Memry نيتيول: الدليل الكامل

　　الفهرس:
　　القسم 1 —— المفاهيم الأساسية
　　القسم 2 —— سبائك النيكل والتيتانيوم والمواد المشغولة
　　القسم 3 —— المواد الخام النظيفة الشكل
　　القسم 4 —— معالجة النيكل والتيتانيوم
　　القسم 5 —— اعتبارات تصميم الأجهزة الطبية
　　القسم 1 —— المفاهيم الأساسية
　　نيكل التيتانيوم هو نوع خاص من السبائك يُعرف بسبائك ذاكرة الشكل (SMA)، ويتكون من النيكل والتيتانيوم بنسب ذرية متقاربة (أي 50:50 نسبة ذرية من النيكل والتيتانيوم). تتميز سبائك النيكل والتيتانيوم بمرونتها الفائقة وخصائص ذاكرة الشكل بالإضافة إلى التوافق الحيوي. كان أول تطبيق طبي في أوائل السبعينيات، وبعد موافقة إدارة الغذاء والدواء الأمريكية في عام 1989 على جهاز تثبيت الغرز Mitek، تم إدخال العديد من الأجهزة الأخرى إلى السوق. منذ ذلك الحين أصبحت سبائك النيكل والتيتانيوم منتجًا رئيسيًا في مجال القلب والأوعية الدموية، والأوعية العصبية، والأوعية الدموية الداخلية، والأوعية الطرفية، وجراحة العظام، والعمود الفقري، والمسالك البولية وطب الأسنان، مع تطبيقات تتراوح من الدعامات العصبية والأطر الصمامية القلبية إلى المسامير العظمية وأدوات الخياطة ذات الاستخدام الواحد.

　　نيكل التيتانيوم هو مادة لا غنى عنها في صندوق أدوات مهندسي الأجهزة الطبية، لكن خصائص المواد التقليدية، ومفاهيم التصميم، وعمليات التصنيع غالبًا ما لا تكون مناسبة بعد الآن. قبل اكتساب الخبرة الهندسية اللازمة، يتطلب الأمر خبرة واسعة في استخدام السبائك لنقل الجهاز من الفكرة الأولية إلى الإصدار النهائي. هنا سيتم تقديم العديد من المفاهيم التي يستخدمها مهندسونا يوميًا، بما في ذلك:
　　علم المعادن الأساسي؛
　　الخصائص الميكانيكية والحرارية؛
　　معايير ASTM لاختبار السبائك والمواد؛
　　عمليات التصنيع العامة؛ و
　　اعتبارات التصميم الخاصة بسبائك النيكل والتيتانيوم.

　　1.1 التحول الطوري - الأوستنيت والمارتنسيت
　　لفهم كيفية عمل سبائك ذاكرة الشكل، يجب أولاً فهم مفهوم التحول الطوري. تنبع الخصائص الفريدة لذاكرة الشكل والمرونة الفائقة لنيكل التيتانيوم من التحول الطوري الصلب العكسي الذي يحدث عندما يتعرض المادة لمحفزات خارجية مثل تغيرات درجة الحرارة أو الإجهاد المطبق. التحول الطوري الناتج عن تغير درجة الحرارة هو آلية خاصية ذاكرة الشكل، بينما التحول الطوري الناتج عن الإجهاد هو آلية خاصية المرونة الفائقة (انظر القسم 1.3). يحدث هذا التحول المارتنسيتي بدون انتشار بين طور الأوستنيت B2 وطور المارتنسيت B19'.

