Uspešna medicinska uporaba zlitin NiTi je odvisna od strogega nadzora celotnega proizvodnega procesa, saj se napake lahko prenesejo na končni izdelek. V zvezi s tem obstaja več standardov, vključno z ASTM F2063, ki ne omejuje le vsebnosti kisika in dušika v medicinskih zlitinah niklja in titana na 500 delcev na milijon (ppm), temveč tudi nikelj, ki se uporablja v proizvodnji medicinskih razred opreme. Največja velikost vključkov v talinah titanovih zlitin je omejena na 39 μm. V tem razdelku si bomo ogledali različne korake in metode izdelave Nitinola ter poudarili njihov pomen, prednosti in slabosti ter primernost za predelavo Nitinola medicinske kakovosti.
01. Postopek litja/taljenja
Zaradi visoke vsebnosti titana je staljeni nitinol zelo reaktiven in ga je treba obdelati v vakuumu. Postopki litja so najpogostejši za proizvodnjo NiTi zlitin in vključujejo vakuumsko indukcijsko taljenje (VIM), vakuumsko obločno pretaljevanje (VAR), taljenje z elektronskim žarkom in plazemsko obločno taljenje (PAM). Med temi štirimi metodami se zlitine niklja in titana večinoma izdelujejo najprej z več VAR ali VIM in nato z VAR. Ta razdelek na kratko obravnava te metode, tabela 1 pa poudarja njihove prednosti in omejitve. Poleg tega, kot je prikazano v tabeli 2, ker je to pregled zlitin NiTi za uporabo v medicini, je bila izvedena tudi analiza primernosti na podlagi občutljivosti na ogljik in kisik, enakomernosti in kemične sestave, saj bi ti dejavniki vplivali na kakovost zlitine. in s tem njegovo uspešnost.
Tabela 1. Prednosti in omejitve proizvodnih metod z ulivanjem/taljenjem Nitinola.
tabela 2. Primerjava metod, ki temeljijo na primernosti za obdelavo NiTi zlitin za uporabo v medicini.
01.1. Vakuumsko indukcijsko taljenje (VIM)
VIM je sestavljen iz lončka s staljenim grafitom, ki je nameščen v jekleni lupini in je povezan z vakuumom. Ko se vrtinčni tokovi vnesejo v grafitni lonček in kovinske naboje, se ustvarijo elektrodinamične sile, ki pomagajo pri mešanju taline. VIM je najpogosteje uporabljen postopek za komercialno proizvodnjo NiTi zlitin. V primerjavi z drugimi postopki vakuumskega taljenja zagotavlja večjo fleksibilnost in boljši nadzor nad enakomernostjo in sestavo zlitine z neodvisnim nadzorom časa, tlaka, temperature in prenosa mase z mešanjem taline. Ker pa se uporabljajo grafitni lončki, so dovzetni za onesnaženje z ogljikom. Običajne ravni nečistoč ogljika so med 300 in 700 ppm, čeprav so s skrbnim nadzorom možni ingoti z vsebnostjo ogljika med 200 in 500 ppm.
01.2. Pretaljevanje z vakuumskim oblokom (VAR)
Pri ponovnem taljenju z vakuumskim oblokom se potrošne ali nepotrošne elektrode neprekinjeno pretalijo z uporabo obloka v vakuumskem okolju. Taljenje VAR proizvaja zlitine izjemno visoke čistosti in se zato lahko uporablja za izboljšanje čistosti in strukture ingotov VIM. Vendar pa se celoten ingot ne tali istočasno in morda bo potrebnih večkratno taljenje, da se doseže želena enakomernost.
01.3. Plazemsko obločno taljenje (PAM)
V procesu taljenja s plazemskim oblokom se vhodna elementarna kovina postavi v bakren vodno hlajen kristalizator in se nato po spirali prenese pod argonski plazemski gorilnik. Ta metoda odpravlja kontaminacijo, ki jo povzroča uporaba vakuumskih indukcijskih lončkov. Zato ima zlitina nikelj-titan, ki jo proizvaja PAM Company, višjo čistost in boljšo odpornost proti koroziji kot zlitina nikelj-titana, ki jo proizvaja družba VIM. Ima tudi veliko manjše vključke, kot je prikazano na sliki 3. Vendar ima nižjo enakomernost in zahteva več gorilnikov PAM, da se doseže podobna enotnost kot VIM.
Slika 3. PAM (a) in VIM (b) SEM sliki vroče valjanih in popolnoma žarjenih Ni50.8Ti49.2 palic. Puščica kaže na tipično vključitev gr4.
01.4. Taljenje z elektronskim žarkom
Pri tej metodi se okrogel ingot, pripravljen v vakuumski indukcijski peči, tali z elektronskim ogrevanjem z veliko višjim vakuumom (10^(-2) Pa) kot VIM (10 Pa). Skupaj z odsotnostjo lončka je tveganje nadaljnje kontaminacije z ogljikom odpravljeno, kakovost taline pa je odvisna od kakovosti ingota. EBM je zelo čist z vsebnostjo kisika le 70 ppm (4-10-krat manj kot VIM).
