موضوع:
ساخت قطعات حافظه دار NiTi به روش متالورژی پودر جهت کاربردهای پزشکی
مقدمه
در سالیان اخیر استفاده از ترکیبات NiTi جهت ساخت قطعات مورد استفاده در علم پزشکی مانند قطعات جایگزین استخوان مورد توجه قرار گرفته است .در این تحقیق ساخت این قطعات به روش متالورژی پودر با استفاده از پودر های عنصری نیکل و تیتانیم مورد بررسی قرار گرفته است.
خاصیت حافظه داری
سوپر الاستیسیته
خاصیت جذب انرژی بالا
سازگاری عالی در محیط های بیولوژیکی
مقاومت به خستگی
مقاومت به خوردگی بالا
ویژگیهای آلیاژNiTi :
ساختار همگن
عدم ایجاد رسوبات و ترکیبات فلزی ناخواسته
عدم جذب گاز و ناخالصیهای کربنی ناشی از بوته های گرافیتی
چگالی پایین
تغییر فرم زیاد قبل از شکست
سازگاری زیاد با بافت بدن
کنترل خواص مکانیکی
مدول الاستیسیته پایین و نزدیک به استخوان
مزیت روش متالورژی پودر نسبت به روشهای دیگر
مواد و روش تحقیق
مواد مورد استفاده در این تحقیق عبارتند از :
پودر تیتانیم با خلوص 99/99درصد با سایز زیر 50 میکرون ساخته شده توسط شرکت JONHSON MATTHEY
پودر نیکل با خلوص بالای 99/5 درصد و با سایز زیر 10 میکرون از شرکت MERCH
مخلوط کردن پودرها به نسبت اتمی 50-50 در میکسر دوار جهت یکنواختی در ترکیب
فشردن پودر ها با پرس هیدرولیک تحت فشارهای 750و 930MPA
طراحی و ساخت نمونه مانند شکل 1
شکل 1-نونه تهیه شده از ترکیبNITI
طراحی شکل نمونه به صورتی است که با ان رفتار فیکسچرهای مورد استفاده برای ترمیم بافت استخوان را بتوان شبیه سازی نمود و همچنین نمونه ها قابلیت انجام تست کشش را دارا باشند.
نحوه عملیات تفجوشی در شکل 2 نشان داده شده است.
عملیات تفجوشی :
نگهداری نمونه ها در دمای C400 به مدت 1 ساعت جهت تجزیه TiH2
عملیات تفجوشی در دمای C1050بمدت 2 ساعت در خلاءTORR10
عملیات حرارتی تحت اتمسفر ارگون در دمای C500 به مدت 1 ساعت جهت بهینه ساختن رفتار حافظه داری.
یافته ها و بحث
شکل 3-تصویر متالوگرافی قطعات تهیه شده در (a) فشارMPA750 (b ) فشار MPA930 در مقیاس 100 میکرون
(a )
(b)
تصویر متالوگرافی از ساختار
با توجه به تصویر متالوگرافی نتیجه می شود که :
درهر دو حالت تخلخل های موجود در ساختار دارای شکل تقریبا منظم و کروی می باشند که این ساختار تاثیر مثبتی روی خواص مکانیکی و حافظه داری قطعه میگذارد
در نمونه با تخلخل 41% (a)حفره ها دارای ابعاد بزرگتر هستند و حفرات به هم پیوسته نیز در ساختار دیده می شوند
با افزایش فشار تخلخل به 31%(b)کاهش یافته و همچنین سایز حفرات کاهش یافته و حفرات همگی کروی بوده و کاملا از هم جدا میباشند و همچنین توزیع حفرات در قطعه یکنواخت تر شده است
توزیع حفره ها بر حسب نسبت سطحی حفره ها به سطح کل و تعداد حفره ها
با توجه به شکل(a) 4 مشخص می شود در هر دو فشار اعمالی اکثر حفره های ایجاد شده دارای ابعاد ریز هستند که با افزایش فشار توزیع حفره ها نسبتا منظم تر شده است
اما همانطور که در شکل(b)4 مشاهده می شود نسبت سطحی تخلخل ها مربوط به نمونه با فشار بالا توزیع مناسب تری دارد
پس در نتیجه جهت رسیدن به خواص دلخواه با کنترل فرایند تولید می توان قطعات با توزیع تخلخل مناسب را ایجاد نمود
آنالیزXRD قطعه پس از تفجوشی
شکل5-الگوی پراش اشعه X برای نمونه متخلخل NiTi
همانطور که در شکل 5 مشاهده می شود فقط پیک های NiTi در ساختار دیده میشود و سایر بین فلزی ها تشکیل نشده اند.
عدم وجود این ترکیبات در ساختار را به فروپاشی TiH2 در حین تفجوشی میتوان نسبت داد.
تصاویر متالوگرافی
((a
(b)
شکل6-تصاویر تیغه های مارتنزیتی در ساختار نمونه های NiTi در بزرگنمایی مختلف
همانگونه که در شکل 6 مشاهده می شود ساختار تماما از تیغه های مارتنزیتی تشکیل یافته است.
این تیغه ها به صورت گروه های مختلف در کنار یکدیگر به صورت خود جایگیری قرار گرفته اند .
این نوع مارتنزیت ،مارتنزیت ترمو الاستیک نامیده می شود که ایجاد کننده رفتار حافظه داری در مواد است .
با وجود این ساختار مارتنزیتی در دمای اتاق رفتار حافظه داری را می توان در قطعه انتظار داشت .
نقاط تیره رنگ در تصویر حفره های موجود در ساختار را نشان میدهد.
نمودار تنش – کرنش برای نمونه پس ازتفجوشی
با توجه به شکل 7 مدول الاستیک اندازه گیری شده GPA3/8 است که بسیار نزدیک به مدول الاستیک استخوان می باشد
در دمای محیط ،قطعه پس از باربرداری میزان3 درصد بازیابی کرنش دارد که به رفتار سوپر الاستیک ترکیب NiTi نسبت داده می شود
همچنین با افزایش دما تا c50 تقریبا 2 درصد کرنش بازیابی شده است که رفتار حافظه داری قطعه را نشان می دهد
تست خمش برای بررسی رفتار حافظه داری
شکل8-بررسی رفتار حافظه داری در نمونه های NiTi با استفاده از تست خمش سه نقطه a)قبل از بار کذاریb)پس از اعمال نیروc)گرم کردن تا دمای c45
(a)
(b)
(c)
برای بررسی رفتار حافظه داری ،نمونه تولید شده مطابق شکل 8 تحت عملیات خمش قرار گرفته است .
میزان 2 درصد کرنش در دمای محیط به قطعه اعمال شده است . بطوریکه در نقطه مرکز mm4جابجایی داریم.
در ادامه با افزایش دما تا c45 این مقدار کرنش بازیابی شده است
باتشکر