RU2245385C2 - Method for production of composite shape memory titanium nickelide-based material - Google Patents

Method for production of composite shape memory titanium nickelide-based material Download PDF

Info

Publication number
RU2245385C2
RU2245385C2 RU2002130145/02A RU2002130145A RU2245385C2 RU 2245385 C2 RU2245385 C2 RU 2245385C2 RU 2002130145/02 A RU2002130145/02 A RU 2002130145/02A RU 2002130145 A RU2002130145 A RU 2002130145A RU 2245385 C2 RU2245385 C2 RU 2245385C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
titanium
shape memory
titanium nickelide
nickelide
composite
Prior art date
Application number
RU2002130145/02A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2002130145A (en
Inventor
В.Э. Гюнтер (RU)
В.Э. Гюнтер
В.В. Овчаренко (RU)
В.В. Овчаренко
В.А. Шабалин (RU)
В.А. Шабалин
Original Assignee
Гюнтер Виктор Эдуардович
Овчаренко Владимир Владимирович
Шабалин Владимир Алексеевич
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Гюнтер Виктор Эдуардович, Овчаренко Владимир Владимирович, Шабалин Владимир Алексеевич filed Critical Гюнтер Виктор Эдуардович
Priority to RU2002130145/02A priority Critical patent/RU2245385C2/en
Publication of RU2002130145A publication Critical patent/RU2002130145A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2245385C2 publication Critical patent/RU2245385C2/en

Links

Images

Landscapes

  • Materials For Medical Uses (AREA)
  • Prostheses (AREA)

Abstract

FIELD: metallurgy, in particular shape memory materials for surgical tools.
SUBSTANCE: invention relates to method for production of composite shape memory titanium nickelide-based material. Method includes providing matrix from titanium nickelide melt reinforced with titanium armature, wherein starting batch contains 51.5-53.0 at % of nickel.
EFFECT: composite with improved reliability and functional characteristics.
4 dwg, 1 ex

Description

Figure 00000002
Изобретение относится к медицинской технике и может использоваться при изготовлении материалов для хирургии.
Figure 00000002
The invention relates to medical equipment and can be used in the manufacture of materials for surgery.

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.One of the methods for improving the functional qualities of materials, including those used for medical purposes, is the composition of known materials with the deliberate selection of their range and selection of appropriate technology. Moreover, the transfer of the properties of the individual components to the formed composite is not necessarily additive. The study of these rather subtle and complex physicochemical processes is carried out by the material science section. Applied research results are often brought up to technical solutions that claim patent protection.

В аналоги уровня техники должно включить композиционные материалы, содержащие сплав на основе никелида титана. Медицинский аспект использования последнего широко известен и признан.In the analogues of the prior art should include composite materials containing an alloy based on titanium nickelide. The medical aspect of the use of the latter is widely known and recognized.

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.Known composite material (and, accordingly, a method for its production) containing an aluminum matrix reinforced with titanium nickelide with the shape memory property [1]. To obtain this material, nickel-titanium reinforcement is poured with molten aluminum. The resulting composite has the advantage of low specific gravity, which in some areas of its application plays an important role. However, the properties of titanium nickelide desired from it — shape memory, superelasticity, and cyclic resistance — are weakly manifested due to the relatively low content of the latter.

Для медицинского применения, в большинстве случаев, это является существенным недостатком, что опосредованно порочит и сам способ его получения.For medical use, in most cases, this is a significant drawback, which indirectly damages the method of its production.

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.A known method of producing a composite material with shape memory based on titanium nickelide [2]. In it, the titanium matrix is poured with a melt of titanium nickelide having a temperature below the melting point of titanium. The subsequent stages of the technology to bring the resulting composite to the condition of use include traditional methods of hot rolling, extrusion and drawing. The use of titanium can reduce the specific gravity of the material, the dimensions of the device made from it while partially retaining the properties of titanium nickelide. The degree of conservation of these properties depends on the number of reinforcing elements, their shape and size. Variations of the latter are very diverse, respectively, and the properties of the composite produced. In General, the technology of the manufacturing method is relatively simple and available even for small-scale manufacturing, which is most used for medical purposes. The disadvantage of this method is the low reliability of the functional properties inherent in titanium nickelide. Studies have identified the cause of this deficiency. It consists of the following.

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.In the manufacture of a known (non-reinforced) homogeneous alloy based on titanium nickelide, a nickel content of 49.5-51.0 at.% Is selected for the maximum manifestation of the shape memory effect at temperatures below and above 37 ° C and with a nickel content of 50.2-51.5 at.% For the maximum manifestation of the effect of superelasticity . The presence of pure titanium (reinforcement) during the manufacture of the composite leads to an increase in the titanium content in the titanium nickelide compound and, accordingly, depletion of the nickel content. Going beyond the limits of homogeneous composition leads to a decrease in the quality of the material. Quantitatively, this process is not controlled and poorly managed. The fact of going beyond the homogeneous interval of titanium nickelide is found when testing the properties of the finished material, when any correction is almost impossible. Strict statistics of this phenomenon do not yet exist and, in general, the disadvantage can be interpreted as low reliability of ensuring the functional properties of the material.

