Úspešné medicínske aplikácie zliatin NiTi závisia od prísnej kontroly celého výrobného procesu, pretože chyby sa môžu preniesť do konečného produktu. V tomto ohľade existuje niekoľko noriem vrátane ASTM F2063, ktorá nielen obmedzuje obsah kyslíka a dusíka v lekárskych zliatinách niklu a titánu na 500 častíc na milión (ppm), ale aj nikel používaný pri výrobe lekárskych vybavenie stupňa. Maximálna veľkosť inklúzií v taveninách titánových zliatin je obmedzená na 39 μm. Táto časť sa bude zaoberať rôznymi výrobnými krokmi a metódami Nitinolu, zdôrazní ich dôležitosť, ich výhody a nevýhody a ich vhodnosť na spracovanie Nitinolu lekárskej kvality.
01. Proces odlievania/tavenia
Vďaka vysokému obsahu titánu je roztavený nitinol vysoko reaktívny a musí byť spracovaný vo vákuu. Procesy odlievania sú najbežnejšie na výrobu zliatin NiTi a zahŕňajú vákuové indukčné tavenie (VIM), pretavenie vákuovým oblúkom (VAR), tavenie elektrónovým lúčom a tavenie plazmovým oblúkom (PAM). Spomedzi týchto štyroch metód sú zliatiny niklu a titánu vyrábané hlavne viacerými VAR alebo VIM a potom VAR. Táto časť stručne popisuje tieto metódy, zatiaľ čo Tabuľka 1 zdôrazňuje ich výhody a obmedzenia. Okrem toho, ako je uvedené v tabuľke 2, keďže ide o prehľad zliatin NiTi na použitie v medicínskej kvalite, vykonala sa aj analýza vhodnosti na základe citlivosti na uhlík a kyslík, rovnomernosti a chemického zloženia, pretože tieto faktory by mohli ovplyvniť kvalitu zliatiny. a tým aj jeho výkon.
Tabuľka 1. Výhody a obmedzenia výrobných metód odlievania/tavenia Nitinolu.
Tabuľka2. Porovnanie metód založených na vhodnosti spracovania zliatin NiTi pre medicínske aplikácie.
01.1. Vákuové indukčné tavenie (VIM)
VIM pozostáva z roztaveného grafitového téglika umiestneného v oceľovom plášti a napojenej na vákuum. Keď sa do grafitového téglika a kovových náplní zavádzajú vírivé prúdy, vytvárajú sa elektrodynamické sily, ktoré napomáhajú miešaniu a miešaniu taveniny. VIM je najpoužívanejší proces na komerčnú výrobu zliatin NiTi. V porovnaní s inými procesmi vákuového tavenia poskytuje väčšiu flexibilitu a lepšiu kontrolu rovnomernosti a zloženia zliatiny prostredníctvom nezávislého riadenia času, tlaku, teploty a prenosu hmoty prostredníctvom miešania taveniny. Keďže sa však používajú grafitové tégliky, sú náchylné na kontamináciu uhlíkom. Typické úrovne uhlíkových nečistôt sú medzi 300 a 700 ppm, hoci pri starostlivej kontrole sú možné ingoty s hladinami uhlíka medzi 200 a 500 ppm.
01.2. Vákuové oblúkové pretavovanie (VAR)
Pri vákuovom oblúkovom pretavovaní sa tavné alebo nekonzumovateľné elektródy kontinuálne pretavujú pomocou oblúka vo vákuovom prostredí. VAR melting produkuje zliatiny extrémne vysokej čistoty, a preto ich možno použiť na zlepšenie čistoty a štruktúry ingotov VIM. Celý ingot sa však neroztaví súčasne a na dosiahnutie požadovanej rovnomernosti môže byť potrebných viacero tavení.
01.3. Tavenie plazmového oblúka (PAM)
Pri procese tavenia plazmovým oblúkom sa vstupný elementárny kov umiestni do medeného vodou chladeného kryštalizátora a potom sa špirálou dopraví pod argónový plazmový horák. Táto metóda eliminuje kontamináciu spôsobenú použitím téglikov vákuovej indukčnej pece. Preto zliatina niklu a titánu vyrábaná spoločnosťou PAM Company má vyššiu čistotu a lepšiu odolnosť proti korózii ako zliatina niklu a titánu vyrábaná spoločnosťou VIM Company. Má tiež oveľa menšie inklúzie, ako je znázornené na obrázku 3. Má však nižšiu rovnomernosť a na dosiahnutie podobnej jednotnosti ako VIM vyžaduje viacero horákov PAM.
Obrázok 3. Snímky PAM (a) a VIM (b) SEM za tepla valcovaných a úplne žíhaných tyčí Ni50.8Ti49.2. Šípka ukazuje na typické začlenenie gr4.
01.4. Tavenie elektrónového lúča
Pri tejto metóde sa okrúhly ingot pripravený vo vákuovej indukčnej peci taví elektronickým ohrevom s oveľa vyšším vákuom (10^(-2) Pa) ako VIM (10 Pa). V spojení s absenciou téglika je eliminované riziko ďalšej kontaminácie uhlíkom a kvalita taveniny závisí od kvality ingotu. EBM je vysoko čistý s obsahom kyslíka len 70 ppm (4-10-krát nižší ako VIM).
