JP7039583B2 - 形状記憶及び超弾性の性質を備えたNiフリーベータTi合金 - Google Patents
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Description
本開示は、改善された回復ひずみ性を示すニッケルフリーの超弾性合金を提供する。このような合金は、微量不純物として500ppm、又はそれ未満の限度レベルでニッケルを含有する。例えば、ワイヤ及び他の構造物はTi+(16-20)(Hf+Zr)+(8-17)Nb+(0.25-6)Sn(at%)で作製することができる。この合金群から作製される構造物は、後述するような適当な熱調整を受けた後、ニッケル系合金に匹敵し、他のニッケルフリー合金よりも優れた回復ひずみ性を示すことが見出されている。特に、本開示の合金は、ニッケルに敏感な患者用など、医療装置における用途に好適である。
ここで、「ワイヤ」又は「ワイヤ製品」は、連続ワイヤ及びワイヤ製品を包含する。連続して製造され、その後に処理、使用するため、スプールに巻き付けられる場合がある。例えば円形断面を有するワイヤ、及び非円形断面を有し、平角ワイヤ又はリボンを含むワイヤなどである。また、「ワイヤ」又は「ワイヤ製品」は、ストランド、ケーブル、コイル、及び管類など、他のワイヤ系製品を包含し、特定の用途に応じて特定の長さで製造することができる。いくつかの例示的実施形態において、本開示によるワイヤ又はワイヤ製品は、最大で2.5mmの直径を有することができる。ワイヤ及びワイヤ製品に加えて、本開示の原理は、2.5mmより大きく、最大で20mmの直径を有するロッド材料など、他の材料形状を製造するのに用いることができる。例示的な管類構造はワイヤ状又はロッド状であり、内径0.5mmから4.0mm、壁厚0.100mmから1.00mmを有する。「微細ワイヤ」は1mm未満の外径を有するワイヤを指す。
医療装置など一部の用途では、実質的に変形し(例、4%以上)、続いて材料に対し永久的な損傷又は塑性変形なしに、完全に回復することができる材料が有効である。このような材料は高い弾性変形性を有し、塑性変形がほとんど無いか全くないため、一般的に「超弾性」材料と呼ばれる。伝統的に、ニッケル-チタン材料は超弾性材料を必要とする用途の優れた候補である。しかし、ニッケルに敏感であるか、避けたい患者に使用される医療装置など、伝統的なNiTi系合金が好適な選択肢でない場合がある。これらの設計制約の認識から、本開示により作製された材料は実質的にニッケルフリーのベータチタン材料を提供し、医療装置等の使用に好適な超弾性挙動を示す。
・合計で16~20at%のハフニウム、ジルコニウム又はその混合物;
・8~17at%のニオブ;
・0.25~6at%のスズ;
・合金組成物の残部を形成するチタン及び任意の不純物、を含む。
一つの例示的実施形態において、それぞれ図1B及び1Aに示すように、本開示により作製されたTi-Hf/Zr-Nb-Sn材料を医療グレードのワイヤ101又は103に形成することができる。ワイヤ101、103は例えば2.5mm未満のワイヤ外径D2Sを有してよい。以下に詳細に記載するように、ロッド、管及び他の構成物も作製することができる。
ワイヤ101、103を、例えば中間材料形状(例えば、インゴット又はロッド)を引抜及びアニーリングするスケジュールにより作製して、最終加工の準備が整った最初の粗ワイヤ構造物を作製することができる。その後、以下にさらに記載するように、完成ワイヤ製品に所望の機械的性質を付与するため、ワイヤ101又は103を冷間加工調整工程(図2A~2B)、並びに形状固定、アニーリング及び/又は時効など、1つ又は複数の熱加工ステップに付すことができる。
構成物の材料又は複数の材料の融点以下である公称温度での熱応力緩和、つまり当技術分野で公知のアニーリングは、引抜工程間の構成物の延性を改善するために用いられ、これにより続く引抜工程によりさらに塑性変形を与える。上記の式(I)を用いて冷間加工cwを計算する場合、材料に冷間加工を付与するプロセス後にアニーリングを実施しないことを前提とする。
最初の反復引抜/アニーリング加工が終了した後、得られる粗ワイヤ材料を最終形状に最終的に加工することができる。例えば、デバイス全径DSを有する網目状ステント100(図8)、編組ステント110(図9)又は以下にさらに記載するような他の医療装置への一体化に好適な微細ワイヤが挙げられる。例示的なワイヤ構成物を以下にさらに詳細に記載する。
上記最初の形状固定熱加工後、任意で被加工物を第2の熱加工段階に付すことができ、これは「時効」としても知られる。ある例示的実施形態において、被加工物をわずか150℃、170℃又は190℃の温度、及び210℃、230℃又は250℃もの温度で、あるいは上述の値の任意の2つにより定義される任意の範囲の任意の温度で時効することができる。被加工物をこの温度に暴露する時間は、わずか1秒、1分又は15分の時間、及び30分、45分又は1時間もの時間でもよく、あるいは上述の値の任意の2つにより定義される任意の範囲における任意の時間でよい。一つの特定の例示的実施形態において、200℃、10分間で時効を終了する。