Технический результат предлагаемого решения - повышение надежности обеспечения функциональных свойств композиционного материала, характерных для никелида титана.The technical result of the proposed solution is to increase the reliability of ensuring the functional properties of the composite material characteristic of titanium nickelide.

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.%.The attainability of this technical result is due to the fact that in the method of producing a composite material with a shape memory based on titanium nickelide, including the formation of a matrix of titanium nickelide with titanium reinforcement, the matrix charge is selected with a nickel content of 51.5-53.0 at.%.

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.%.During the manufacture of a composite material, which, as a rule, is carried out by pouring a titanium nickelide melt (having a melting point below the melting temperature of titanium) into a mold with a prepared titanium reinforcing frame. At the temperature of liquid titanium nickelide, the surface layer of titanium interacts, titanium atoms mix with those in the mixture, and then crystallize upon cooling. It was found experimentally that the resulting addition of titanium concentration leads to a redistribution of the nickel and titanium content in titanium nickelide to its optimum, when the nickel concentration decreases to a normal technological homogeneous level of 49.5-51.0 at.%.

На чертежах представлено:The drawings show:

фиг.1. Способ получения композиционного материала с памятью формы на основе никелида титана:figure 1. A method of obtaining a composite material with shape memory based on titanium nickelide:

1 - арматура, 2 - матрица,1 - reinforcement, 2 - matrix,

фиг.2. График зависимости величины деформации от температуры (эффект памяти формы) для никелида титана,figure 2. The graph of the temperature dependence of the strain (shape memory effect) for titanium nickelide,

фиг.3. График зависимости величины деформации от температуры (эффект памяти формы) для композиционного материала TiNi+Ti,figure 3. Graph of the temperature dependence of the strain (shape memory effect) for a composite material TiNi + Ti,

фиг.4. График зависимости “напряжение-деформация” (эффект сверхэластичности):figure 4. The stress – strain curve (superelastic effect):

1 - для никелида титана,1 - for titanium nickelide,

2 - для композиционного материала TiNi+Ti.2 - for a composite material TiNi + Ti.

Практическим доказательством достижимости технического результата является сопоставительный анализ деформационных характеристик композиционного материала, полученного предлагаемым способом.Practical evidence of the attainability of the technical result is a comparative analysis of the deformation characteristics of the composite material obtained by the proposed method.

ПримерExample

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:Samples of the composite material were made by centrifugal casting in an inert atmosphere on a high-frequency installation VCHI1-4 / 1.76. A reinforcing cage 1 of twenty parallel and evenly spaced titanium wires with a diameter of 1.2 mm is placed in a cylindrical crucible of the installation. The mixture for producing a titanium nickelide melt is prepared with the following ingredients:

Никель 52.5 ат.%,Nickel 52.5 at.%,

Титан 47.5 ат.%.Titanium 47.5 at.%.

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.The titanium nickelide melt is obtained by induction heating and is poured into a crucible under the action of centrifugal forces. After cooling the matrix 2, the composite material was formed in the form of figure 1.

Оценка свойств полученного материала проводилась на основе экспериментально снятых нагрузочно-деформационных зависимостей, характеризующих эффекты памяти формы и сверхэластичности.Evaluation of the properties of the obtained material was carried out on the basis of experimentally measured load-strain dependences characterizing the effects of shape memory and superelasticity.

1. Эффект памяти формы1. Shape memory effect

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.The resulting sample is fixed with its ends to the fulcrum, weighed by the load at its midpoint and the strain is measured when the temperature changes in the direction of cooling of the sample (lower branch of the graph of FIGS. 2, 3) and heating it (upper branch). For martensitic materials, which include titanium nickelide, a sharp dependence of deformation in the region of the phase transition temperature is characteristic. As the temperature rises, shape recovery occurs, i.e. the reverse course of the deformation, but at a different temperature, which makes up the hysteresis effect, and not to the initial state, is the residual deformation. The magnitude of the hysteresis and the magnitude of the residual deformation judge the magnitude of the shape memory effect, i.e. about the quality of the material. From the graph of figure 3 it follows that the width of the hysteresis loop is approximately 95 °, and the permanent deformation is 8 arbitrary units. From experience with titanium nickelide it is known that these data correspond to the good quality of the composite. Comparing them with the graph for pure titanium nickelide shows a natural decrease in the effect.

2. Эффект сверхэластичности.2. The effect of superelasticity.

