NiTi मिश्र धातुओं के सफल चिकित्सा अनुप्रयोग पूरी विनिर्माण प्रक्रिया के सख्त नियंत्रण पर निर्भर करते हैं, क्योंकि दोषों को अंतिम उत्पाद में स्थानांतरित किया जा सकता है। इस संबंध में कई मानक मौजूद हैं, जिनमें एएसटीएम एफ2063 भी शामिल है, जो न केवल मेडिकल-ग्रेड निकल-टाइटेनियम मिश्र धातुओं में ऑक्सीजन और नाइट्रोजन सामग्री को 500 भागों प्रति मिलियन (पीपीएम) तक सीमित करता है, बल्कि मेडिकल के उत्पादन में उपयोग किए जाने वाले निकल को भी सीमित करता है। ग्रेड उपकरण. टाइटेनियम मिश्र धातु पिघलने में समावेशन का अधिकतम आकार 39 माइक्रोन तक सीमित है। यह अनुभाग विभिन्न नितिनोल विनिर्माण चरणों और विधियों को देखेगा, उनके महत्व, उनके फायदे और नुकसान, और मेडिकल-ग्रेड नितिनोल के प्रसंस्करण के लिए उनकी उपयुक्तता पर प्रकाश डालेगा।
01. ढलाई/गलाने की प्रक्रिया
इसकी उच्च टाइटेनियम सामग्री के कारण, पिघला हुआ नाइटिनोल अत्यधिक प्रतिक्रियाशील होता है और इसे वैक्यूम में संसाधित किया जाना चाहिए। NiTi मिश्र धातुओं के निर्माण के लिए कास्टिंग प्रक्रियाएं सबसे आम हैं और इसमें वैक्यूम इंडक्शन मेल्टिंग (VIM), वैक्यूम आर्क रीमेल्टिंग (VAR), इलेक्ट्रॉन बीम मेल्टिंग और प्लाज्मा आर्क मेल्टिंग (PAM) शामिल हैं। इन चार तरीकों में से, निकल-टाइटेनियम मिश्र धातुओं का निर्माण मुख्य रूप से पहले कई VAR या VIM और फिर VAR द्वारा किया जाता है। यह खंड इन विधियों पर संक्षेप में चर्चा करता है, जबकि तालिका 1 उनके फायदे और सीमाओं पर प्रकाश डालती है। इसके अतिरिक्त, जैसा कि तालिका 2 में दिखाया गया है, चूंकि यह मेडिकल ग्रेड अनुप्रयोगों के लिए NiTi मिश्र धातुओं की समीक्षा है, कार्बन और ऑक्सीजन की संवेदनशीलता, एकरूपता और रासायनिक संरचना के आधार पर उपयुक्तता विश्लेषण भी किया गया था, क्योंकि ये कारक मिश्र धातु की गुणवत्ता को प्रभावित करेंगे। और इस प्रकार इसका प्रदर्शन।
तालिका 1. नितिनोल कास्टिंग/पिघलने की विनिर्माण विधियों के लाभ और सीमाएं।
तालिका 2। चिकित्सा अनुप्रयोगों के लिए NiTi मिश्र धातुओं के प्रसंस्करण के लिए उपयुक्तता के आधार पर तरीकों की तुलना।
01.1. वैक्यूम इंडक्शन मेल्टिंग (वीआईएम)
वीआईएम में एक पिघला हुआ ग्रेफाइट क्रूसिबल होता है जो स्टील के खोल के भीतर रखा जाता है और एक वैक्यूम से जुड़ा होता है। जब एड़ी धाराओं को ग्रेफाइट क्रूसिबल और धातु आवेशों में पेश किया जाता है, तो इलेक्ट्रोडायनामिक बल उत्पन्न होते हैं जो पिघल को हिलाने और मिश्रण करने में सहायता करते हैं। NiTi मिश्र धातुओं के व्यावसायिक उत्पादन के लिए VIM सबसे व्यापक रूप से उपयोग की जाने