Способ получения композиционного материала с памятью формы на основе никелида титана

Изобретение относится к области металлургии, в частности к способам получения композиционных материалов с памятью формы на основе никелида титана, и может быть использовано при изготовлении материалов для хирургии. Предложен способ получения композиционного материала с памятью формы на основе никелида титана. Способ включает образование матрицы из расплава никелида титана с арматурой из титана, при этом исходную шихту матрицы выбирают с содержанием никеля 51,5-53,0 ат.%. Технический результат - повышение надежности обеспечения функциональных свойств композиционного материала. 4 ил.

 

Изобретение относится к медицинской технике и может использоваться при изготовлении материалов для хирургии.

Одним из методов улучшения функциональных качеств материалов, включая используемые для медицинских целей, является композиция известных материалов с намеренным выбором их ассортимента и подбором соответствующей технологии. При этом передача свойств отдельных составляющих образованному композиту не обязательно носит аддитивный характер. Изучением этих достаточно тонких и сложных физико-химических процессов занимается раздел материаловедения. Прикладные результаты исследований зачастую доводятся до технических решений, претендующих на патентную защиту.

В аналоги уровня техники должно включить композиционные материалы, содержащие сплав на основе никелида титана. Медицинский аспект использования последнего широко известен и признан.

Известен композиционный материал (и, соответственно, способ его получения), содержащий алюминиевую матрицу, армированную никелидом титана со свойством памяти формы [1]. Для получения этого материала никелид-титановую арматуру заливают расплавом алюминия. Полученный композит имеет достоинство - малый удельный вес, что в отдельных областях его применения играет важную роль. Однако желаемые от него свойства никелида титана - память формы, сверхэластичность, циклостойкость - проявляются слабо вследствие относительно малого содержания последнего.

Для медицинского применения, в большинстве случаев, это является существенным недостатком, что опосредованно порочит и сам способ его получения.

Известен способ получения композиционного материала с памятью формы на основе никелида титана [2]. В нем титановую матрицу заливают расплавом никелида титана, имеющего температуру ниже точки плавления титана. В последующие стадии технологии доведения полученного композита до кондиции использования входят традиционные приемы горячей прокатки, экструзии и волочения. Применение титана позволяет уменьшить удельный вес материала, габариты изготовленного из него устройства при частичном сохранении свойств никелида титана. Степень сохранения этих свойств зависит от количества армирующих элементов, их формы и размера. Вариации последних весьма разнообразны, соответственно, и свойства произведенного композита. В целом, технология способа изготовления относительно проста и доступна даже для мелкомасштабного изготовления, что в медицинских целях наиболее используемо. Недостатком способа является низкая надежность обеспечения функциональных свойств, присущих никелиду титана. Проведенные исследования выявили причину этого недостатка. Он состоит в следующем.

При изготовлении известного (неармированного) гомогенного сплава на основе никелида титана выбирают содержание никеля 49.5-51.0 ат.% для максимального проявления эффекта памяти формы при температурах ниже и выше 37°С и с содержанием никеля 50.2-51.5 ат.% для максимального проявления эффекта сверхэластичности. Наличие чистого титана (арматуры) в ходе изготовления композита приводит к увеличению в соединении никелида титана содержания титана и, соответственно, обеднение содержания никеля. Выход за пределы гомогенного состава приводит к снижению качества материала. Количественно этот процесс не контролируется и плохо управляется. Факт выхода за пределы гомогенного интервала никелида титана обнаруживают при испытании свойств готового материала, когда какая-нибудь коррекция практически невозможна. Строгой статистики приведенного явления пока не существует и, в целом, недостаток может быть интерпретирован как низкая надежность обеспечения функциональных свойств материала.

Технический результат предлагаемого решения - повышение надежности обеспечения функциональных свойств композиционного материала, характерных для никелида титана.

Достижимость указанного технического результата обусловлена тем, что в способе получения композиционного материала с памятью формы на основе никелида титана, включающем образование матрицы из никелида титана с арматурой из титана, шихту матрицы выбирают с содержанием никеля 51.5-53.0 ат.%.

