gototopgototop

УДК 53

Нитинол - никелид титана - сплавы с памятью формы: свойства, производство, применение

Бондарев Андрей Борисович – кандидат технических наук, доцент, член-корреспондент Академии медико-технических наук РФ, генеральный директор НиТиМет Компани.

Аннотация: В статье рассматриваются свойства, алгоритм производства и применение сплавов системы никель -титан, называемых нитинол, никелид титана, сплавы с памятью формы.

Ключевые слова: Нитинол, никелид титана, сплавы с памятью формы, свойства, производство, применение.

Эффект памяти формы металлическим сплавами был открыт в СССР в зависимости от условий термической обработки учеными Г.В. Курдюмовым и Л.Г. Хандросом и оформлен как научное открытие 17 марта 1949 г., подтвержденное экспериментально, и относящееся к бездиффузионным типам фазовых превращений в металлических сплавах[1]. Открытый эффект был экспериментально обнаружен в сплавах на основе таких металлов как золото, медь, кобальт, железо, никель. Количество сплавов с описанным эффектом, использующихся в мировой практике, превысило более 200.

Бездиффузионные превращения: мартенсит-аустенит при нагреве изделия из сплава с памятью формы и обратное превращение аустенит-мартенсит при охлаждении, - позволяют сохранить свойства прямой и обратной памяти формы практически бесконечное количество раз. Изделия из описываемых сплавов могут срабатывать и один раз, а при определенной тренировке совершать более 500000 раз обратимые движения от одной заданной формы до другой при многократных нагревах и охлаждениях.

Зафиксировав специальной термической обработкой необходимую каждому потребителю форму изделия любой конфигурации и охладив до температуры на 25-30 градусов Цельсия ниже заданной температуры аустенитного превращения, можно деформировать охлажденное изделие практически как угодно, но без механического разрушения. Однако в любом случае после произведенных деформаций и искажения формы изделия, нагрев его до температуры конца аустенитного превращения всегда можно получить форму, заданную потребителем предварительно специальной термической обработкой [2].

Ограничивая внешнее воздействие на специальным образом обработанный элемент из сплава с памятью формы лишь нагревом и охлаждением в температурном интервале конца превращений мартенсит-аустенит и аустенит-мартенсит, изделие будет самопроизвольно деформироваться при знакопеременных изменениях температур окружающей среды. т.е. реализовывать эффект обратимой памяти формы. Усилия, развиваемые изделиями из сплавов с памятью формы делают неконкурентоспособными биметаллические изделия, превосходя в одинаковых условиях срабатывания развиваемые ими усилия в сотни раз [3].

Уникальное свойство сплавов с памятью формы — это способность сохранять сверхэластичное или сверхупругое состояние. Это означает, что применительно, например, к сплавам системы никель-титан можно деформировать соответствующее изделие до 6-7 процентов, и после снятия деформационного воздействия на изделие оно вернется к своей первоначальной форме. Остаточная деформация, остающаяся в этом случае в размере 0.015-0.05% находится в области погрешности измерения геометрических параметров изделия и не может считаться значимой. Количество деформаций изделия в сверхупругом(сверхэластичном) состоянии, ограниченных величиной 6-7 процентов, приближается к 1000000 раз.

Наибольшее распостранение и использование среди сплавов с памятью формы получили сплавы на основе никеля, легированные титаном. Возможность изменять температуру аустениного превращения в широких пределах от минус 65 градусов до плюс 120 градусов Цельсия в двойных сплавах никеля с титаном, и расширение интервала температур до минус 80 градусов Цельсия и до плюс 145 градусов Цельсия введением дополнительных легирующих элементов позволяет использовать эффект памяти формы никель-титанового сплава в очень широким интервале температур. Сочетание механических свойств на уровне высокопрочных титановых сплавов и дисперсионно стареющих сталей с защитной окисной пленкой на основе титана, высокой демпфирующей способностью и способностью вспоминать форму до миллиона раз делает сплавы на основе никель-титан уникальными материалами по комплексу свойств, не имеющим себе равных среди других материалов.

