Aplikasi perubatan aloi NiTi yang berjaya bergantung pada kawalan ketat ke atas keseluruhan proses pembuatan, kerana kecacatan boleh dipindahkan ke produk akhir. Terdapat beberapa piawaian dalam hal ini, termasuk ASTM F2063, yang bukan sahaja mengehadkan kandungan oksigen dan nitrogen dalam aloi nikel-titanium gred perubatan kepada 500 bahagian per juta (ppm), tetapi juga nikel yang digunakan dalam pengeluaran perubatan- peralatan gred. Saiz maksimum kemasukan dalam aloi titanium cair dihadkan kepada 39 μm. Bahagian ini akan melihat pada langkah dan kaedah pembuatan Nitinol yang berbeza, menonjolkan kepentingannya, kelebihan dan kekurangannya, dan kesesuaiannya untuk memproses Nitinol gred perubatan.
01. Proses penuangan/peleburan
Disebabkan kandungan titaniumnya yang tinggi, nitinol cair sangat reaktif dan mesti diproses dalam vakum. Proses penuangan adalah yang paling biasa untuk pembuatan aloi NiTi dan termasuk lebur aruhan vakum (VIM), lebur semula arka vakum (VAR), lebur rasuk elektron dan lebur arka plasma (PAM). Di antara empat kaedah ini, aloi nikel-titanium terutamanya dihasilkan oleh pelbagai VAR atau VIM dahulu dan kemudian VAR. Bahagian ini membincangkan secara ringkas kaedah ini, manakala Jadual 1 menyerlahkan kelebihan dan batasannya. Selain itu, seperti yang ditunjukkan dalam Jadual 2, memandangkan ini adalah kajian semula aloi NiTi untuk aplikasi gred perubatan, analisis kesesuaian juga dilakukan berdasarkan kepekaan terhadap karbon dan oksigen, keseragaman, dan komposisi kimia, kerana faktor-faktor ini akan Mempengaruhi kualiti aloi. dan dengan itu prestasinya.
Jadual 1. Kelebihan dan had kaedah pembuatan tuangan/peleburan Nitinol.
Jadual2. Perbandingan kaedah berdasarkan kesesuaian untuk memproses aloi NiTi untuk aplikasi perubatan.
01.1. Pencairan aruhan vakum (VIM)
VIM terdiri daripada bekas grafit cair yang ditempatkan di dalam cangkerang keluli dan disambungkan kepada vakum. Apabila arus pusar dimasukkan ke dalam mangkuk grafit dan cas logam, daya elektrodinamik terhasil yang membantu dalam mengacau dan mencampurkan leburan. VIM ialah proses yang paling banyak digunakan untuk pengeluaran komersil aloi NiTi. Berbanding dengan proses lebur vakum yang lain, ia memberikan fleksibiliti yang lebih besar dan kawalan yang lebih baik terhadap keseragaman dan komposisi aloi melalui kawalan bebas terhadap masa, tekanan, suhu dan pemindahan jisim melalui kacau cair. Walau bagaimanapun, kerana bekas grafit digunakan, ia mudah terdedah kepada pencemaran karbon. Tahap kekotoran karbon biasa adalah antara 300 dan 700 ppm, walaupun dengan kawalan yang teliti, jongkong dengan paras karbon antara 200 dan 500 ppm adalah mungkin.
01.2. Pencairan semula arka vakum (VAR)
Dalam peleburan semula arka vakum, elektrod boleh habis atau tidak boleh habis dileburkan semula secara berterusan menggunakan arka dalam persekitaran vakum. Pencairan VAR menghasilkan aloi dengan ketulenan yang sangat tinggi dan oleh itu boleh digunakan untuk meningkatkan kebersihan dan struktur jongkong VIM. Walau bagaimanapun, keseluruhan jongkong tidak dicairkan secara serentak dan beberapa leburan mungkin diperlukan untuk mencapai keseragaman yang diingini.
01.3. Lebur Arka Plasma (PAM)
Dalam proses lebur arka plasma, logam unsur masukan diletakkan di dalam penghabluran sejuk air tembaga dan kemudian dihantar oleh lingkaran di bawah penunu plasma argon. Kaedah ini menghapuskan pencemaran yang disebabkan oleh penggunaan mangkuk pijar relau aruhan vakum. Oleh itu, aloi nikel-titanium yang dihasilkan oleh Syarikat PAM mempunyai ketulenan yang lebih tinggi dan rintangan kakisan yang lebih baik daripada aloi nikel-titanium yang dihasilkan oleh Syarikat VIM. Ia juga mempunyai kemasukan yang jauh lebih kecil, seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 3. Walau bagaimanapun, ia mempunyai keseragaman yang lebih rendah dan memerlukan beberapa obor PAM untuk mencapai keseragaman yang serupa dengan VIM.
Rajah 3. Imej PAM (a) dan VIM (b) SEM bagi rod Ni50.8Ti49.2 yang digelek panas dan disepuh sepenuhnya. Anak panah menunjuk kepada gr4 kemasukan biasa.
01.4. Pencairan rasuk elektron
Dalam kaedah ini, jongkong bulat yang disediakan dalam relau aruhan vakum dicairkan dengan pemanasan elektronik dengan vakum yang jauh lebih tinggi (10^(-2) Pa) daripada VIM (10 Pa). Ditambah dengan ketiadaan crucible, risiko pencemaran karbon selanjutnya dihapuskan dan kualiti cair bergantung pada kualiti jongkong. EBM sangat tulen dengan kandungan oksigen serendah 70 ppm (4-10 kali lebih rendah daripada VIM).
