NiTi形状記憶合金プレート

欠陥が最終製品に転写される可能性があるため、NiTi 合金の医療用途の成功は、製造プロセス全体の厳密な制御にかかっています。 この点に関しては、ASTM F2063 などのいくつかの基準が設けられています。ASTM F2063 は、医療グレードのニッケルチタン合金の酸素と窒素の含有量を 500 ppm に制限するだけでなく、医療グレードのニッケルチタン合金の製造に使用されるニッケルも制限します。グレードの装備。 チタン合金溶湯中の介在物の最大サイズは 39 μm に制限されています。 このセクションでは、さまざまなニチノールの製造ステップと方法を検討し、その重要性、長所と短所、医療グレードのニチノールの加工への適合性を強調します。

01.鋳造・精錬工程
溶融ニチノールはチタン含有量が高いため反応性が高く、真空中で処理する必要があります。 NiTi 合金の製造では鋳造プロセスが最も一般的で、真空誘導溶解 (VIM)、真空アーク再溶解 (VAR)、電子ビーム溶解、プラズマ アーク溶解 (PAM) が含まれます。 これら 4 つの方法のうち、ニッケル チタン合金は主に複数の VAR または VIM、次に VAR によって製造されます。 このセクションではこれらの方法について簡単に説明し、表 1 でその利点と制限を強調します。 さらに、表 2 に示すように、これは医療グレードの用途向け NiTi 合金のレビューであるため、炭素と酸素に対する感度、均一性、化学組成に基づいて適合性分析も実行されました。これらの要素は合金の品質に影響を与えるためです。そしてそのパフォーマンス。

表 1. ニチノール鋳造/溶解製造法の利点と限界。

表2. 医療用途向けの NiTi 合金の加工の適合性に基づいた方法の比較。

01.1. 真空誘導溶解（VIM）
VIM は、スチールシェル内に収容され、真空に接続された溶融黒鉛るつぼで構成されています。 渦電流が黒鉛るつぼと金属装入物に導入されると、溶融物の撹拌と混合を助ける電気力学的力が生成されます。 VIM は、NiTi 合金の商業生産に最も広く使用されているプロセスです。 他の真空溶解プロセスと比較して、融解物の撹拌による時間、圧力、温度、物質移動を独立して制御することにより、より柔軟性が高く、均一性と合金組成をより適切に制御できます。 しかし、黒鉛るつぼを使用しているため、カーボン汚染を受けやすい。 一般的な炭素不純物レベルは 300 ～ 700 ppm ですが、注意深く制御すれば、炭素レベルが 200 ～ 500 ppm のインゴットも可能です。

01.2. 真空アーク再溶解 (VAR)
真空アーク再溶解では、真空環境でアークを使用して消耗電極または非消耗電極が連続的に再溶解されます。 VAR 溶解は非常に高純度の合金を生成するため、VIM インゴットの清浄度と構造を改善するために使用できます。 ただし、インゴット全体が同時に溶解するわけではなく、望ましい均一性を達成するには複数回の溶解が必要になる場合があります。

01.3. プラズマアーク溶解 (PAM)
プラズマ アーク溶解プロセスでは、投入された元素金属が銅製の水冷晶析装置に入れられ、アルゴン プラズマ バーナーの下にスパイラルによって運ばれます。 この方法により、真空誘導炉るつぼの使用によって生じる汚染が排除されます。 したがって、ＰＡＭ社が製造するニッケルチタン合金は、ＶＩＭ社が製造するニッケルチタン合金よりも純度が高く、耐食性に優れている。 図 3 に示すように、はるかに小さな内包物も含まれています。 ただし、均一性が低く、VIM と同様の均一性を達成するには複数の PAM トーチが必要です。

図 3. 熱間圧延され、完全にアニールされた Ni50.8Ti49.2 ロッドの PAM (a) および VIM (b) SEM 画像。 矢印は典型的な介在物 gr4 を指します。

01.4. 電子ビーム溶解
この方法では、真空誘導炉で準備された丸いインゴットが、VIM (10 Pa) よりもはるかに高い真空 (10^(-2) Pa) で電子加熱によって溶解されます。 るつぼがないことと相まって、さらなる炭素汚染のリスクが排除され、溶融品質はインゴットの品質に依存します。 EBM は高純度で、酸素含有量が 70 ppm と低い (VIM の 4-10 倍低い)。