Сплавы с памятью формы на основе системы никель-титан определяют термином нитинол, применяемым с 1962 года [4]. Изделия из нитинола производятся в виде литых, кованных, катанных и волоченых прутков, проволоки, фольги, листов и труб [5]. Часто сплавы на основе системы никель-титан определяют также и как никелид титана.

Производство нитинола (никелида титана) является столь же непростым и чрезвычайно энергоемким процессом, как и производство полуфабрикатов из высоколегированных титановых сплавов.

Плавление сплавов, содержащих значительное количества титана, а в том числе и нитинола, невозможно на воздухе или в среде инертного газа из-за очень высокого сродства титана к кислороду не позволяет плавить нитинол (никелид титана) в воздушной атмосфере или атмосфере инертного газа, в которых высоко парциальное давление кислорода, немедленно взаимодействующего с титаном в сплаве. Поэтому необходимым условием плавки и литья никель-титановых сплавов является их плавка и литье слитков в вакууммированном пространстве печи с остаточным давлением не более 0.0001 мм.рт.ст без доступа воздуха. Типичная печь для плавки сплавов с высоким содержанием титана - это вакуумно-дуговая печь с расходуемым или нерасходуемым электродом, вакуумная печь с индукционным нагревом, обеспечивающая гарниссажную плавку, электронно-лучевая печи, плазменно-дуговая печь (5).

Наибольшая часть стоимость полуфабрикатов из нитинола(никелида титана) образуется на этапе выплавки слитка для последующей деформации и производства полуфабрикатов. Причина высокой стоимости кроется в необходимости выплавлять слитки с точностью соотношения никеля и титана друг к другу, в ряде случаев достигающей сотых долей процента. Сложность так называемого «попадания» в состав обуславливает значительное количество брака при выплавке слитков и часто необходимость нескольких переплавов материала, сопровождающихся значительными потерями годного металла(5).

Последующие операции деформации слитков требуют соблюдения высокой точности, до 2-3 градусов Цельсия, соблюдения температурных параметров нагрева заготовок для последующей деформации. Комплексная механо-термическая обработка сплавов систем никель-титан требует использования специальных дорогостоящих и сложных по конструкции установок для охлаждения полуфабрикатов в рамках как высокотемпературной, так и низкотемпературной механо-термической обработки производимых изделий.

Высокая вязкость и налипаемость на инструмент материала усложняет и делает дорогостоящей и длительной механическую обработку изделий, приводит к ускоренному износу режущего инструмента (5).

Обширной сферой применения сплавов с памятью формы на основе системы никель-титан стали медицина, космос, добывающая промышленность, производство всевозможных температурных датчиков и приводов, робототехника при создании тепломеханических устройств и разработке специальных технологий и т.п.

Применение нитинола(никелида титана) сплавов с памятью формы в технике:

