Сплавы никелида титана в ортопедической стоматологии. Явления термомеханической памяти и свержэластнчности в композиционных сплавах на основе никелида титана. Основные свойства сплавов, обладающих сверхэластичностью и термомеханической памятью. Классификации сплавов по физико-механическим характеристикам. Технология применения сплавов.

Природа термомеханической памяти и сверхэластичности в композиционных сплавах на основе никелида титана.

Первые работы, связанные с исследованием эффекта памяти формы, или термомеханической памяти, относятся к сороковым годам прошлого века, когда Г.В. Курдюмовым с группой соавторов был открыт новый тип мартенситных превращений - так называемые термоупругие мартенситные реакции, лежащие в основе эффекта памяти формы, а также сверхупругих свойств материалов.

В настоящее время эффект памяти формы обнаруживается в большом количестве сплавов, в частности в сплавах на основе никелида титана, железоникелевых сплавах и в- сплавах на основе меди.

(РИС.2) Эффект памяти формы непосредственно связан с мартенситными превращениями. Эти превращения характеризуются полиморфными изменениями межфазовых границ при нагреве и охлаждении.

Механизм этих изменений обусловлен перестройкой кристаллической решетки с сохранением соседства атомов при упорядоченном перемещении на расстояния меньше межатомных, образуя направленное ориентирование кристаллической структуры. При этом межатомные связи не разрушаются с образованием новых, а остаются прежними, деформации кристаллической решетки приводят к накоплению деформационных напряжений. Это явление носит название кооперативного перемещения атомов в кристаллической решетке. На схеме показана аустенитная или исходная фаза кристаллической решетки и мартенситная или измененная фаза кристаллической решетки. При этом превращение происходит именно в мартенситной фазе. При понижении температуры, межфазная граница движется в одном направлении (прямое превращение), а при нагреве она

смещается в противоположном направлении (обратное превращение), что и приводит к восстановлению формы. Таким образом, макроскопически, проявление эффекта термомеханической памяти заключается в том, что при температурах выше температуры обратного превращения (600 - 900°С.) сплав можно продеформировать придав необходимую (исходную) форму, при низкой температуре сплав приобретает возможность пластической деформации в результате прямого превращения, придав любую иную форму. Далее при нагревании сплава до температуры обратного превращения сплав возвращается к исходной форме, совершая при этом работу. (РИС.3) В традиционных сплавах нержавеющей стали, аустенитные и мартенситные структуры не имеют направленного ориентирования. При деформации кристаллической решетки большая часть межатомных связей нарушается, часть из них образует новые связи, возникающие деформационные напряжения не имеют строго ориентированных направлений в связи, с чем сплавы не способны к проявлениям эффекта термомеханической памяти.

(Рис.4) Технология производства сплавов на основе Никелида Титана

В 70-х годах в Сибирском физико-техническом институте (СФТИ) при Томском госуниверситете была разработана технология получения сплавов, обладающих эффектом термомеханической памяти. Эта технологии! основана на использовании методов порошковой металлургии.

Процесс получения сплава на основе никелида титана заключается в применении технологии самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС), в результате которого получается интерметаллическое соединение титана и никеля. Технология получения никелида титана заключается в выполнении ряда последовательных операций.

1. Стадия получения заготовок для СВС. В качестве исходного материала используются порошки титана и никеля с содержанием примесей металлов менее 0,3 вес. % и примеси кислорода менее 0,12 вес %. Порошки компонентов высушивают при температуре 60-70°С. в течение 4-6 часов для

удаления влаги, что позволит обеспечить стабильное воспламенение и горение смеси. После сушки производится дозировка компонентов, пропорция составляется в весовом соотношении точность дозировки - 20 мг., Строго дозированные компоненты смешивают в стеклянных емкостях. Высокая степень гомогенности смеси достигается при времени смешивания не менее 4-5 часов. Высокая степень гомогенности смеси обеспечивает оптимальную скорость горения и влияет на фазовый состав конечного материала. Из приготовленной смеси порошков прессуют цилиндрические брикеты.

Для протекания самораспространяющегося высокотемпературного синтеза, необходима масса брикета не менее 1 килограмма. Прессовка брикетов осуществляется в специальных оправках под давлением 1000 тонн.