　　معلومات عن سبائك النيكل والتيتانيوم
　　في نيكل التيتانيوم، يحدث التحول بدون انتشار كتشوه لحظي في الشبكة البلورية (B2 إلى B19') بسرعة الصوت؛ ويُعرف عادةً بالتحول العسكري. بالمقابل، التحولات الطورية المعتمدة على الانتشار الشائعة في سبائك الصلب تتطلب انتشار الذرات لمسافات أطول نسبيًا. يتطلب الانتشار تسخين السبائك لفترات طويلة عند درجات حرارة عالية.
　　يُعرف التحول المارتنسيتي بأنه قص/تزحلق في الشبكة البلورية يحدث بسبب تغير في الاستقرار الديناميكي الحراري للنظام. في نيكل التيتانيوم، يتم تعديل التحول المارتنسيتي القابل للعكس من خلال التوأمة في الشبكة البلورية. على عكس عملية التحول المارتنسيتي في سبائك الصلب التي يتم تعديلها بحركة الانزلاق غير القابلة للعكس، فإن التوأمة في نيكل التيتانيوم قابلة للعكس. يمكن تصور هذا المفهوم أدناه، حيث تتحرك مستويات الشبكة البلورية أقل من خلية بلورية واحدة مع الحفاظ على العلاقة التوافقية مع البنية الشبكية الأصلية.

　　معلومات عن سبائك النيكل والتيتانيوم
　　مثال شائع على التحول الطوري هو ذوبان الجليد وتجميد الماء عند درجات حرارة فوق وتحت 0 درجة مئوية على التوالي. بالمثل، تتمتع أطوار نيكل التيتانيوم المختلفة بالاستقرار الديناميكي الحراري عند درجات حرارة مختلفة. بالمقارنة مع مثال الماء، هناك اختلافان رئيسيان: 1) جميع التحولات الطورية تحدث في الحالة الصلبة، و2) درجة حرارة التحول تختلف عند التبريد عنها عند التسخين (أي وجود ظاهرة التباطؤ، انظر القسم 1.4).
　　1.1.1 الطور R
　　أحيانًا يوجد طور وسيط مستقر عند درجات حرارة أو إجهادات بين طور B2 الأوستنيت وطور B19' المارتنسيت. يُعرف هذا الطور باسم الطور R، وله بنية بلورية ماسية وهو الأكثر شيوعًا بين هذه الأطوار، خاصة عند النظر إلى سبائك النيكل والتيتانيوم الثنائية التقليدية. الطور R هو طور مارتنسيتي وسيط يتنافس مع تحول المارتنسيت B19' الذي يحدث في مواد نيكل التيتانيوم التي تحتوي على كثافة عالية من العيوب (أي المعالجة الباردة)، أو ترسيبات غنية بالنيكل (أي المعالجة الحرارية)، أو بعض السبائك الثلاثية. تعمل العيوب في البنية البلورية والترسيبات الغنية بالنيكل على مقاومة التشوه الكبير في الشبكة البلورية. نظرًا لأن تحول الطور R يتطلب تشوهًا أقل في الشبكة البلورية، فإن حدوثه بين الأوستنيت والمارتنسيت يكون مفضلًا من الناحية الديناميكية الحرارية في هذه الحالات.
　　1.2 تحديد درجة حرارة التحول
　　1.2.1 التحليل الحراري التفاضلي الماسح (DSC)
　　ASTM F2004 – طريقة الاختبار القياسية لدرجة حرارة التحول في سبائك النيكل والتيتانيوم باستخدام التحليل الحراري التفاضلي الماسح (DSC) هي تقنية تحليل حراري تُستخدم لوصف سلوك التحول الطوري في سبائك ذاكرة الشكل من النيكل والتيتانيوم. تنتج طريقة DSC منحنيات من خلال قياس كمية الحرارة التي يطلقها (أي حرارة انبعاث) أو يمتصها (أي حرارة امتصاص) العينة أثناء التبريد والتسخين خلال التحول الطوري. تنتج اختبارات DSC منحنيات قابلة للتكرار للغاية، حيث تُستخدم المماسات لتحديد درجات حرارة بداية ونهاية وقمة كل طور موجود في المكون/السبائك.
　　وفقًا لمعيار ASTM F2063، تُستخدم تقنية DSC بشكل شائع لوصف مواد النيكل والتيتانيوم المشغولة أو السبائك المصبوبة. عندما يكون النيكل والتيتانيوم في حالة معالجة حرارية كاملة، يمكن تحديد نسبة النيكل والتيتانيوم في السبيكة بناءً على درجة حرارة التحول كنوع من مراقبة الجودة. في الحالة المعالجة حراريًا بالكامل، يظهر النيكل والتيتانيوم تحولًا أحادي الطور بين الأوستنيت والمارتنسيت. ومع ذلك، إذا تم معالجة المادة بشكل إضافي، مثل المعالجة الباردة والشيخوخة (أي المعالجة الحرارية)، يمكن تحديد وجود تحول ثنائي الطور مع الطور R باستخدام DSC.

