Aplikasi medis paduan NiTi yang sukses bergantung pada kontrol ketat terhadap seluruh proses produksi, karena cacat dapat ditransfer ke produk akhir. Ada beberapa standar yang diterapkan dalam hal ini, termasuk ASTM F2063, yang tidak hanya membatasi kandungan oksigen dan nitrogen dalam paduan nikel-titanium tingkat medis hingga 500 bagian per juta (ppm), tetapi juga nikel yang digunakan dalam produksi peralatan medis. peralatan kelas. Ukuran maksimum inklusi dalam lelehan paduan titanium dibatasi hingga 39 μm. Bagian ini akan membahas berbagai langkah dan metode pembuatan Nitinol, menyoroti pentingnya, kelebihan dan kekurangannya, serta kesesuaiannya untuk memproses Nitinol tingkat medis.
01.Proses pengecoran/peleburan
Karena kandungan titaniumnya yang tinggi, lelehan nitinol sangat reaktif dan harus diproses dalam ruang hampa. Proses pengecoran adalah yang paling umum untuk pembuatan paduan NiTi dan mencakup peleburan induksi vakum (VIM), peleburan kembali busur vakum (VAR), peleburan berkas elektron, dan peleburan busur plasma (PAM). Di antara keempat metode ini, paduan nikel-titanium sebagian besar diproduksi dengan beberapa VAR atau VIM terlebih dahulu, lalu VAR. Bagian ini membahas secara singkat metode-metode tersebut, sementara Tabel 1 menyoroti kelebihan dan keterbatasannya. Selain itu, seperti yang ditunjukkan pada Tabel 2, karena ini adalah tinjauan paduan NiTi untuk aplikasi kelas medis, analisis kesesuaian juga dilakukan berdasarkan sensitivitas terhadap karbon dan oksigen, keseragaman, dan komposisi kimia, karena faktor-faktor ini akan mempengaruhi kualitas paduan. dan dengan demikian kinerjanya.
Tabel 1. Keuntungan dan keterbatasan metode pembuatan pengecoran/peleburan Nitinol.
Meja 2. Perbandingan metode berdasarkan kesesuaian pemrosesan paduan NiTi untuk aplikasi medis.
01.1. Peleburan induksi vakum (VIM)
VIM terdiri dari wadah grafit cair yang ditempatkan di dalam cangkang baja dan dihubungkan ke ruang hampa. Ketika arus eddy dimasukkan ke dalam wadah grafit dan muatan logam, gaya elektrodinamik dihasilkan yang membantu pengadukan dan pencampuran lelehan. VIM adalah proses yang paling banyak digunakan untuk produksi komersial paduan NiTi. Dibandingkan dengan proses peleburan vakum lainnya, proses ini memberikan fleksibilitas yang lebih besar dan kontrol yang lebih baik terhadap keseragaman dan komposisi paduan melalui kontrol independen terhadap waktu, tekanan, suhu, dan perpindahan massa melalui pengadukan lelehan. Namun, karena cawan lebur grafit digunakan, cawan tersebut rentan terhadap kontaminasi karbon. Tingkat pengotor karbon umumnya antara 300 dan 700 ppm, meskipun dengan pengendalian yang cermat, ingot dengan tingkat karbon antara 200 dan 500 ppm dapat dibuat.
01.2. Peleburan busur vakum (VAR)
Dalam peleburan kembali busur vakum, elektroda habis pakai atau tidak habis pakai dilebur kembali secara terus menerus menggunakan busur dalam lingkungan vakum. Peleburan VAR menghasilkan paduan dengan kemurnian sangat tinggi dan oleh karena itu dapat digunakan untuk meningkatkan kebersihan dan struktur ingot VIM. Namun, seluruh batangan tidak dicairkan secara bersamaan dan mungkin diperlukan beberapa pencairan untuk mencapai keseragaman yang diinginkan.
01.3. Pencairan Busur Plasma (PAM)
Dalam proses peleburan busur plasma, unsur logam masukan ditempatkan dalam alat kristalisasi berpendingin air tembaga dan kemudian dibawa melalui spiral di bawah pembakar plasma argon. Metode ini menghilangkan kontaminasi yang disebabkan oleh penggunaan cawan lebur tungku induksi vakum. Oleh karena itu, paduan nikel-titanium yang diproduksi oleh Perusahaan PAM memiliki kemurnian lebih tinggi dan ketahanan korosi yang lebih baik dibandingkan paduan nikel-titanium yang diproduksi oleh Perusahaan VIM. Ini juga memiliki inklusi yang jauh lebih kecil, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3. Namun, keseragamannya lebih rendah dan memerlukan beberapa obor PAM untuk mencapai keseragaman yang serupa dengan VIM.
Gambar 3. Gambar PAM (a) dan VIM (b) SEM batang Ni50.8Ti49.2 canai panas dan anil penuh. Panah menunjuk ke inklusi tipikal gr4.
01.4. Berkas elektron mencair
Dalam metode ini, batangan bulat yang dibuat dalam tungku induksi vakum dilebur dengan pemanasan elektronik dengan vakum yang jauh lebih tinggi (10^(-2) Pa) daripada VIM (10 Pa). Ditambah dengan tidak adanya wadah, risiko kontaminasi karbon lebih lanjut dapat dihilangkan dan kualitas lelehan bergantung pada kualitas ingot. EBM sangat murni dengan kandungan oksigen serendah 70 ppm (4-10 kali lebih rendah dari VIM).