01.5. Povzetek postopka taljenja
Med postopkom taljenja je treba zelo paziti, da se čim bolj zmanjšajo dejavniki, kot so vključki in visoka vsebnost ogljika/kisika, ki lahko negativno vplivajo na zlitino. Študije so na primer pokazale, da prisotnost vključkov ne le negativno vpliva na končni izdelek, temveč lahko vpliva tudi na proces strojne obdelave. Študije so na primer pokazale, da lahko vključki povzročijo krajšo življenjsko dobo orodja pri struženju zlitin NiTi v primerjavi z zlitinami brez vključkov. Dobro je znano, da lahko nekovinski vključki, kot so karbidi (TiC) in intermetalni oksidi (Ti4Ni2Ox), povzročijo okvare zaradi utrujenosti pri vstopu v medicinske pripomočke iz zlitine NiTi med procesom taljenja. Vključki vplivajo tudi na občutljivost elektropoliranih NiTi zlitin za luknjičasto korozijo, pri čemer ima velikost vključkov večji vpliv kot število vključkov.
02.Postopek metalurgije prahu (PM)
Postopki metalurgije prahu vključujejo tradicionalne metalurške postopke in postopke aditivne proizvodnje (AM). Tradicionalni postopki praškaste metalurgije vključujejo konvencionalno sintranje (CS), vroče izostatično stiskanje (HIS), sintranje v plazmi s iskro (SPS), brizganje kovin (MIM) in samorazmnoževalno visokotemperaturno sintezo (SHS). Po drugi strani pa postopki aditivne proizvodnje PM vključujejo selektivno lasersko taljenje (SLM), lasersko oblikovano oblikovanje mreže (LENS), taljenje z elektronskim žarkom (EBM) in selektivno lasersko sintranje (SLS). Prednosti in omejitve teh postopkov so prikazane v tabeli 4.
Tabela 4. Prednosti in omejitve metod izdelave NiTi zlitin s prašno metalurgijo.
Čeprav je postopek litja bolj priljubljen pri izdelavi zlitin niklja in titana, zlasti za uporabo v medicini, je praškasta metalurgija dokazala, da lahko na nekaterih področjih konkurira ali celo prekaša litje, tudi tam, kjer ne pride do ločevanja. Višje sestave zlitin dobimo pri nižjih temperaturah, kar ima za posledico izotropne fizikalne in mehanske lastnosti. Pravzaprav hitro strjevanje (RS), povezano s prašno metalurgijo, včasih izboljša fizikalne in mehanske lastnosti. To je zelo pomembno, ker ima posredni učinek. Na primer, enotna in fina mikrostruktura izboljša lastnosti strojne obdelave, medtem ko duktilnost, ki jo zagotavlja prašna metalurgija, izboljša lastnosti hladne in vroče obdelave, kot so valjanje, ekstrudiranje in kovanje. Na splošno bodo izboljšave lastnosti materiala vplivale na rok trajanja izdelka. Da bi izboljšali enakomernost zlitine, je sintranje zlitin v prahu bolj priljubljeno kot sintranje surove kovine v prahu. Prašna metalurgija se lahko uporablja tudi za nadzor temperatur faznega prehoda.
Komercialno se PM uporablja za proizvodnjo poroznih NiTi zlitin. V zvezi s tem različne metode, kot so HIP, MIM in SHS, izpolnjujejo glavne predpogoje za porozne NiTi vsadke. Te zahteve vključujejo: odprto in medsebojno povezano poroznost med 30 % in 80 %, velikost por med 100 μm in 600 μm, visoko trdnost (vsaj 100 MPa pri 2 % deformaciji), nizek Youngov modul (Youngov modul je blizu modulu spongiozne kosti (<3 GPa) or cortical bone (10-20 GPa)) and high recovery strain (more than 2% recovery after 8% loading).
Vendar pa obstajajo nekatere težave, ki ovirajo popolno uporabo materialov praškaste metalurgije medicinske kakovosti iz zlitin niklja in titana. Prvič, nadzor kisika je resen izziv, saj imajo tipični NiTi deli praškaste metalurgije vsebnost kisika do 3000 ppm. Čeprav ga je mogoče s previdnim ravnanjem zmanjšati na 1500 ppm, je vpliv te ravni kisika na duktilnost in utrujenost še vedno zaskrbljujoč. Poleg tega je zaradi velike izpostavljene površine, ki jo ustvari visoka poroznost, izpiranje niklja resen problem zaradi njegove sposobnosti povzročanja škodljivih učinkov, kot so celična alergija, genotoksičnost in citotoksičnost. Poleg tega pore ne le zmanjšajo korozijsko odpornost NiTi, ampak tudi vplivajo na sproščanje niklja, ki je dva reda velikosti višje pri neobdelanem poroznem NiTi, izdelanem s SHS, kot pri trdnem NiTi.
Poleg tega sintrane zlitine proizvajajo zlitine z višjo vsebnostjo krhkega oksida (Ti4Ni2Ox:0 < x manj kot ali enako 1). Nenazadnje je postopek zgoščevanja praška zlitine Ni-Ti težaven, predvsem zaradi razlike v difuzivnosti med nikljem in titanom ter zelo eksotermne reakcije tvorbe zlitine nikelj-titan in tekočega evtektičnega kapilarnega učinka Ni3Ti, Ti2Ni, ki ga povzroča prisotnost.