Aplicações médicas bem-sucedidas de ligas de NiTi dependem de um controle rígido de todo o processo de fabricação, pois os defeitos podem ser transferidos para o produto final. Existem vários padrões em vigor a esse respeito, incluindo ASTM F2063, que não apenas limita o teor de oxigênio e nitrogênio em ligas de níquel-titânio de uso médico a 500 partes por milhão (ppm), mas também o níquel usado na produção de produtos médicos. equipamento de grau. O tamanho máximo das inclusões em ligas de titânio fundidas é limitado a 39 μm. Esta seção examinará as diferentes etapas e métodos de fabricação do Nitinol, destacando sua importância, suas vantagens e desvantagens e sua adequação para o processamento de Nitinol de grau médico.
01.Processo de fundição/fundição
Devido ao seu alto teor de titânio, o nitinol fundido é altamente reativo e deve ser processado em vácuo. Os processos de fundição são os mais comuns para a fabricação de ligas de NiTi e incluem fusão por indução a vácuo (VIM), refusão por arco a vácuo (VAR), fusão por feixe de elétrons e fusão por arco de plasma (PAM). Entre esses quatro métodos, as ligas de níquel-titânio são fabricadas principalmente por vários VAR ou VIM primeiro e depois por VAR. Esta seção discute brevemente esses métodos, enquanto a Tabela 1 destaca suas vantagens e limitações. Além disso, conforme mostrado na Tabela 2, por se tratar de uma revisão de ligas de NiTi para aplicações de grau médico, a análise de adequação também foi realizada com base na sensibilidade ao carbono e ao oxigênio, uniformidade e composição química, pois esses fatores afetariam a qualidade da liga. e, portanto, seu desempenho.
Tabela 1. Vantagens e limitações dos métodos de fabricação de fundição/fusão de nitinol.
Mesa 2. Comparação de métodos baseados na adequação para processamento de ligas de NiTi para aplicações médicas.
01.1. Fusão por indução a vácuo (VIM)
O VIM consiste em um cadinho de grafite fundido alojado dentro de um invólucro de aço e conectado a um vácuo. Quando correntes parasitas são introduzidas no cadinho de grafite e nas cargas metálicas, são geradas forças eletrodinâmicas que auxiliam na agitação e mistura do fundido. VIM é o processo mais utilizado para produção comercial de ligas de NiTi. Comparado com outros processos de fusão a vácuo, proporciona maior flexibilidade e melhor controle da uniformidade e composição da liga através do controle independente de tempo, pressão, temperatura e transferência de massa através da agitação do fundido. No entanto, como são utilizados cadinhos de grafite, eles são suscetíveis à contaminação por carbono. Os níveis típicos de impureza de carbono estão entre 300 e 700 ppm, embora com um controle cuidadoso, sejam possíveis lingotes com níveis de carbono entre 200 e 500 ppm.
01.2. Refusão por arco a vácuo (VAR)
Na refusão por arco a vácuo, eletrodos consumíveis ou não consumíveis são refundidos continuamente usando um arco em um ambiente de vácuo. A fusão VAR produz ligas de pureza extremamente alta e pode, portanto, ser usada para melhorar a limpeza e a estrutura dos lingotes VIM. No entanto, todo o lingote não é fundido simultaneamente e podem ser necessárias múltiplas fusões para alcançar a uniformidade desejada.
01.3. Fusão de arco de plasma (PAM)
No processo de fusão por arco de plasma, o metal elementar de entrada é colocado em um cristalizador de cobre resfriado com água e então transportado por uma espiral sob o queimador de plasma de argônio. Este método elimina a contaminação causada pelo uso de cadinhos de forno de indução a vácuo. Portanto, a liga de níquel-titânio produzida pela PAM Company possui maior pureza e melhor resistência à corrosão do que a liga de níquel-titânio produzida pela VIM Company. Também possui inclusões muito menores, conforme mostrado na Figura 3. No entanto, possui menor uniformidade e requer múltiplas tochas PAM para obter uniformidade semelhante ao VIM.
Figura 3. Imagens SEM PAM (a) e VIM (b) de hastes Ni50.8Ti49.2 laminadas a quente e totalmente recozidas. A seta aponta para a inclusão típica gr4.
01.4. Fusão por feixe de elétrons
Neste método, um lingote redondo preparado em um forno de indução a vácuo é fundido por aquecimento eletrônico com um vácuo muito maior (10^(-2) Pa) do que VIM (10 Pa). Juntamente com a ausência de um cadinho, o risco de contaminação adicional por carbono é eliminado e a qualidade do fundido depende da qualidade do lingote. EBM é altamente puro com teor de oxigênio tão baixo quanto 70 ppm (4-10 vezes menor que VIM).