01.5. Ringkasan proses peleburan
Selama proses peleburan, kehati-hatian harus diberikan untuk memastikan bahwa faktor-faktor seperti inklusi dan kandungan karbon/oksigen tinggi yang dapat berdampak negatif pada paduan dapat diminimalkan. Misalnya, penelitian telah menemukan bahwa keberadaan inklusi tidak hanya berdampak negatif pada produk akhir namun juga dapat mempengaruhi proses pemesinan. Misalnya, penelitian telah menunjukkan bahwa inklusi dapat menyebabkan masa pakai alat lebih pendek ketika memutar paduan NiTi dibandingkan dengan paduan bebas inklusi. Diketahui bahwa inklusi non-logam seperti karbida (TiC) dan oksida intermetalik (Ti4Ni2Ox) dapat menyebabkan kegagalan kelelahan ketika memasuki perangkat medis paduan NiTi selama proses peleburan. Inklusi juga mempengaruhi kerentanan paduan NiTi yang dipoles secara elektro terhadap korosi pitting, dengan ukuran inklusi memiliki dampak yang lebih besar dibandingkan jumlah inklusi.
02.Proses metalurgi serbuk (PM)
Proses metalurgi serbuk meliputi proses metalurgi tradisional dan proses manufaktur aditif (AM). Proses metalurgi serbuk tradisional meliputi sintering konvensional (CS), pengepresan isostatik panas (HIS), sintering plasma percikan (SPS), pencetakan injeksi logam (MIM) dan sintesis suhu tinggi yang dapat merambat sendiri (SHS). Di sisi lain, proses PM manufaktur aditif mencakup peleburan laser selektif (SLM), pembentukan jaring rekayasa laser (LENS), peleburan berkas elektron (EBM), dan sintering laser selektif (SLS). Keuntungan dan keterbatasan proses ini ditunjukkan pada Tabel 4.
Tabel 4. Keuntungan dan keterbatasan metode pembuatan paduan NiTi metalurgi serbuk.
Meskipun proses pengecoran lebih populer untuk pembuatan paduan nikel-titanium, terutama untuk aplikasi medis, metalurgi serbuk telah terbukti berpotensi menyaingi atau bahkan mengungguli pengecoran di beberapa area, termasuk di mana segregasi tidak terjadi. Komposisi paduan yang lebih tinggi diperoleh pada suhu yang lebih rendah, sehingga menghasilkan sifat fisik dan mekanik yang isotropik. Faktanya, pemadatan cepat (RS) yang terkait dengan metalurgi serbuk terkadang meningkatkan sifat fisik dan mekanik. Hal ini sangat penting karena mempunyai dampak yang tidak langsung. Misalnya, struktur mikro yang seragam dan halus meningkatkan sifat permesinan, sedangkan keuletan yang dihasilkan oleh metalurgi serbuk meningkatkan sifat pengerjaan dingin dan panas seperti penggulungan, ekstrusi, dan penempaan. Secara umum, peningkatan sifat material akan berdampak pada umur simpan produk. Untuk meningkatkan keseragaman paduan, sintering serbuk paduan lebih populer daripada sintering serbuk logam mentah. Metalurgi serbuk juga dapat digunakan untuk mengontrol suhu transisi fasa.
Secara komersial, PM telah digunakan untuk memproduksi paduan NiTi berpori. Dalam hal ini, berbagai metode seperti HIP, MIM dan SHS memenuhi prasyarat utama untuk implan NiTi berpori. Persyaratan ini meliputi: porositas terbuka dan saling berhubungan antara 30% dan 80%, ukuran pori antara 100 μm dan 600 μm, kekuatan tinggi (setidaknya 100 MPa pada regangan 2%), modulus Young yang rendah ( Modulus Young mendekati modulus tulang kanselus (<3 GPa) or cortical bone (10-20 GPa)) and high recovery strain (more than 2% recovery after 8% loading).
Namun, ada beberapa masalah yang menghambat pemanfaatan penuh bahan metalurgi serbuk paduan nikel-titanium tingkat medis. Pertama, pengendalian oksigen merupakan tantangan yang serius, karena komponen metalurgi serbuk NiTi pada umumnya memiliki kadar oksigen setinggi 3000 ppm. Meskipun dapat diturunkan hingga 1500 ppm dengan penanganan yang hati-hati, dampak tingkat oksigen terhadap keuletan dan kelelahan masih menjadi perhatian. Selain itu, karena luas permukaan terbuka yang disebabkan oleh porositas tinggi, pencucian nikel merupakan masalah serius karena kemampuannya menyebabkan efek berbahaya seperti alergi sel, genotoksisitas, dan sitotoksisitas. Selain itu, pori-pori tidak hanya mengurangi ketahanan korosi NiTi, namun juga mempengaruhi pelepasan nikel, yang dua kali lipat lebih tinggi pada NiTi berpori yang tidak diolah yang dibuat dengan SHS dibandingkan NiTi padat.
Selain itu, paduan yang disinter menghasilkan paduan dengan kandungan oksida rapuh yang lebih tinggi (Ti4Ni2Ox:0 < x Kurang dari atau sama dengan 1). Yang terakhir, proses pemadatan bubuk paduan Ni-Ti sulit dilakukan, terutama karena perbedaan difusivitas antara nikel dan titanium serta reaksi pembentukan paduan nikel-titanium yang sangat eksotermik dan Ni3Ti, efek kapiler eutektik cair Ti2Ni yang disebabkan oleh kehadirannya.