NiTi 합금의 성공적인 의료 응용은 결함이 최종 제품으로 옮겨질 수 있으므로 전체 제조 공정의 엄격한 제어에 달려 있습니다. 이와 관련하여 의료용 니켈-티타늄 합금의 산소 및 질소 함량을 500ppm으로 제한할 뿐만 아니라 의료용 니켈-티타늄 합금 생산에 사용되는 니켈도 포함하는 ASTM F2063을 포함하여 여러 표준이 마련되어 있습니다. 등급 장비. 티타늄 합금 용융물의 최대 개재물 크기는 39μm로 제한됩니다. 이 섹션에서는 다양한 니티놀 제조 단계와 방법을 살펴보고 그 중요성, 장점과 단점, 의료용 니티놀 처리에 대한 적합성을 강조합니다.
01.주조/제련공정
티타늄 함량이 높기 때문에 용융된 니티놀은 반응성이 높으며 진공에서 처리해야 합니다. 주조 공정은 NiTi 합금 제조에 가장 일반적이며 진공 유도 용해(VIM), 진공 아크 재용해(VAR), 전자빔 용해 및 플라즈마 아크 용해(PAM)를 포함합니다. 이 네 가지 방법 중 니켈-티타늄 합금은 주로 다중 VAR 또는 VIM을 먼저 제조한 후 VAR을 통해 제조됩니다. 이 섹션에서는 이러한 방법을 간략하게 설명하고 표 1에서는 장점과 한계를 강조합니다. 또한, 표 2에 나타난 바와 같이 이는 의료용 등급 응용을 위한 NiTi 합금에 대한 검토이므로 탄소 및 산소에 대한 민감도, 균일성 및 화학적 조성을 기반으로 적합성 분석도 수행되었습니다. 이러한 요소는 합금의 품질에 영향을 미치기 때문입니다. 따라서 그 성능.
표 1. 니티놀 주조/용해 제조 방법의 장점과 한계
표2. 의료용 NiTi 합금 가공 적합성을 기반으로 한 방법 비교.
01.1. 진공 유도 용해(VIM)
VIM은 강철 쉘 내에 들어 있고 진공에 연결된 용융 흑연 도가니로 구성됩니다. 와전류가 흑연 도가니와 금속 충전물에 유입되면 용융물의 교반과 혼합을 돕는 전기역학적 힘이 생성됩니다. VIM은 NiTi 합금의 상업적 생산에 가장 널리 사용되는 공정입니다. 다른 진공 용융 공정과 비교하여, 이는 용융 교반을 통한 시간, 압력, 온도 및 물질 전달의 독립적인 제어를 통해 더 큰 유연성과 균일성 및 합금 구성에 대한 더 나은 제어를 제공합니다. 그러나 흑연 도가니를 사용하기 때문에 탄소 오염에 취약합니다. 일반적인 탄소 불순물 수준은 300~700ppm이지만 주의 깊게 제어하면 200~500ppm 사이의 탄소 수준을 가진 잉곳도 가능합니다.
01.2. 진공 아크 재용해(VAR)
진공 아크 재용해에서는 진공 환경에서 아크를 이용하여 소모성 또는 비소모성 전극을 연속적으로 재용해합니다. VAR 용해는 순도가 매우 높은 합금을 생산하므로 VIM 잉곳의 청결도와 구조를 개선하는 데 사용할 수 있습니다. 그러나 전체 잉곳이 동시에 용융되지는 않으며 원하는 균일성을 달성하려면 여러 번 용융해야 할 수도 있습니다.
01.3. 플라즈마 아크 용해(PAM)
플라즈마 아크 용융 공정에서 투입된 원소 금속은 구리 수냉식 결정화기에 배치된 후 아르곤 플라즈마 버너 아래 나선형으로 운반됩니다. 이 방법은 진공 유도로 도가니 사용으로 인한 오염을 제거합니다. 따라서 PAM사에서 생산하는 니켈-티타늄 합금은 VIM사에서 생산하는 니켈-티타늄 합금보다 순도가 높고 내식성이 우수합니다. 또한 그림 3에 표시된 것처럼 훨씬 작은 내포물도 있습니다. 그러나 균일성이 낮으며 VIM과 유사한 균일성을 달성하려면 여러 개의 PAM 토치가 필요합니다.
그림 3. 열간 압연 및 완전 어닐링된 Ni50.8Ti49.2 로드의 PAM(a) 및 VIM(b) SEM 이미지. 화살표는 일반적인 포함 gr4를 가리킵니다.
01.4. 전자빔 용해
진공 유도로에서 제조된 원형 잉곳을 VIM(10 Pa)보다 훨씬 높은 진공(10^(-2) Pa)으로 전자 가열하여 용융시키는 방법입니다. 도가니가 없기 때문에 추가 탄소 오염 위험이 제거되고 용융 품질은 잉곳 품질에 따라 달라집니다. EBM은 산소 함량이 70ppm(VIM보다 4-10배 낮음)으로 매우 순도가 높습니다.