वाली प्रक्रिया है। अन्य वैक्यूम पिघलने की प्रक्रियाओं की तुलना में, यह पिघल सरगर्मी के माध्यम से समय, दबाव, तापमान और द्रव्यमान हस्तांतरण के स्वतंत्र नियंत्रण के माध्यम से एकरूपता और मिश्र धातु संरचना का अधिक लचीलापन और बेहतर नियंत्रण प्रदान करता है। हालाँकि, चूंकि ग्रेफाइट क्रूसिबल का उपयोग किया जाता है, वे कार्बन संदूषण के प्रति संवेदनशील होते हैं। विशिष्ट कार्बन अशुद्धता स्तर 300 और 700 पीपीएम के बीच होते हैं, हालांकि सावधानीपूर्वक नियंत्रण के साथ, 200 और 500 पीपीएम के बीच कार्बन स्तर वाले सिल्लियां संभव हैं।
01.2. वैक्यूम आर्क रीमेल्टिंग (VAR)
वैक्यूम आर्क रीमेल्टिंग में, उपभोज्य या गैर-उपभोज्य इलेक्ट्रोड को वैक्यूम वातावरण में एक आर्क का उपयोग करके लगातार रीमेल्ट किया जाता है। VAR पिघलने से अत्यधिक उच्च शुद्धता की मिश्रधातु उत्पन्न होती है और इसलिए इसका उपयोग VIM सिल्लियों की सफाई और संरचना में सुधार के लिए किया जा सकता है। हालाँकि, संपूर्ण पिंड को एक साथ नहीं पिघलाया जाता है और वांछित एकरूपता प्राप्त करने के लिए कई बार पिघलाने की आवश्यकता हो सकती है।
01.3. प्लाज़्मा आर्क मेल्टिंग (PAM)
प्लाज्मा आर्क पिघलने की प्रक्रिया में, इनपुट मौलिक धातु को तांबे के पानी से ठंडा क्रिस्टलाइज़र में रखा जाता है और फिर आर्गन प्लाज्मा बर्नर के नीचे एक सर्पिल द्वारा संप्रेषित किया जाता है। यह विधि वैक्यूम इंडक्शन फर्नेस क्रूसिबल के उपयोग से होने वाले संदूषण को समाप्त करती है। इसलिए, पीएएम कंपनी द्वारा उत्पादित निकल-टाइटेनियम मिश्र धातु में वीआईएम कंपनी द्वारा उत्पादित निकल-टाइटेनियम मिश्र धातु की तुलना में उच्च शुद्धता और बेहतर संक्षारण प्रतिरोध है। इसमें बहुत छोटे समावेशन भी हैं, जैसा चित्र 3 में दिखाया गया है। हालाँकि, इसमें कम एकरूपता है और VIM के समान एकरूपता प्राप्त करने के लिए कई PAM टॉर्च की आवश्यकता होती है।
चित्र 3. PAM (a) और VIM (b) हॉट-रोल्ड और पूरी तरह से एनील्ड Ni50.8Ti49.2 छड़ों की SEM छवियां। तीर विशिष्ट समावेशन जीआर4 की ओर इशारा करता है।
01.4. इलेक्ट्रॉन किरण का पिघलना
इस विधि में, वैक्यूम इंडक्शन भट्टी में तैयार एक गोल पिंड को VIM (10 Pa) की तुलना में बहुत अधिक वैक्यूम (10^(-2) Pa) के साथ इलेक्ट्रॉनिक हीटिंग द्वारा पिघलाया जाता है। क्रूसिबल की अनुपस्थिति के साथ, आगे कार्बन संदूषण का जोखिम समाप्त हो जाता है और पिघलने की गुणवत्ता पिंड की गुणवत्ता पर निर्भर करती है। ईबीएम अत्यधिक शुद्ध है जिसमें ऑक्सीजन की मात्रा 70 पीपीएम (वीआईएम से 4-10 गुना कम) जितनी कम है।
01.5. पिघलने की प्रक्रिया का सारांश