  • тепловые мартенситные двигатели и преобразователи тепловой энергии в механическую, различные конструкции с рабочим телом в виде металла с памятью формы, энергетика;
  • несварные разъемные и неразъемные самоуплотняющиеся термомеханические соединения деталей и трубопроводов, муфты, втулки с памятью формы;
  • узлы крепления, захваты, термочувствительные механические приводы;
  • устройства для затяжки и дотяжки различных вариантов, другой термомеханический крепеж, одноразовые штифты, шпонки, шплинты, пистоны, пальцы, шпильки и заклепки, в том числе для авиационной техники;
  • активные элементы, трансформируемые термочувствительные силовые исполнительные конструкции различной конфигурации, в том числе выдвижные телескопические штанги, самосрабатывающие и самораспрямляющиеся, шарнирно соединенные, телескопические и параболические антенны, фермы, например, для космической техники, воздухозаборники с изменяемой геометрией для самолетов, шевроны (зубцы на кромке сопла) с изменяемой геометрией для двигателей самолетов и другие устройства авиа- и космического назначения;
  • приводы и исполнительные элементы устройств и механизмов, работающих в агрессивных атмосферах или в условиях радиационного воздействия на организм человека (космические излучения, ядерные энергетические установки, ускорители, исследовательские и промышленные ядерные установки);
  • исполнительные механизмы приборов и аппаратов, например, жестких дисков компьютеров, сопел струйных принтеров, сепараторы бумаги копиров; тепловые насосы, нагнетатели, домкраты, прессы, другие аккумуляторы и трансформаторы усилий;
  • элементы робототехники и манипуляторы роботов (механические мускулы);
  • устройства для механического соединения электрических проводов без пайки с помощью муфты;
  • системы контроля автоматического регулирования температуры и стабилизации температурного режима, тепловой защиты, в том числе пожарные сигнализации, автоматики, терморегуляторы теплообменных устройств и термостатов, термочувствительные датчики;
  • вентили пневмосистем, регуляторы давления и расхода нагнетаемого газа (в том числе газовых турбин и турбин реактивных двигателей) или жидкости, автоматические заслонки, клапаны гидросистем;
  • предохранительные термоклапаны в системах вентиляции, тепловые замки, приводы кондиционеров, вентиляционных форточек теплиц, автосушилок, теплообменные элементы;
  • термочувствительные элементы электрических цепей, термореле для защиты электроцепей, расцепители тока при перегрузке, тепловые выключатели тока, термовыключатели, переключатели и прерыватели коммутационных систем, автономные тепловые пускатели;
  • спринклеры в устройствах автоматического пожаротушения, противопожарные клапаны,
  • извещатели и другие элементы устройств аварийной сигнализации;
  • термокомпенсаторы деформаций и натяжений в элементах конструкций;
  • помпы, свечи зажигания, элементы подвески, тормозных систем и систем сцепления, выхлопа, ремни безопасности, различные приводы для автотранспорта;
  • конструкции с высокой демпфирующей способностью, в том числе слоистые композиционные, элементы противоударных и вибропоглощающих систем на автотранспорте и в виброустановках, подавители шума;
  • компрессорные каркасы для женских корсетов и другого женского белья;
  • элементы обуви, поддерживающие её форму;
  • перчатки с нитиноловой нитью и другие ткани;
  • скульптуры с элементами, реагирующими на изменение температуры;
  • эластичные удилища и вращающиеся приманки для рыбной ловли;
  • рыболовные поводки из нитиноловой(никелида титана) проволоки;
  • предметы интерьера и ювелирный изделия;
  • сорочки с самозакатывающимися в жаркую погоду рукавами (гладятся и горячим паром утюга, и феном);
  • изделия для защиты качества продукции;
  • покрытые нитинолом лезвия коньков, ножи, ножницы и др.;
  • двигатели из нитинола можно считать прообразом крупных и экономичных энергогенераторов будущего: для приведения их в движение, не требуются энергии-необходим всего лишь небольшой градиент температуры воды (например, в южных морях хватит разницы температур между поверхностными и глубинными слоями воды для работы энергогенратора).

Применение нитинола(никелида титана) сплавов с памятью формы в медицине.

Травмотология и ортопедия:

  • черепно-мозговая хирургия;
  • восстановительная спиномозговая хирургия и лечение врожденных и посттравматических патологий (сколиоз, кифоз, спондилодез) позвоночника, лечение переломов тел позвонков;
  • пластика дужек позвонков, лечение рецидивов грыж дисков;
  • коррекция аномалий опорно-двигательного аппарата, остеопластика и костная хирургия;
  • компрессионный остеосинтез при суставных переломах, перелома трубчатых костей и оперативном лечении плечевого пояса и бедренной кости плюсневых костей и костей кисти;
  • восстановление дистального межберцового синдесмоза;
  • фиксация костных структур сверхэластичными имплантатами из пористого проницаемого никелида титана;
  • костная онкология и пластическое возмещение дефектов костных тканей;
  • хирургическое лечение хронического остеомиелита;
  • армирование крупных трубчатых костей при системных заболеваниях скелета;
  • лечение чрезкостных разрывов сухожилий и наложение анастомозов сухожилий, косолапости, туннельного синдрома.

Сердечно-сосудистая малоинвазивная хирургия.

Ангиопластика, сужение и расширение, клипирование сосудов, оперативное лечение хронической венозной недостаточности, экстравазальная коррекция функции венозных клапанов, лечение варикозной болезни, шовный материал(нити) для лигирования кровеносных сосудов; I

  • эндопротезирование для восстановления просвета суженых, стенозированных или полностью обтурированных участков сосудов, противоэмболические интравенозные кава-фильтры, полые сетчатые и ячеистые сосудистые самовосстанавливающиеся стенты, моностенты;
  • закрытие дефектов перегородок предсердий, биопротезирование клапанов сердца, анулопластика сердечных клапанов.