В ходе изготовления композиционного материала, которое, как правило, проводят заливкой расплава никелида титана (имеющего температуру плавления ниже температуры плавления титана) в форму с подготовленным титановым армирующим каркасом. При температуре жидкого никелида титана происходит взаимодействие поверхностного слоя титана, смешивание атомов титана с имеющимися в составе шихты и последующая кристаллизация при охлаждении. Экспериментально найдено, что образующаяся добавка концентрации титана приводит к перераспределению содержания никеля и титана в никелиде титана к его оптимуму, когда концентрация никеля снижается до нормального технологического гомогенного уровня 49.5-51.0 ат.%.

На чертежах представлено:

фиг.1. Способ получения композиционного материала с памятью формы на основе никелида титана:

1 - арматура, 2 - матрица,

фиг.2. График зависимости величины деформации от температуры (эффект памяти формы) для никелида титана,

фиг.3. График зависимости величины деформации от температуры (эффект памяти формы) для композиционного материала TiNi+Ti,

фиг.4. График зависимости “напряжение-деформация” (эффект сверхэластичности):

1 - для никелида титана,

2 - для композиционного материала TiNi+Ti.

Практическим доказательством достижимости технического результата является сопоставительный анализ деформационных характеристик композиционного материала, полученного предлагаемым способом.

Пример

Образцы композиционного материала изготовлены методом центробежного литья в инертной атмосфере на высокочастотной установке ВЧИ1-4/1.76. В цилиндрический тигель установки помещен арматурный каркас 1 из двадцати параллельно и равномерно расположенных титановых проволок диаметра 1.2 мм. Шихта для получения расплава никелида титана подготовлена с содержанием ингредиентов:

Никель 52.5 ат.%,

Титан 47.5 ат.%.

Расплав никелида титана получен индукционным нагревом и залит в тигель в условиях действиях центробежных сил. После остывания матрицы 2 композиционный материал сформировался в виде фиг.1.

Оценка свойств полученного материала проводилась на основе экспериментально снятых нагрузочно-деформационных зависимостей, характеризующих эффекты памяти формы и сверхэластичности.

1. Эффект памяти формы

Полученный образец закрепляют концами к точкам опоры, отягощают грузом в его средней точке и измеряют деформацию при изменении температуры в сторону охлаждения образца (нижняя ветвь графика фиг.2, 3) и нагревания его (верхняя ветвь). Для материалов мартенситного типа, к которым относится никелид титана, характерной является резкая зависимость деформации в области температуры фазового перехода. При повышении температуры происходит восстановление формы, т.е. обратный ход деформации, но при другой температуре, что составляет эффект гистерезиса, и не до начального состояния - остаточная деформация. По величине гистерезиса и величине остаточной деформации судят о величине эффекта памяти формы, т.е. о качестве материала. Из графика фиг.3 следует, что ширина петли гистерезиса составляет приблизительно 95°, а остаточная деформация - 8 условных единиц. Из опыта работы с никелидом титана известно, что эти данные соответствуют хорошему качеству композита. Сравнение же их с графиком для чистого никелида титана показывает естественное понижение эффекта.

2. Эффект сверхэластичности.

Деформацию стержня осуществляют в изотермических условиях при температуре выше температуры фазового перехода. Верхние ветви графиков в фиг.4 для чистого никелида титана и полученного композита соответствуют нагрузке образца, нижние - разгрузке. Сверхэластичность (резиноподобие) характеризуется участками резкой зависимости величины деформации при нагрузке и разгрузке. Различные траектории графика также свидетельствуют о гистерезисе процесса. Представленные конкретные результаты подтверждают хорошее качество композита относительно сохранения указанных эффектов, а статистика производства материала - высокую надежность обеспечения функциональных свойств. В указанном конкретном образце удельный вес составил 5.5±0.1 г/см³ против 6.44±0.1 г/см³ чистого никелида титана. В ряде случаев практической медицины такой результат вполне оправдывает жертву снижения деформационных показателей.

Источники, использованные при составлении описания

1. Interface and Mechanical Properties of Ti-Ni-Wire reinforced Aluminum Matrix Composites. Южная Корея, 1998, 2, с.5.

2. Shape memory Biomaterials and Implants. Proceedings of International Conference. June 28-30, 2001, Tomsk.

Способ получения композиционного материала с памятью формы на основе никелида титана, включающий образование матрицы из расплава никелида титана с арматурой из титана, отличающийся тем, что исходную шихту матрицы выбирают с содержанием никеля 51,5÷53,0 ат.%.