3. Topirea cu arc cu plasmă (PAM)
În procesul de topire cu arcul cu plasmă, metalul elementar de intrare este plasat într-un cristalizator de cupru răcit cu apă și apoi transportat printr-o spirală sub arzătorul cu plasmă cu argon. Această metodă elimină contaminarea cauzată de utilizarea creuzetelor cuptorului cu inducție în vid. Prin urmare, aliajul de nichel-titan produs de PAM Company are o puritate mai mare și o rezistență mai bună la coroziune decât aliajul de nichel-titan produs de VIM Company. Are, de asemenea, incluziuni mult mai mici, așa cum se arată în Figura 3. Cu toate acestea, are o uniformitate mai mică și necesită mai multe torțe PAM pentru a obține o uniformitate similară cu VIM.
Figura 3. Imagini SEM PAM (a) și VIM (b) ale tijelor Ni50.8Ti49.2 laminate la cald și complet recoapte. Săgeata indică includerea tipică gr4.
01.4. Topirea fasciculului de electroni
În această metodă, un lingou rotund preparat într-un cuptor cu inducție în vid este topit prin încălzire electronică cu un vid mult mai mare (10^({{1}) Pa) decât VIM (10 Pa). Împreună cu absența unui creuzet, riscul de contaminare suplimentară cu carbon este eliminat, iar calitatea topiturii depinde de calitatea lingoului. EBM este foarte pur, cu un conținut de oxigen de până la 70 ppm (4-10 ori mai mic decât VIM).
01.5. Rezumatul procesului de topire
În timpul procesului de topire, trebuie avută mare grijă pentru a se asigura că factorii precum incluziunile și conținutul ridicat de carbon/oxigen care pot afecta negativ aliajul sunt minimizați. De exemplu, studiile au descoperit că prezența incluziunilor nu numai că afectează negativ produsul final, ci poate afecta și procesul de prelucrare. De exemplu, studiile au arătat că incluziunile pot duce la o durată de viață mai scurtă a sculei la strunjirea aliajelor NiTi, comparativ cu aliajele fără incluziuni. Este bine cunoscut faptul că incluziunile nemetalice precum carburile (TiC) și oxizii intermetalici (Ti4Ni2Ox) pot cauza defecțiuni la oboseală atunci când intră în dispozitivele medicale din aliaj NiTi în timpul procesului de topire. Incluziunile afectează, de asemenea, susceptibilitatea aliajelor NiTi electrolulate la coroziune prin pitting, dimensiunea incluziunilor având un impact mai mare decât numărul de incluziuni.
02.Procesul de metalurgie a pulberilor (PM)
Procesele de metalurgie a pulberilor includ procesele metalurgice tradiționale și procesele de fabricație aditivă (AM). Procesele tradiționale de metalurgie a pulberilor includ sinterizarea convențională (CS), presarea izostatică la cald (HIS), sinterizarea cu plasmă cu scânteie (SPS), turnarea prin injecție de metal (MIM) și sinteza cu autopropagare la temperatură înaltă (SHS). Pe de altă parte, procesele PM de fabricație aditivă includ topirea selectivă cu laser (SLM), modelarea rețelelor proiectate cu laser (LENS), topirea cu fascicul de electroni (EBM) și sinterizarea selectivă cu laser (SLS). Avantajele și limitările acestor procese sunt prezentate în Tabelul 4.
Tabel 4. Avantajele și limitările metodelor de fabricație ale aliajelor NiTi din metalurgia pulberilor.
Deși procesul de turnare este mai popular pentru fabricarea aliajelor de nichel-titan, în special pentru aplicații medicale, metalurgia pulberilor a dovedit că are potențialul de a rivaliza sau chiar de a depăși turnarea în unele zone, inclusiv acolo unde nu are loc segregarea. Compozițiile de aliaje mai înalte sunt obținute la temperaturi mai scăzute, rezultând proprietăți fizice și mecanice izotrope. De fapt, solidificarea rapidă (RS) asociată cu metalurgia pulberilor îmbunătățește uneori proprietățile fizice și mecanice. Acest lucru este foarte important pentru că are un efect de dobândă. De exemplu, o microstructură uniformă și fină îmbunătățește proprietățile de prelucrare, în timp ce ductilitatea oferită de metalurgia pulberilor îmbunătățește proprietățile de lucru la rece și la cald, cum ar fi laminarea, extrudarea și forjarea. În general, îmbunătățirea proprietăților materialelor va afecta durata de valabilitate a produsului. Pentru a îmbunătăți uniformitatea aliajului, sinterizarea cu pulbere de aliaj este mai populară decât sinterizarea cu pulbere de metal brut. Metalurgia pulberilor poate fi folosită și pentru a controla temperaturile de tranziție de fază.
Comercial, PM a fost folosit pentru a produce aliaje poroase NiTi. În acest sens, diferite metode precum HIP, MIM și SHS îndeplinesc principalele premise pentru implanturile NiTi poroase. Aceste cerințe includ: porozitate deschisă și interconectată între 30% și 80%, dimensiunea porilor între 100 μm și 600 μm, rezistență ridicată (cel puțin 100 MPa la 2% deformare), modul Young scăzut (modulul Young apropiat de cel al osului spongios (<3 GPa) or cortical bone (10-20 GPa)) and high recovery strain (more than 2% recovery after 8% loading).
Cu toate acestea, există unele probleme care împiedică utilizarea completă a materialelor de metalurgie a pulberilor din aliaj de nichel-titan de calitate medicală. În primul rând, controlul oxigenului este o provocare serioasă, deoarece piesele tipice din NiTi din metalurgia pulberilor au niveluri de oxigen de până la 3000 ppm. Deși poate fi redusă la 1500 ppm cu o manipulare atentă, impactul acestui nivel de oxigen asupra ductilității și oboselii este încă o preocupare. În plus, datorită suprafeței expuse mari create de porozitatea ridicată, leșierea nichelului este o problemă serioasă datorită capacității sale de a provoca efecte dăunătoare, cum ar fi alergia celulară, genotoxicitatea și citotoxicitatea. În plus, porii nu numai că reduc rezistența la coroziune a NiTi-ului, dar afectează și eliberarea de nichel, care este cu două ordine de mărime mai mare în NiTi poros netratat făcut cu SHS decât în NiTi solid.
În plus, aliajele sinterizate produc aliaje cu un conținut mai mare de oxizi fragili (Ti4Ni2Ox:0 < x Mai mic sau egal cu 1). Nu în ultimul rând, procesul de densificare a pulberii de aliaj Ni-Ti este dificil, în principal din cauza diferenței de difuzivitate dintre nichel și titan și a reacției de formare a aliajului de nichel-titan extrem de exotermic și a efectului capilar eutectic lichid Ni3Ti, Ti2Ni cauzat de prezență.