2. Стадия самораспространяющегося высокотемпературного

синтеза сплавов с памятью формы.

В основе свс лежит использование тепла, которое выделяется при экзотермической реакции различных элементов.

(РИС.5) Различают СВС в режиме послойного горения и СВС в режиме теплового взрыва.

СВС в режиме послойного горения осуществляется так. К торцевой части спрессованного брикета подводят тепловой импульс. В поверхностном слое возбуждается химическая реакция, которая самопроизвольно распространяется в виде волны горения, бегущей вдоль оси заготовки. За несколько секунд заготовка разогревается, и смесь порошков превращается в сплав. Температура в зоне реакции определяется энергетическими возможностями системы и может достигать большой величины. Таким образом, при послойном горении химическая реакция происходит не во всем объеме вещества, а только в перемещающемся тонком слое - волне горения. СВС в режиме теплового взрыва осуществляется путем нагревания смеси порошков до температуры, при которой в них начинается интенсивная реакция. Как правило, при этом появляется жидкая фаза. Происходит саморазогрев смеси до высокой температуры, и смесь порошков превращается в сплав.

Свойства памяти формы открывают принципиально новые возможности применения нового конструкционного материала в медицине.

Наряду с высокими параметрами эффекта памяти формы, наличием сверхэластичности и сверхупругости, сплавы на основе никелида титана обладают свойствами, которые позволяют применять его в качестве конструкционного материала в общей медицинской практике, травматологии, в практике ортопедической и хирургической стоматологии, ортодонтии. (РИС.6) Такими отличительными свойствами являются высокая степень биоэнертности, отсутствие канцерогенных раздражающих свойств, высокая антикоррозионная устойчивость. Антикоррозионная устойчивость никелида титана в 5% растворе азотной кислоты в 1000 раз выше, чем у стоматологических хромоникелевых сплавов. Кроме указанных свойств никелид титана обладает высокой стойкостью к абразивному износу и кавитации, а также хорошими демпфирующими и противоударными свойствами.

В Сибирском физико-техническом институте были разработаны ряд сплавов для медицины. Сплавы имеют следующие обозначения:

(РИС.7) ТН-1Э, ТН-1ХЭ, ТН-1А, ТН-1С, ТН-10, ТН-20, ТН-1М, ТН-1В, ТН-1П. Основой сплавов является никелид титана (TiNi), легированный железом, кобальтом, медью, азотом кислородом, углеродом, молибденом, серебром.

Основные физико-механические свойства сплавов на основе

Физико-механические свойства сплавов	Единиц. Измерен.	Величина
Плотность Температура плавления Предел прочности Предел текучести	г/см3 К МПа МПа	6,41-0,1 1513-1583 700-1000 5-200

(РИС.8) Каждый из представленных выше марок сплава имеют свои особенности проявления свойств термомеханической памяти. IТН-1Э проявляет сверхэластичные свойства при температуре +10 / +65°С.

-ТН-1ХЭ восстанавливает свою исходную форму после деформации в

хлорэтиловом хладагенте

-ТН-1А возможна пластическая деформация после охлаждения в жидком

азоте

-ТН-1 С характеризуется сверхпластичными свойствами и низким пределом

текучести

-ТН-10 восстанавливает форму в интервале температур +20 +36°С., после

деформации при +10°С.

-ТН-20 восстанавливает форму в интервале температур +25 * +35°С., после

деформации при <10°С.

-ТН-1М проявляет сверхэластичные свойства в широком интервале

температур

-ТН-1 В находится при комнатной температуре в двухфазном состоянии

может подвергаться знакопеременной деформации более 2-106 раз

-ТН-1П пористые сплавы с термомеханической памятью, служат для

замещения костной и мягких тканей.

Технология применения сплавов на основе никелида титана. В практике ортопедической стоматологии чаще используются сплавы никелида титана обладающие сверхупругими свойствами (ТН-1Э, ТН-1М), и проявляющие эффект термомеханической памяти (ТН-10, ТН-20). Эти сплавы используются для изготовления удерживаюх кламмеров, фиксирующих деталей замковых креплений, полинитевых внутриканальных штифтов, профилактических коронок и т.п. Лабораторное изготовление этих конструкций требует выполнения ряда технологических процессов.

Изготовление кламмера.