01.5. Ringkasan proses lebur
Semasa proses lebur, berhati-hati mesti diambil untuk memastikan faktor seperti kemasukan dan kandungan karbon/oksigen tinggi yang boleh menjejaskan aloi secara negatif diminimumkan. Sebagai contoh, kajian mendapati bahawa kehadiran kemasukan bukan sahaja memberi kesan negatif kepada produk akhir tetapi juga boleh menjejaskan proses pemesinan. Sebagai contoh, kajian telah menunjukkan bahawa kemasukan boleh membawa kepada hayat alat yang lebih pendek apabila memutar aloi NiTi berbanding aloi tanpa kemasukan. Adalah diketahui umum bahawa kemasukan bukan logam seperti karbida (TiC) dan oksida antara logam (Ti4Ni2Ox) boleh menyebabkan kegagalan keletihan apabila memasuki peranti perubatan aloi NiTi semasa proses lebur. Kemasukan juga menjejaskan kerentanan aloi NiTi yang digilap elektrik kepada kakisan pitting, dengan saiz kemasukan mempunyai kesan yang lebih besar daripada bilangan kemasukan.
02.Proses metalurgi serbuk (PM)
Proses metalurgi serbuk termasuk proses metalurgi tradisional dan proses pembuatan aditif (AM). Proses metalurgi serbuk tradisional termasuk pensinteran konvensional (CS), penekanan isostatik panas (HIS), pensinteran plasma percikan (SPS), pengacuan suntikan logam (MIM) dan sintesis suhu tinggi penyebaran sendiri (SHS). Sebaliknya, proses PM pembuatan aditif termasuk peleburan laser terpilih (SLM), pembentukan bersih kejuruteraan laser (LENS), peleburan rasuk elektron (EBM), dan pensinteran laser terpilih (SLS). Kelebihan dan had proses ini ditunjukkan dalam Jadual 4.
Jadual 4. Kelebihan dan had kaedah pembuatan aloi NiTi serbuk metalurgi.
Walaupun proses tuangan lebih popular untuk membuat aloi nikel-titanium, terutamanya untuk aplikasi perubatan, metalurgi serbuk telah membuktikan bahawa ia mempunyai potensi untuk menyaingi atau bahkan mengatasi prestasi tuangan di beberapa kawasan, termasuk di mana pengasingan tidak berlaku. Komposisi aloi yang lebih tinggi diperoleh pada suhu yang lebih rendah, menghasilkan sifat fizikal dan mekanikal isotropik. Malah, pemejalan pantas (RS) yang dikaitkan dengan metalurgi serbuk kadangkala meningkatkan sifat fizikal dan mekanikal. Ini sangat penting kerana ia mempunyai kesan ketukan. Sebagai contoh, struktur mikro yang seragam dan halus meningkatkan sifat pemesinan, manakala kemuluran yang disediakan oleh metalurgi serbuk meningkatkan sifat kerja sejuk dan panas seperti penggelek, penyemperitan dan penempaan. Secara umumnya, penambahbaikan dalam sifat bahan akan memberi kesan kepada jangka hayat produk. Untuk meningkatkan keseragaman aloi, pensinteran serbuk aloi adalah lebih popular daripada pensinteran serbuk logam mentah. Metalurgi serbuk juga boleh digunakan untuk mengawal suhu peralihan fasa.
Secara komersial, PM telah digunakan untuk menghasilkan aloi NiTi berliang. Dalam hal ini, kaedah yang berbeza seperti HIP, MIM dan SHS memenuhi prasyarat utama untuk implan NiTi berliang. Keperluan ini termasuk: keliangan terbuka dan saling berkait antara 30% dan 80%, saiz liang antara 100 μm dan 600 μm, kekuatan tinggi (sekurang-kurangnya 100 MPa pada terikan 2%), modulus Young rendah (Modulus Young hampir dengan tulang cancellous (<3 GPa) or cortical bone (10-20 GPa)) and high recovery strain (more than 2% recovery after 8% loading).
Walau bagaimanapun, terdapat beberapa masalah yang menghalang penggunaan sepenuhnya bahan metalurgi serbuk aloi nikel-titanium gred perubatan. Pertama, kawalan oksigen adalah cabaran yang serius, kerana bahagian metalurgi serbuk tipikal NiTi mempunyai tahap oksigen setinggi 3000 ppm. Walaupun ia boleh dikurangkan kepada 1500 ppm dengan pengendalian yang teliti, kesan tahap oksigen ini terhadap kemuluran dan keletihan masih menjadi kebimbangan. Tambahan pula, disebabkan oleh luas permukaan terdedah yang besar yang dihasilkan oleh keliangan yang tinggi, larut lesap nikel merupakan masalah yang serius kerana keupayaannya untuk menyebabkan kesan berbahaya seperti alahan sel, genotoksisiti, dan sitotoksisiti. Tambahan pula, liang bukan sahaja mengurangkan rintangan kakisan NiTi, tetapi juga menjejaskan pelepasan nikel, iaitu dua urutan magnitud lebih tinggi dalam NiTi berliang yang tidak dirawat yang dibuat dengan SHS berbanding NiTi pepejal.
Selain itu, aloi tersinter menghasilkan aloi dengan kandungan oksida rapuh yang lebih tinggi (Ti4Ni2Ox:0 < x Kurang daripada atau sama dengan 1). Akhir sekali, proses ketumpatan serbuk aloi Ni-Ti adalah sukar, terutamanya disebabkan oleh perbezaan difusi antara nikel dan titanium dan tindak balas pembentukan aloi nikel-titanium yang sangat eksotermik dan kesan Kapilari eutektik cecair Ni3Ti, Ti2Ni yang disebabkan oleh kehadiran.