01.5. Zhrnutie procesu tavenia
Počas procesu tavenia je potrebné venovať veľkú pozornosť tomu, aby sa minimalizovali faktory, ako sú inklúzie a vysoký obsah uhlíka/kyslíka, ktoré môžu negatívne ovplyvniť zliatinu. Štúdie napríklad zistili, že prítomnosť inklúzií nielen negatívne ovplyvňuje konečný produkt, ale môže ovplyvniť aj proces obrábania. Štúdie napríklad ukázali, že inklúzie môžu viesť k kratšej životnosti nástroja pri sústružení zliatin NiTi v porovnaní so zliatinami bez inklúzií. Je dobre známe, že nekovové inklúzie, ako sú karbidy (TiC) a intermetalické oxidy (Ti4Ni2Ox), môžu spôsobiť únavové poruchy pri vstupe do zdravotníckych pomôcok zo zliatiny NiTi počas procesu tavenia. Inklúzie tiež ovplyvňujú náchylnosť elektrolyticky leštených zliatin NiTi na bodovú koróziu, pričom veľkosť inklúzií má väčší vplyv ako počet inklúzií.
02.Proces práškovej metalurgie (PM)
Procesy práškovej metalurgie zahŕňajú tradičné metalurgické procesy a procesy aditívnej výroby (AM). Tradičné procesy práškovej metalurgie zahŕňajú konvenčné spekanie (CS), izostatické lisovanie za tepla (HIS), iskrové plazmové spekanie (SPS), vstrekovanie kovov (MIM) a samovoľnú vysokoteplotnú syntézu (SHS). Na druhej strane procesy aditívnej výroby PM zahŕňajú selektívne laserové tavenie (SLM), laserom upravené tvarovanie siete (LENS), tavenie elektrónovým lúčom (EBM) a selektívne laserové spekanie (SLS). Výhody a obmedzenia týchto procesov sú uvedené v tabuľke 4.
Tabuľka 4. Výhody a obmedzenia metód výroby zliatiny NiTi práškovou metalurgiou.
Aj keď je proces odlievania populárnejší na výrobu zliatin niklu a titánu, najmä pre medicínske aplikácie, prášková metalurgia dokázala, že má potenciál konkurovať alebo dokonca prekonať odlievanie v niektorých oblastiach, vrátane tých, kde nedochádza k segregácii. Vyššie zloženie zliatin sa získa pri nižších teplotách, čo vedie k izotropným fyzikálnym a mechanickým vlastnostiam. V skutočnosti rýchle tuhnutie (RS) spojené s práškovou metalurgiou niekedy zlepšuje fyzikálne a mechanické vlastnosti. To je veľmi dôležité, pretože to má dominový efekt. Napríklad rovnomerná a jemná mikroštruktúra zlepšuje vlastnosti obrábania, zatiaľ čo ťažnosť poskytovaná práškovou metalurgiou zlepšuje vlastnosti spracovania za studena a za tepla, ako je valcovanie, vytláčanie a kovanie. Všeobecne povedané, zlepšenia vlastností materiálov ovplyvnia životnosť produktu. Aby sa zlepšila rovnomernosť zliatiny, spekanie zliatinového prášku je populárnejšie ako spekanie surového kovového prášku. Prášková metalurgia sa môže použiť aj na riadenie teplôt fázového prechodu.
Komerčne sa PM používa na výrobu poréznych zliatin NiTi. V tomto smere rôzne metódy ako HIP, MIM a SHS spĺňajú hlavné predpoklady pre porézne NiTi implantáty. Tieto požiadavky zahŕňajú: otvorenú a prepojenú pórovitosť medzi 30 % a 80 %, veľkosť pórov medzi 100 μm a 600 μm, vysokú pevnosť (najmenej 100 MPa pri 2 % deformácii), nízky Youngov modul (Youngov modul blízky modulu spongióznej kosti (<3 GPa) or cortical bone (10-20 GPa)) and high recovery strain (more than 2% recovery after 8% loading).
Existujú však určité problémy, ktoré bránia plnému využitiu medicínskych materiálov z práškovej metalurgie zliatiny niklu a titánu. Po prvé, kontrola kyslíka je vážnou výzvou, pretože typické časti NiTi z práškovej metalurgie majú hladiny kyslíka až 3000 ppm. Hoci sa pri opatrnom zaobchádzaní dá znížiť na 1 500 ppm, vplyv tejto hladiny kyslíka na ťažnosť a únavu je stále problémom. Okrem toho, kvôli veľkej exponovanej ploche vytvorenej vysokou pórovitosťou, je vylúhovanie niklu vážnym problémom kvôli jeho schopnosti spôsobiť škodlivé účinky, ako je alergia na bunky, genotoxicita a cytotoxicita. Okrem toho póry nielen znižujú odolnosť NiTi proti korózii, ale ovplyvňujú aj uvoľňovanie niklu, ktoré je o dva rády vyššie v neupravenom poréznom NiTi vyrobenom s SHS ako v pevnom NiTi.
Okrem toho spekané zliatiny produkujú zliatiny s vyšším obsahom krehkých oxidov (Ti4Ni2Ox:0 < x Menšie alebo rovné 1). V neposlednom rade je proces zahusťovania prášku zliatiny Ni-Ti náročný, najmä kvôli rozdielu v difúzii medzi niklom a titánom a vysoko exotermickej reakcii tvorby zliatiny niklu a titánu a tekutému eutektickému kapilárnemu efektu Ni3Ti, Ti2Ni spôsobenému prítomnosťou.