　　اعتبارات التصميم
　　درجة حرارة As المقدمة في شهادة اعتماد منتجات النيكل والتيتانيوم المشغولة يتم تحديدها باستخدام اختبار DSC
　　يمكن أيضًا استخدام تقنية DSC لاختبار المواد الخام أو الأجزاء النهائية التي لا يمكن أو لا يكون من العملي اختبارها باستخدام BFR؛ على سبيل المثال، جهاز نسج معقد
　　عادةً ما يكون الطور R (أي التحول ثنائي الطور) موجودًا بسبب المعالجة الحرارية الميكانيكية اللازمة لتصنيع المواد الخام الشبكية فائقة المرونة و/أو المكونات النهائية
　　معلومات عن سبائك النيكل والتيتانيوم
　　منحنيات DSC مفيدة جدًا عند تطوير عمليات التصنيع الحرارية الميكانيكية. على سبيل المثال، يمكن تعلم الكثير من المنحنيات؛
　　القمة الضحلة والعريضة تشير إلى وجود المزيد من المعالجة الباردة في المادة،
　　يمكن تحسين المعالجة الحرارية للشيخوخة التي تضبط درجة حرارة Af وإجهاد منصة الفائقة المرونة من خلال تصور تغير Ap، وكذلك
　　المساحة تحت القمة هي حرارة التحول، وهي مرتبطة بحجم تحول المادة.
　　1.2.2 الانحناء والاسترداد الحر (BFR) ASTM F2082 – طريقة اختبار قياسية لتحديد درجة حرارة التحول في سبائك النيكل-تيتانيوم ذات الذاكرة الشكلية من خلال الانحناء والاسترداد الحر (BFR). يُستخدم اختبار الانحناء والاسترداد الحر لتحديد درجة حرارة Af النشطة لمنتجات المواد الخام ذات الشكل الصافي (مثل الأسلاك، الأنابيب، الألواح، القضبان، إلخ) أو المكونات النهائية. في هذا الاختبار، يتم تبريد عينات سبائك النيكل-تيتانيوم إلى درجة حرارة أقل من Mf، ثم يتم تشويهها بطريقة محكومة. عند تسخين العينة إلى درجة حرارة تحول الأوستينيت (والطور R)، تستعيد العينة شكلها الأصلي (أي الاسترداد الحر). ثم يتم مقارنة الإزاحة المقاسة بواسطة مجسات الفارق الخطي أو الدوراني المتغيرة (LVDT/RVDT) مع درجة الحرارة. بعد ذلك يتم أخذ المماس من المنحنى لتحديد درجة حرارة التحول النشطة.