पिघलने की प्रक्रिया के दौरान, यह सुनिश्चित करने के लिए बहुत सावधानी बरतनी चाहिए कि समावेशन और उच्च कार्बन/ऑक्सीजन सामग्री जैसे कारक जो मिश्र धातु को नकारात्मक रूप से प्रभावित कर सकते हैं, कम से कम हों। उदाहरण के लिए, अध्ययनों से पता चला है कि समावेशन की उपस्थिति न केवल अंतिम उत्पाद को नकारात्मक रूप से प्रभावित करती है बल्कि मशीनिंग प्रक्रिया को भी प्रभावित कर सकती है। उदाहरण के लिए, अध्ययनों से पता चला है कि समावेशन-मुक्त मिश्रधातुओं की तुलना में NiTi मिश्रधातुओं को मोड़ने पर समावेशन से उपकरण का जीवनकाल कम हो सकता है। यह सर्वविदित है कि कार्बाइड (TiC) और इंटरमेटालिक ऑक्साइड (Ti4Ni2Ox) जैसे गैर-धातु समावेशन पिघलने की प्रक्रिया के दौरान NiTi मिश्र धातु चिकित्सा उपकरणों में प्रवेश करते समय थकान विफलता का कारण बन सकते हैं। समावेशन इलेक्ट्रोपॉलिश किए गए NiTi मिश्र धातुओं की संक्षारण की संवेदनशीलता को भी प्रभावित करता है, समावेशन के आकार का समावेशन की संख्या की तुलना में अधिक प्रभाव पड़ता है।
02.पाउडर धातुकर्म प्रक्रिया (पीएम)
पाउडर धातुकर्म प्रक्रियाओं में पारंपरिक धातुकर्म प्रक्रियाएं और एडिटिव मैन्युफैक्चरिंग (एएम) प्रक्रियाएं शामिल हैं। पारंपरिक पाउडर धातु विज्ञान प्रक्रियाओं में पारंपरिक सिंटरिंग (सीएस), हॉट आइसोस्टैटिक प्रेसिंग (एचआईएस), स्पार्क प्लाज्मा सिंटरिंग (एसपीएस), मेटल इंजेक्शन मोल्डिंग (एमआईएम) और स्व-प्रसार उच्च तापमान संश्लेषण (एसएचएस) शामिल हैं। दूसरी ओर, एडिटिव मैन्युफैक्चरिंग पीएम प्रक्रियाओं में सेलेक्टिव लेजर मेल्टिंग (एसएलएम), लेजर इंजीनियर्ड नेट शेपिंग (एलईएनएस), इलेक्ट्रॉन बीम मेल्टिंग (ईबीएम), और सेलेक्टिव लेजर सिंटरिंग (एसएलएस) शामिल हैं। इन प्रक्रियाओं के लाभ और सीमाएँ तालिका 4 में दर्शाई गई हैं।
तालिका 4. पाउडर धातु विज्ञान NiTi मिश्र धातु निर्माण विधियों के लाभ और सीमाएँ।
यद्यपि कास्टिंग प्रक्रिया निकल-टाइटेनियम मिश्र धातु बनाने के लिए अधिक लोकप्रिय है, विशेष रूप से चिकित्सा अनुप्रयोगों के लिए, पाउडर धातु विज्ञान ने साबित कर दिया है कि इसमें कुछ क्षेत्रों में कास्टिंग को प्रतिद्वंद्वी या उससे भी बेहतर प्रदर्शन करने की क्षमता है, जिसमें अलगाव नहीं होता है। उच्च मिश्र धातु संरचनाएं कम तापमान पर प्राप्त की जाती हैं, जिसके परिणामस्वरूप आइसोट्रोपिक भौतिक और यांत्रिक गुण होते हैं। वास्तव में, पाउडर धातु विज्ञान से जुड़ा तीव्र जमना (आरएस) कभी-कभी भौतिक और यांत्रिक गुणों में सुधार करता है। यह बहुत महत्वपूर्ण है क्योंकि इसका दूरगामी प्रभाव पड़ता है। उदाहरण के लिए, एक