上述した加工パラメータは様々な組み合わせで用いることができ、異なる用途に好適な材料を作製する。下記は、ある選択された材料サイズ及び形態に関する例示的な加工パラメータである。以下の例示的条件は実質的に線形に推定して、下記に一覧するものの間の材料サイズ及び形態に関する加工パラメータを決定することができることが理解される。例えば、直径がそれぞれ0.008及び0.023センチメートルであるワイヤに関して以下に列挙する加工パラメータの中間域の加工パラメータを用いることにより、直径が0.015センチメートルであるワイヤ(つまり下記の「超微細」及び「微細」間材料)を、本開示による超弾性構成物に形成することができる。
本開示による例示的な単層Ti-Hf/Zr-Nb-Sn合金ワイヤを製造、試験し、特に一軸引張試験における機械性能に関して特徴付けた。このような試験を米国マサチューセッツ州ノーウッドのインストロンから入手できるインストロンモデル5565試験機で行うことができる。より具体的には、非特許文献1に記載の方法を用い、候補材料の最大強度、降伏強度、軸剛性及び延性を測るために、ワイヤ材料の破壊一軸引張試験を用いた。その開示全体は参照によりここに明確に組み込まれる。金属材料引張試験の業界標準に従い、サーボ制御されたインストロンの荷重フレームを用いてこれらの試験を行う。
Claims (40)
- ベータチタン合金であって、
16at%から20at%のハフニウム、ジルコニウム、又はその組合せと;
8at%から17at%のニオブと;
0.25at%から6at%のスズと;
0.05wt%未満のニッケルと;
残部チタン及び不純物からなり、
前記ベータチタン合金が少なくとも3.5%の等温回復ひずみを有する超弾性挙動を示し、
前記ベータチタン合金が形状固定部品で形成される、ベータチタン合金。 - 前記ベータチタン合金が少なくとも5%の等温回復ひずみを有する超弾性挙動を示す、請求項1に記載のベータチタン合金。
- 最低1%のハフニウムが前記ベータチタン合金に含まれる、請求項1に記載のベータチタン合金。
- 前記ベータチタン合金が、ハフニウム及びジルコニウムの両方を含み、ジルコニウムに対するハフニウムの比率が3:1から1:17である、請求項1に記載のベータチタン合金。
- 前記ベータチタン合金が16at%から20at%のハフニウムを含む、請求項1に記載のベータチタン合金。
- 前記形状固定部品が引抜部品である、請求項1に記載のベータチタン合金。
- 前記引抜部品がワイヤ、管及びロッドのうちの1つである、請求項6に記載のベータチタン合金。
- 前記引抜部品が、0.84×10-6から410×10-6平方センチメートルの断面積を有し、ジルコニウムに対するハフニウムの比率が3:1から10:1であるワイヤである、請求項6に記載のベータチタン合金。
- 前記引抜部品が、410×10-6から1140×10-6平方センチメートルの断面積を有し、ジルコニウムに対するハフニウムの比率が3:1から1:5であるワイヤである、請求項6に記載のベータチタン合金。
- 前記引抜部品が、1140×10-6から4561×10-6平方センチメートルの断面積を有し、ジルコニウムに対するハフニウムの比率が1:5から1:8であるワイヤである、請求項6に記載のベータチタン合金。
- 前記引抜部品が、32×10-3から203×10-3平方センチメートルの断面積を有し、ジルコニウムに対するハフニウムの比率が1:8から1:17であるロッドである、請求項6に記載のベータチタン合金。
- 前記引抜部品が、中空を有するシェル及び前記シェル内に収容されるコアを含む複合ワイヤである、請求項6に記載のベータチタン合金。
- 前記ベータチタン合金が75%から99%の冷間加工を保持している、請求項1に記載のベータチタン合金。
- 前記ベータチタン合金が2.0から5.0at%のスズを含む、請求項1に記載のベータチタン合金。
- 前記ベータチタン合金が500ppm未満のニッケルを含む、請求項1に記載のベータチタン合金。
- 前記ベータチタン合金が0.01wt%未満のニッケルを含む、請求項1に記載のベータチタン合金。
- 前記ベータチタン合金は、前記ベータチタン合金が106サイクルで0.5%の交番ひずみに耐えるような疲労強度を示す、請求項1に記載のベータチタン合金。
- 前記ベータチタン合金が827MPaに達する最大引張強さを示す、請求項1に記載のベータチタン合金。
- ベータチタン材料であって、
16at%から20at%のハフニウム、ジルコニウム又はその組合せと;