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.The rod is deformed under isothermal conditions at a temperature above the phase transition temperature. The upper branches of the graphs in figure 4 for pure titanium nickelide and the resulting composite correspond to the load of the sample, the lower - to unloading. Super-elasticity (rubber-like) is characterized by areas of a sharp dependence of the magnitude of deformation under load and unloading. Various trajectories of the graph also indicate a hysteresis of the process. The specific results presented confirm the good quality of the composite with respect to the preservation of these effects, and the statistics of material production - high reliability of the functional properties. Specific gravity in the specified concrete sample was 5.5 ± 0.1 g / cm 3 versus 6.44 ± 0.1 g / cm 3 of pure titanium nickelide. In a number of cases of practical medicine, this result justifies the victim of a decrease in deformation parameters.

Источники, использованные при составлении описанияSources used in compiling the description

1. Interface and Mechanical Properties of Ti-Ni-Wire reinforced Aluminum Matrix Composites. Южная Корея, 1998, 2, с.5.1. Interface and Mechanical Properties of Ti-Ni-Wire reinforced Aluminum Matrix Composites. South Korea, 1998, 2, p. 5.

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

Claims (1)

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.%.A method of obtaining a composite material with a shape memory based on titanium nickelide, comprising forming a matrix from a titanium nickelide melt with titanium reinforcement, characterized in that the initial matrix charge is selected with a nickel content of 51.5 ÷ 53.0 at.%.
RU2002130145/02A 2002-11-11 2002-11-11 Method for production of composite shape memory titanium nickelide-based material RU2245385C2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2002130145/02A RU2245385C2 (en) 2002-11-11 2002-11-11 Method for production of composite shape memory titanium nickelide-based material

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2002130145/02A RU2245385C2 (en) 2002-11-11 2002-11-11 Method for production of composite shape memory titanium nickelide-based material

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2002130145A RU2002130145A (en) 2004-05-10
RU2245385C2 true RU2245385C2 (en) 2005-01-27

Family

ID=35139234

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2002130145/02A RU2245385C2 (en) 2002-11-11 2002-11-11 Method for production of composite shape memory titanium nickelide-based material

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2245385C2 (en)

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Shape memory Biomaterials and Implants. Proceeding of International Conference. June 28-30 2001, Tomsk. *

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Gil et al. Effect of copper addition on the superelastic behavior of Ni‐Ti shape memory alloys for orthodontic applications
Guo et al. On the mechanical properties of TiNb based alloys
Montecinos et al. Grain size and pseudoelastic behaviour of a Cu–Al–Be alloy
SE447128B (en) PROCEDURE FOR PREPARING A PRODUCT OF AN ALUMINUM ALLOY
Csontos et al. Formation and chemistry of nanocrystalline phases formed during deformation in aluminum-rich metallic glasses
CN107385365B (en) Ti-Zr-Cu-Be quaternary amorphous composite material with work hardening capacity and preparation method thereof
Ferragut et al. On the two-step ageing of a commercial Al-Zn-Mg alloy; a study by positron lifetime spectroscopy
Berry et al. The Zener relaxation and vacancy-controlled atomic mobility in Ag Zn solid solutions—I Vacancy formation and migration energies
Kim et al. Martensitic transformation and superelasticity of Ti-Nb-Pt alloys
RU2245385C2 (en) Method for production of composite shape memory titanium nickelide-based material
CN108603254A (en) Show the magnesium alloy of super-elasticity effect and/or shape memory effect
Dai et al. The formation of intermetallic compounds during interdiffusion of Mg–Al/Mg–Ce diffusion couples
Han et al. Microstructures, martensitic transformation, and mechanical behavior of rapidly solidified Ti-Ni-Hf and Ti-Ni-Si shape memory alloys
JP2011256443A (en) Spinal fixation rod made of titanium alloy, having superior fatigue strength and low elastic modulus and method for producing the same
Romero et al. On the martensitic transformation temperature and its stress dependence in Cu-Zn and Cu-Zn-Al single crystals
Horiuchi et al. Effect of Cu addition on shape memory behavior of Ti-18 mol% Nb alloys
JP2005508446A (en) Aluminum / silicon alloy with improved mechanical properties
Ilangovan et al. Measurement of the variation of mechanical properties with aging temperatures for sand cast Cu-5Ni-5Sn alloy
JIAO et al. Effect of environmental temperature on damping capacity of Cu-Al-Mn alloy
Hosoda et al. Factors for controlling martensitic transformation temperature of TiNi shape memory alloy by addition of ternary elements
KR102256537B1 (en) Ti-Ni-Mo-Fe-Ag shape memory alloy
Setyani et al. Effects of quenching methods on shape memory properties of Cu-28Zn-3Al wt.% alloy produced by gravity casting
KR101832705B1 (en) Ti-Ni BASED ALLOY FOR MEDICAL AND ITS MANUFACTURING METHOD
CN113740141B (en) Metallographic phase developing solution for superfine nickel-titanium memory alloy wire and preparation method thereof
Morawiec et al. Effect of ageing on shape recovery in Cu Al Ni alloy with Ti+ B additions

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20071112