Стоматология и челюстно-лицевая хирургия.

Восстановительная эндоскопическая малоинвазивная челюстно-лицевая хирургия, лечение заболеваний и повреждений лицевого черепа, остеосинтез при| переломах нижней и верхней челюсти, скуловой кости, после остеотомиии челюстей;

  • эндопротезирование орбиты и височно-челюстного сустава;
  • хирургия врождённых расщелин нёба с использованием сетчатых сверхэластичных имплантатов;
  • гнойная хирургия околочелюстных флегмон;
  • вестибулопластика полости рта;
  • эстетическая коррекция спинки и кончика носа;
  • ортодонтия (коррекция и исправление зубочелюстных аномалий и прикуса);
  • дентальная имплантология;
  • эндодонтия корневых каналов.

Хирургия желудочно-кишечного тракта, абдоминальная хирургия и колопроктология.

Торакоабдоминальная и желудочно-кишечная хирургия;

  • пластика при перфоративной язве желудка, хирургическая гастроэнтерология;
  • стентирование желудка для лечения ожирения и булимии;
  • наложение пищеводного, межкишечных компрессионных анастомозов, в том числе толстокишечных, формирование холецистоэнтеро-холедохоэнтероанастомоза, стентирование пищевода;
  • пластика брюшной стенки, обтураторы грыжевых ворот, герниопластика вентральных паховых грыж, грыжи пищеводного отверстия;
  • пластика прямой кишки и сфинктера, сохранение функции толстокишечного держания;
  • искусственные сфинктеры, полнослойная биопсия прямой кишки хирургическое лечение при выпадении кишки из ануса, компрессионная геморроидэктомия;
  • лечение поликистоза почек с использованием гранул из пористого никелида титана.

Эндоскопическая и лапароскопическая хирургия.

Урологическая хирургия, лечение стриктур уретры, дилатация уретры, анастс-мозы уретры, трансуретральное стентирование;

  • удаление камней и конкрементов из моче- и желчевыводящих путей, очистка последних от билиарного ила, песка и сладжа;
  • дистанционная ударно-волновая литотрипсия;
  • эндобилиарная хирургия, различные патологии билиопанкреатодуоденальной зоны;
  • холангиостомия, холецистостомия, дренирование желчных путей;
  • стентирование гепатобилиарной системы, лечение структур холедоходуоденоанастомоза;
  • дренирование лимфоцеле;
  • резекция желудка, холецистэктомия, аппендэктомия, ваготомия, гемиколэктомия, фундаплликация (клипирование);
  • пункционная биопсия;
  • нейрохирургия (дренирование ликворных кист головного мозга);
  • кардиохирургия (электроды для электрокардиостимуляции).

Офтальмология и микрохирургия глаза.

  • имплантация искусственного хрусталика;
  • глаукомное дренирование;
  • формирование культи глазного яблока, эндопротезирование дефектов стенок глазницы;
  • хирургическое лечение отслоек сетчатки с использованием циркляжной нити из нитинола; - сквозное кератопротезирование при бельмах роговицы.

Гинекология, урогинекология и сексология.

  • лечение предопухлевых заболеваний шейки матки, маркировка зоны интраоперационной лучевой терапии онкологических больных гранулами из пористого никелида титана(нитинола);
  • дилатация цервикального канала при искусственном прерывании беременности;
  • оперативное лечение прямокишечно-влагалищных свищей вследствие послеродовых разрывов промежности;
  • внутриматочные контрацептивы, клипирование фаллопиевых труб;
  • консервативное лечение дисфункции мочевого пузыря и сфинктерного аппарата уретры, недержании мочи у мужчин и женщин;
  • кольпоррафия, реконструкция пузьфно-влагалищной перегородки при пролапсе; - реконструкция ректовагинальной перегородки и реконструкция тазового дна после экстирпации матки;
  • обратимая мужская контрацепция, протезы половых органов, интракавернозные имплантаты.