8at%から17at%のニオブと;
0.25at%から6at%のスズと;
0.05wt%未満のニッケルと;
残部チタン及び不純物からなり、
前記材料が少なくとも3.5%の等温回復ひずみを有する超弾性挙動を示し、
前記材料が引抜構成物である、ベータチタン材料。 - 前記材料が少なくとも5%の等温回復ひずみを有する超弾性挙動を示す、請求項19に記載のベータチタン材料。
- 最低1%のハフニウムが前記材料に含まれる、請求項19に記載のベータチタン材料。
- 前記材料が、ハフニウム及びジルコニウムの両方を含み、ジルコニウムに対するハフニウムの比率が3:1から1:17である、請求項19に記載のベータチタン材料。
- 前記材料が16at%から20at%のハフニウムを含む、請求項19に記載のベータチタン材料。
- 前記引抜構成物がワイヤ、管及びロッドのうちの1つである、請求項19に記載のベータチタン材料。
- 前記引抜構成物が75%から99%の冷間加工を保持している、請求項19に記載のベータチタン材料。
- 前記材料が2.0から5.0at%のスズを含む、請求項19に記載のベータチタン材料。
- 前記材料が500ppm未満のニッケルを含む、請求項19に記載のベータチタン材料。
- 前記引抜構成物が0.01wt%未満のニッケルを含む、請求項19に記載のベータチタン材料。
- 前記引抜構成物は、前記材料が106サイクルで0.5%の交番ひずみに耐えるような疲労強度を示す、請求項19に記載のベータチタン材料。
- 前記引抜構成物が827MPaに達する最大引張強さを示す、請求項19に記載のベータチタン材料。
- ベータチタン合金の製造方法であって、
16at%から20at%のハフニウム、ジルコニウム又はその組合せと;
8at%から17at%のニオブと;
0.25at%から6at%のスズと;
0.05wt%未満のニッケルと;
残部チタン及び不純物とを混合し、得られたベータチタン合金の原料を形状固定することによりベータチタン合金を形成する方法。 - 前記形状固定の工程が、
前記ベータチタン合金の原料を所望の形状に拘束することと;
前記ベータチタン合金の原料を1秒から1時間の時間、500℃から1000℃の周囲温度にさらすこととを含む、請求項31に記載の方法。 - 前記ベータチタン合金が0.84×10-6から1140×10-6平方センチメートルの断面積を有し;
スズが0.25at%から3at%で与えられ;
前記形状固定の工程が、前記ベータチタン合金の原料を1秒から10分の時間、500℃から1000℃の周囲温度にさらすことを含む、請求項31に記載の方法。 - 前記ベータチタン合金が1140×10-6から203×10-3平方センチメートルの断面積を有し;
スズが3at%から6at%で与えられ;
前記形状固定の工程が、前記ベータチタン合金の原料を2分から1時間の時間、500℃から1000℃の周囲温度にさらすことを含む、請求項31に記載の方法。 - 前記ベータチタン合金が0.84×10-6から410×10-6平方センチメートルの断面積を有し;
前記形状固定の工程が、前記ベータチタン合金の原料を1秒から1分の時間、500℃から1000℃の周囲温度にさらすことを含む、請求項31に記載の方法。 - 前記ベータチタン合金が0.84×10-6から410×10-6平方センチメートルの断面積を有し;
前記形状固定の工程が、前記ベータチタン合金の原料をマンドレルに位置させることと、前記ベータチタン合金及び前記マンドレルを1分から10分の時間、500℃から1000℃の周囲温度にさらすこととを含む、請求項31に記載の方法。 - 前記ベータチタン合金が410×10-6から1140×10-6平方センチメートルの断面積を有し;
前記形状固定の工程が、前記ベータチタン合金の原料を30秒から2分の時間、500℃から1000℃の周囲温度にさらすことを含む、請求項31に記載の方法。 - 前記ベータチタン合金が1140×10-6から4561×10-6平方センチメートルの断面積を有し;
前記形状固定の工程が、前記ベータチタン合金の原料を30秒から30分の時間、500℃から1000℃の周囲温度にさらすことを含む、請求項31に記載の方法。 - 前記ベータチタン合金が32×10-3から203×10-3平方センチメートルの断面積を有し;
前記形状固定の工程が、前記ベータチタン合金の原料を5分から60分の時間、500℃から1000℃の周囲温度にさらすことを含む、請求項31に記載の方法。 - 前記ベータチタン合金の前記形状固定の工程後、前記ベータチタン合金の原料を1秒から1時間の時間、150℃から250℃の周囲温度にさらすことにより、前記ベータチタン合金の原料を時効させることをさらに含む、請求項31に記載の方法。
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