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:

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

Травмотология и ортопедия:

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

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;

Хирургия желудочно-кишечного тракта, абдоминальная хирургия и колопроктология.

Торакоабдоминальная и желудочно-кишечная хирургия;

Эндоскопическая и лапароскопическая хирургия.

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

Офтальмология и микрохирургия глаза.

Гинекология, урогинекология и сексология.

Общая и клиническая хирургия.

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