समान और बारीक माइक्रोस्ट्रक्चर मशीनिंग गुणों में सुधार करता है, जबकि पाउडर धातु विज्ञान द्वारा प्रदान की गई लचीलापन रोलिंग, एक्सट्रूज़न और फोर्जिंग जैसे ठंडे और गर्म काम करने वाले गुणों में सुधार करती है। सामान्यतया, भौतिक गुणों में सुधार उत्पाद शेल्फ जीवन को प्रभावित करेगा। मिश्र धातु की एकरूपता में सुधार करने के लिए, कच्चे धातु पाउडर सिंटरिंग की तुलना में मिश्र धातु पाउडर सिंटरिंग अधिक लोकप्रिय है। चरण संक्रमण तापमान को नियंत्रित करने के लिए पाउडर धातु विज्ञान का भी उपयोग किया जा सकता है।
व्यावसायिक रूप से, पीएम का उपयोग झरझरा NiTi मिश्र धातुओं के उत्पादन के लिए किया गया है। इस संबंध में, HIP, MIM और SHS जैसी विभिन्न विधियाँ झरझरा NiTi प्रत्यारोपण के लिए मुख्य शर्तों को पूरा करती हैं। इन आवश्यकताओं में शामिल हैं: 30% और 80% के बीच खुला और परस्पर जुड़ा हुआ छिद्र, 100 μm और 600 μm के बीच छिद्र का आकार, उच्च शक्ति (2% तनाव पर कम से कम 100 एमपीए), कम यंग मापांक (यंग का मापांक रद्द हड्डी के करीब)<3 GPa) or cortical bone (10-20 GPa)) and high recovery strain (more than 2% recovery after 8% loading).
हालाँकि, कुछ समस्याएं हैं जो मेडिकल-ग्रेड निकल-टाइटेनियम मिश्र धातु पाउडर धातुकर्म सामग्री के पूर्ण उपयोग में बाधा डालती हैं। सबसे पहले, ऑक्सीजन नियंत्रण एक गंभीर चुनौती है, क्योंकि विशिष्ट पाउडर धातु विज्ञान NiTi भागों में ऑक्सीजन का स्तर 3000 पीपीएम तक होता है। हालाँकि सावधानी से संभालने पर इसे 1500 पीपीएम तक कम किया जा सकता है, लेकिन लचीलेपन और थकान पर इस ऑक्सीजन स्तर का प्रभाव अभी भी चिंता का विषय है। इसके अलावा, उच्च सरंध्रता द्वारा निर्मित बड़े उजागर सतह क्षेत्र के कारण, सेल एलर्जी, जीनोटॉक्सिसिटी और साइटोटॉक्सिसिटी जैसे हानिकारक प्रभाव पैदा करने की क्षमता के कारण निकल लीचिंग एक गंभीर समस्या है। इसके अलावा, छिद्र न केवल NiTi के संक्षारण प्रतिरोध को कम करते हैं, बल्कि निकल रिलीज को भी प्रभावित करते हैं, जो कि ठोस NiTi की तुलना में SHS से बने अनुपचारित छिद्रित NiTi में परिमाण के दो ऑर्डर अधिक है।
इसके अलावा, सिंटर्ड मिश्र धातु उच्च भंगुर ऑक्साइड सामग्री (Ti4Ni2Ox: 0 < x 1 से कम या उसके बराबर) के साथ मिश्र धातु का उत्पादन करती है। अंतिम लेकिन कम से कम, Ni-Ti मिश्र धातु पाउडर की सघनीकरण प्रक्रिया कठिन है, मुख्य रूप से निकल और टाइटेनियम के बीच प्रसार अंतर और अत्यधिक एक्ज़ोथिर्मिक निकल-टाइटेनियम मिश्र धातु बनाने की प्रतिक्रिया और Ni3Ti, Ti2Ni तरल यूटेक्टिक केशिका प्रभाव की उपस्थिति के कारण होता है।