01.5. 溶解プロセスの概要
溶解プロセス中は、合金に悪影響を与える可能性のある介在物や高い炭素/酸素含有量などの要因が最小限に抑えられるように細心の注意を払う必要があります。 たとえば、介在物の存在は最終製品に悪影響を与えるだけでなく、機械加工プロセスにも影響を与える可能性があることが研究でわかっています。 たとえば、NiTi 合金を旋削する場合、介在物があると、介在物がない合金と比較して工具寿命が短くなる可能性があることが研究で示されています。 炭化物 (TiC) や金属間酸化物 (Ti4Ni2Ox) などの非金属介在物が、溶融プロセス中に NiTi 合金医療機器に入ると疲労破壊を引き起こす可能性があることはよく知られています。 介在物は電解研磨された NiTi 合金の孔食に対する感受性にも影響し、介在物のサイズは介在物の数よりも大きな影響を及ぼします。

02.粉末冶金プロセス（PM）
粉末冶金プロセスには、従来の冶金プロセスと積層造形 (AM) プロセスが含まれます。 従来の粉末冶金プロセスには、従来の焼結 (CS)、熱間静水圧プレス (HIS)、放電プラズマ焼結 (SPS)、金属射出成形 (MIM)、および自己伝播型高温合成 (SHS) が含まれます。 一方、積層造形 PM プロセスには、選択的レーザー溶融 (SLM)、レーザー エンジニアリング ネット シェーピング (LENS)、電子ビーム溶融 (EBM)、および選択的レーザー焼結 (SLS) が含まれます。 これらのプロセスの利点と制限を表 4 に示します。

表 4. 粉末冶金 NiTi 合金製造法の利点と限界。

ニッケルチタン合金の製造、特に医療用途では鋳造プロセスの方が一般的ですが、粉末冶金は偏析が発生しない分野など、一部の分野では鋳造に匹敵する、またはそれを上回る潜在能力があることが証明されています。 より高い合金組成がより低い温度で得られ、等方的な物理的および機械的特性が得られます。 実際、粉末冶金に伴う急速凝固 (RS) により、物理的および機械的特性が向上することがあります。 これは波及効果があるため、非常に重要です。 たとえば、均一で微細な微細構造により機械加工特性が向上し、粉末冶金によってもたらされる延性により、圧延、押出、鍛造などの冷間および熱間加工特性が向上します。 一般に、材料特性の改善は製品の保存寿命に影響を与えます。 合金の均一性を向上させるために、原料金属粉末焼結よりも合金粉末焼結が一般的です。 粉末冶金は、相転移温度の制御にも使用できます。

商業的には、PM は多孔質 NiTi 合金の製造に使用されています。 この点において、HIP、MIM、SHS などのさまざまな方法が、多孔質 NiTi インプラントの主な前提条件を満たしています。 これらの要件には、30% ～ 80% の開放気孔率と相互連結気孔率、100 μm ～ 600 μm の気孔サイズ、高強度 (2% ひずみで少なくとも 100 MPa)、低いヤング率 (海綿骨のヤング率に近いヤング率 (<3 GPa) or cortical bone (10-20 GPa)) and high recovery strain (more than 2% recovery after 8% loading).

しかし、医療グレードのニッケルチタン合金粉末冶金材料の十分な活用を妨げるいくつかの問題があります。 まず、一般的な粉末冶金 NiTi 部品の酸素レベルは 3000 ppm にも達するため、酸素の管理は深刻な課題です。 慎重に取り扱うことで 1500 ppm まで減らすことができますが、この酸素レベルが延性や疲労に及ぼす影響は依然として懸念されています。 さらに、高い多孔性により露出表面積が大きくなるため、ニッケルの浸出は、細胞アレルギー、遺伝毒性、細胞毒性などの有害な影響を引き起こす可能性があるため、深刻な問題となっています。 さらに、細孔は NiTi の耐食性を低下させるだけでなく、ニッケルの放出にも影響を及ぼします。これは、固体 NiTi よりも SHS で作成された未処理の多孔質 NiTi の方が 2 桁多くなります。

さらに、焼結合金は脆性酸化物の含有量が高い合金を生成します (Ti4Ni2Ox:0 < x 1 以下)。 最後に重要なことですが、Ni-Ti 合金粉末の緻密化プロセスは、主にニッケルとチタンの拡散率の差と、高発熱のニッケル-チタン合金形成反応と、存在によって引き起こされる Ni3Ti、Ti2Ni 液体共晶毛細管効果により困難です。

欠陥が最終製品に転写される可能性があるため、NiTi 合金の医療用途の成功は、製造プロセス全体の厳密な制御にかかっています。 この点に関しては、ASTM F2063 などのいくつかの基準が設けられています。ASTM F2063 は、医療グレードのニッケルチタン合金の酸素と窒素の含有量を 500 ppm に制限するだけでなく、医療グレードのニッケルチタン合金の製造に使用されるニッケルも制限します。グレードの装備。 チタン合金溶湯中の介在物の最大サイズは 39 μm に制限されています。 このセクションでは、さまざまなニチノールの製造ステップと方法を検討し、その重要性、長所と短所、医療グレードのニチノールの加工への適合性を強調します。

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