01.5. Resumo do processo de fusão
Durante o processo de fusão, muito cuidado deve ser tomado para garantir que fatores como inclusões e alto teor de carbono/oxigênio que podem afetar negativamente a liga sejam minimizados. Por exemplo, estudos descobriram que a presença de inclusões não só afeta negativamente o produto final, mas também pode afetar o processo de usinagem. Por exemplo, estudos demonstraram que as inclusões podem levar a uma vida útil mais curta da ferramenta ao tornear ligas de NiTi em comparação com ligas sem inclusões. É bem conhecido que inclusões não metálicas, como carbonetos (TiC) e óxidos intermetálicos (Ti4Ni2Ox), podem causar falhas por fadiga ao entrar em dispositivos médicos de liga NiTi durante o processo de fusão. As inclusões também afetam a suscetibilidade das ligas de NiTi eletropolidas à corrosão por pite, com o tamanho das inclusões tendo um impacto maior do que o número de inclusões.
02.Processo de metalurgia do pó (PM)
Os processos de metalurgia do pó incluem processos de metalurgia tradicional e processos de fabricação aditiva (AM). Os processos tradicionais de metalurgia do pó incluem sinterização convencional (CS), prensagem isostática a quente (HIS), sinterização por plasma centelhado (SPS), moldagem por injeção de metal (MIM) e síntese autopropagada em alta temperatura (SHS). Por outro lado, os processos de PM de fabricação aditiva incluem fusão seletiva a laser (SLM), modelagem de rede projetada a laser (LENS), fusão por feixe de elétrons (EBM) e sinterização seletiva a laser (SLS). As vantagens e limitações desses processos são mostradas na Tabela 4.
Tabela 4. Vantagens e limitações dos métodos de fabricação de ligas de NiTi por metalurgia do pó.
Embora o processo de fundição seja mais popular para a fabricação de ligas de níquel-titânio, especialmente para aplicações médicas, a metalurgia do pó provou que tem potencial para rivalizar ou até mesmo superar a fundição em algumas áreas, inclusive onde não ocorre segregação. Composições de liga mais altas são obtidas em temperaturas mais baixas, resultando em propriedades físicas e mecânicas isotrópicas. Na verdade, a rápida solidificação (RS) associada à metalurgia do pó às vezes melhora as propriedades físicas e mecânicas. Isto é muito importante porque tem um efeito de arrastamento. Por exemplo, uma microestrutura uniforme e fina melhora as propriedades de usinagem, enquanto a ductilidade proporcionada pela metalurgia do pó melhora as propriedades de trabalho a frio e a quente, como laminação, extrusão e forjamento. De modo geral, as melhorias nas propriedades dos materiais terão impacto na vida útil do produto. A fim de melhorar a uniformidade da liga, a sinterização de pó de liga é mais popular do que a sinterização de pó de metal bruto. A metalurgia do pó também pode ser usada para controlar as temperaturas de transição de fase.
Comercialmente, o PM tem sido usado para produzir ligas porosas de NiTi. Nesse sentido, diferentes métodos como HIP, MIM e SHS atendem aos principais pré-requisitos para implantes porosos de NiTi. Esses requisitos incluem: porosidade aberta e interconectada entre 30% e 80%, tamanho de poro entre 100 μm e 600 μm, alta resistência (pelo menos 100 MPa a 2% de deformação), baixo módulo de Young (módulo de Young próximo ao do osso esponjoso (<3 GPa) or cortical bone (10-20 GPa)) and high recovery strain (more than 2% recovery after 8% loading).
No entanto, existem alguns problemas que impedem a plena utilização de materiais de metalurgia do pó de liga de níquel-titânio de qualidade médica. Primeiro, o controle de oxigênio é um sério desafio, já que as peças típicas de NiTi da metalurgia do pó têm níveis de oxigênio de até 3.000 ppm. Embora possa ser reduzido para 1.500 ppm com manuseio cuidadoso, o impacto deste nível de oxigênio na ductilidade e na fadiga ainda é uma preocupação. Além disso, devido à grande área superficial exposta criada pela alta porosidade, a lixiviação do níquel é um problema sério devido à sua capacidade de causar efeitos nocivos, como alergia celular, genotoxicidade e citotoxicidade. Além disso, os poros não apenas reduzem a resistência à corrosão do NiTi, mas também afetam a liberação de níquel, que é duas ordens de grandeza maior no NiTi poroso não tratado feito com SHS do que no NiTi sólido.
Além disso, as ligas sinterizadas produzem ligas com maior teor de óxidos frágeis (Ti4Ni2Ox:0 < x Menor ou igual a 1). Por último, mas não menos importante, o processo de densificação do pó da liga Ni-Ti é difícil, principalmente devido à diferença de difusividade entre o níquel e o titânio e à reação de formação da liga altamente exotérmica de níquel-titânio e ao efeito capilar eutético líquido Ni3Ti, Ti2Ni causado pela presença.