01.5. 용융과정 요약
용융 공정 중에는 합금에 부정적인 영향을 미칠 수 있는 함유물 및 높은 탄소/산소 함량과 같은 요소가 최소화되도록 세심한 주의를 기울여야 합니다. 예를 들어, 연구에 따르면 함유물이 최종 제품에 부정적인 영향을 미칠 뿐만 아니라 가공 공정에도 영향을 미칠 수 있다는 사실이 밝혀졌습니다. 예를 들어, 연구 결과에 따르면 함유물이 없는 합금에 비해 NiTi 합금을 선삭할 때 함유물이 공구 수명을 단축할 수 있는 것으로 나타났습니다. 탄화물(TiC) 및 금속간 산화물(Ti4Ni2Ox)과 같은 비금속 개재물은 용융 과정에서 NiTi 합금 의료 기기에 들어갈 때 피로 손상을 일으킬 수 있다는 것이 잘 알려져 있습니다. 개재물은 또한 전해연마된 NiTi 합금의 공식 부식 민감성에 영향을 미치며, 개재물의 크기는 개재물의 수보다 더 큰 영향을 미칩니다.
02.분말야금공정(PM)
분말 야금 공정에는 전통적인 야금 공정과 적층 제조(AM) 공정이 포함됩니다. 전통적인 분말 야금 공정에는 기존 소결(CS), 열간 등압 성형(HIS), 스파크 플라즈마 소결(SPS), 금속 사출 성형(MIM) 및 자체 전파 고온 합성(SHS)이 포함됩니다. 반면, 적층 제조 PM 공정에는 SLM(Selective Laser Melting), LENS(Laser Engineered Net Shaping), EBM(Electron Beam Melting), SLS(Selective Laser Sintering) 등이 포함됩니다. 이러한 프로세스의 장점과 한계는 표 4에 나와 있습니다.
표 4. 분말 야금 NiTi 합금 제조 방법의 장점과 한계
주조 공정은 특히 의료용 니켈-티타늄 합금 제조에 더 많이 사용되지만, 분말 야금은 분리가 발생하지 않는 곳을 포함하여 일부 분야에서 주조와 경쟁하거나 심지어 능가할 수 있는 잠재력이 있음이 입증되었습니다. 더 높은 합금 조성은 더 낮은 온도에서 얻어지며, 그 결과 등방성 물리적 및 기계적 특성이 나타납니다. 실제로 분말 야금과 관련된 급속 응고(RS)는 때때로 물리적, 기계적 특성을 향상시킵니다. 이것은 노크온 효과(knock-on effect)를 갖기 때문에 매우 중요합니다. 예를 들어, 균일하고 미세한 미세 구조는 가공 특성을 향상시키는 반면, 분말 야금에 의해 제공되는 연성은 압연, 압출 및 단조와 같은 냉간 및 열간 가공 특성을 향상시킵니다. 일반적으로 재료 특성의 개선은 제품 수명에 영향을 미칩니다. 합금의 균일성을 향상시키기 위해 합금 분말 소결이 원료 금속 분말 소결보다 더 많이 사용됩니다. 분말야금은 상전이 온도를 제어하는데도 사용될 수 있습니다.
상업적으로 PM은 다공성 NiTi 합금을 생산하는 데 사용되었습니다. 이와 관련하여 HIP, MIM 및 SHS와 같은 다양한 방법이 다공성 NiTi 임플란트의 주요 전제 조건을 충족합니다. 이러한 요구 사항에는 다음이 포함됩니다: 30%~80% 사이의 개방형 및 상호 연결된 다공성, 100μm~600μm 사이의 기공 크기, 고강도(2% 변형에서 최소 100MPa), 낮은 영률(영률은 해면골의 영률에 가깝습니다(<3 GPa) or cortical bone (10-20 GPa)) and high recovery strain (more than 2% recovery after 8% loading).
그러나 의료용 니켈-티타늄 합금 분말 야금 재료의 완전한 활용을 방해하는 몇 가지 문제가 있습니다. 첫째, 일반적인 분말 야금 NiTi 부품의 산소 수준이 3000ppm에 달하기 때문에 산소 제어는 심각한 문제입니다. 조심스럽게 취급하면 1500ppm까지 줄일 수 있지만 이 산소 수준이 연성 및 피로에 미치는 영향은 여전히 문제입니다. 또한, 높은 다공성으로 인해 노출된 표면적이 넓어 니켈 침출은 세포 알레르기, 유전 독성 및 세포 독성과 같은 유해한 영향을 일으킬 수 있어 심각한 문제입니다. 더욱이, 기공은 NiTi의 내식성을 감소시킬 뿐만 아니라 니켈 방출에도 영향을 미치며, 이는 고체 NiTi보다 SHS로 만든 처리되지 않은 다공성 NiTi에서 두 자릿수 더 높습니다.
또한, 소결 합금은 취성 산화물 함량이 더 높은 합금을 생성합니다(Ti4Ni2Ox:0 < x 1 이하). 마지막으로, Ni-Ti 합금 분말의 치밀화 과정은 주로 니켈과 티타늄 사이의 확산도 차이와 높은 발열성 니켈-티타늄 합금 형성 반응 및 존재로 인한 Ni3Ti, Ti2Ni 액체 공융 모세관 효과로 인해 어렵습니다.