Общая и клиническая хирургия.

  • дилатация, ограничители просвета и эндопротезирование деформированных полых органов в различных анатомических зонах;
  • пластика дефектов тканевых перегородок, закрытие свищей, реконструкция дефектов мягкотканных структур, оперативное лечение цирроза печени;
  • компрессионное шовное соединение тканей, сведение краёв раны, лечение гнойных ран;
  • компрессионное пережимание тканей внутренних органов;
  • обтурирование кровотечений внутренних органов, в том числе паренхиматозных при глубоких колото-резаных ранах;
  • восстановительная сохранная отоларингология (эндопротезирование при лечении стенки слухового прохода, наковальни и среднего уха, барабанной перепонки и ушной раковины, абсцесса перегородки носа, травм околоносовых пазух опухолей трахеи, гортани);
  • высокочастотная открытая и эндохирургия (коагуляция, рассечение и резекция полых трубчатых органов, тканей и опухолей, папиллотомия, эндоваскулярная электрокоагуляция);
  • косметическая хирургия молочных желёз.

Среди ассортимента изделий медицинской техники из сверхэластичных сплавов с памятью формы наибольшее распространение получили: фиксаторы различной, мини-фиксаторы, компрессионные, дистракционные и универсальные, а также согласованные с биоритмами костной регенерации; клипсы; зажимы; скобки, скобы; скрепки; петли; перемычки, пружины, спирали, кольца, дуги и другие проволочные элементы, штифты, жгуты, трубки реконструктивные, втулки цельные и перфорированные, ленты, пластины (плоские, цилиндрической незамкнутой формы, корригирующие и др.), каркасы,

функциональные ортопедические пояса, сетки безузловые и плетёные, стенты сосудистые и внесосудистого применения графты и фильтры, эндопротезы сердечных клапанов, шовный материал, хирургические нити; фольги, гранулы, имлантанты, эндопротезы и дубликаторы замещающие и восстановительные экспандеры, различные трансформируемые специальные устройства (корректоры, дилататоры, компрессионно-дистракционные аппараты) другой различной конфигурации и формы, изделия их композиционного материала «биокерамика-никелид титана(нитинол), изделия из пористого никелида тина(нитинола), в том числе армированные или насыщенные биоактивными и антибактериальными добавками,

хирургические инструменты из сверхэластичных сплавов с памятью формы изменяемой геометрией: скальпели и долота, стоматологические шпатели, диссекторы, распаторы, зонды, хирургические ложки и ножи, зажимы, щипцы, пинцеты, иглы, расширители, в том числе ранорасширители, дилататоры, в том числе полых органов, протезы (сетчатые, кератопротезы и др.) и эндопротезы, устройства доставки, гибкие направляющие катетеры,

литоэкстракторы, тромбоэкстракторы, корзины-ловушки, бужи, электроды специальной формы, приспособления для наложения швов, пульпоэкстракторы, эндодонтические К-файлы, римеры, обтураторы, брекеты, криогенные аппликаторы, криоскальпели, криопинцеты, перистальтические устройства.

Список литературы

  1. Открытие № 239 от 8 марта 1948 г. Г. В. Курдюмов, Л. Г. Хандрос. "Явление термоупругого равновесия при фазовых превращениях мартенситного типа – эффект Курдюмова".
  2. В. А. Лихачев и др. Эффект памяти формы - Л., Издательство ЛГУ,1987 г., 216 с.
  3. Ооцука К., Симидзу К., Судзуки Ю. Сплавы с эффектом памяти формы: Пер. с яп. / Под ред. Х. Фунакубо. - М.: Металлургия, 1990, 224 с.
  4. WIKI 2/ Нитинол#История[Электронный ресурс].- Режим доступа: https://wiki2.org/ru/Нитинол#История(дата обращения: 13.09.2019).
  5. Группа НиТиМет Компани. Сплавы с памятью формы (Нитинол Ni - Ti)[Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://niti-met.ru/niti.php (дата обращения: 11.09.2019).
Интересная статья? Поделись ей с другими:

Внимание, откроется в новом окне. PDFПечатьE-mail