　　معلومات عن سبائك النيكل والتيتانيوم
　　وفقًا لتاريخ المعالجة السابق، يمكن أن يؤدي الإجهاد على العينة/المكون إلى نقل درجة حرارة التحول إلى درجة حرارة أقل. لذلك، يُعتبر اختبار BFR أكثر تمثيلاً لدرجة حرارة التحول التي تحدث في التطبيقات. عادةً ما تكون درجة حرارة Af النشطة التي تم قياسها بواسطة اختبار BFR أقل من تلك التي تم تحديدها بواسطة اختبار DSC. يمكن أن تنخفض درجة حرارة Af النشطة حتى 15 درجة مئوية.
　　الرسم التوضيحي لطريقة BFR باستخدام LVDT العمودي وRVDT الدوراني موضح أدناه، كما هو موصوف في ASTM F2082. يمكن أيضًا استخدام طرق غير تلامسية لتتبع الانفعال في أنظمة الرؤية، لكن هذه الأنظمة أقل شيوعًا. يُستخدم اختبار BFR عادةً لوصف درجة حرارة اكتمال الأوستينيت ودرجة حرارة Af للمواد الخام ذات الشكل الصافي والمكونات النهائية، حيثما أمكن، تظهر هذه القيم في شهادات المطابقة. ومع ذلك، تشمل عيوب هذا الاختبار نقص خصائص طور المارتنسيت وصعوبة التكيف مع الأشكال الهندسية المعقدة. لذلك، لا يزال اختبار DSC مطلوبًا أحيانًا.

　　1.3 الخصائص الوظيفية لنيكل-تيتانيوم نو
　　تنبع الخصائص الوظيفية لنيكل-تيتانيوم نو من الاستجابة الحرارية الميكانيكية للمادة. اعتمادًا على ما إذا كان تحول الطور من الأوستينيت إلى المارتنسيت ناتجًا عن التحفيز الحراري أو التحفيز بالإجهاد الخارجي، يمكن تقسيم الاستجابة الحرارية الميكانيكية إلى نوعين مختلفين من الخصائص الوظيفية. يمكن للتحول المحفز حراريًا تحقيق تأثير الذاكرة الشكلية، في حين يمكن للتحول المحفز بالإجهاد أن ينتج فائقة المرونة.
　　هناك سوء فهم شائع بأن الفائقة المرونة واستجابة الذاكرة الشكلية غير مرتبطين. في الواقع، تعتمد الاستجابة فقط على درجة حرارة التحول لمكونات نيكل-تيتانيوم نو ودرجة حرارة التطبيق (أو الاختبار). تحت درجة حرارة Mf، يظهر سبيكة نيكل-تيتانيوم نو ذاكرة شكلية، وفوق درجة حرارة Af، تظهر المادة فائقة المرونة. هذا المفهوم مهم جدًا عند تصميم أجهزة سبائك النيكل-تيتانيوم ويؤكد أهمية تحديد درجة حرارة التحول النهائية للمكونات من خلال اختبار DSC و/أو BFR.
　　1.3.1 الفائقة المرونة
　　إذا تم تطبيق إجهاد على مكونات نيكل-تيتانيوم نو عند درجة حرارة أعلى من Af، يتحول الطور الأوستينيت إلى مارتنسيت محرض بالإجهاد (SIM)، مما يؤدي إلى استجابة فائقة المرونة. عادةً ما يتم توصيف سلوك الفائقة المرونة لنيكل-تيتانيوم نو من خلال اختبار الشد الدوري وفقًا لـ ASTM F2516.
　　يمكن تقسيم منحنى الشد الدوري النموذجي لنيكل-تيتانيوم نو الفائق المرونة إلى عدة أجزاء مختلفة. خلال التحميل الأولي، يظهر الطور الأوستينيت تشوهًا مرنًا نموذجيًا (A → B) حتى يصل إلى UPS. بمجرد الوصول إلى UPS، يُلاحظ حالة إجهاد ثابت (B → C)، حيث يتم قص هيكل الأوستينيت المكعب إلى مارتنسيت محرض بالإزالة (SIM)، تليها تشوه مرن لهيكل SIM (C → D). كما هو الحال مع التحول الطوري المحفز حراريًا، فإن تكوين SIM قابل للعكس. أثناء التفريغ (D → A)، يتم استعادة التشوه المرن ويتحول SIM مرة أخرى إلى الطور الأوستينيت الأصلي. يُلاحظ أن إجهاد الاسترداد (أو LPS) أقل من UPS. يحدث التباطؤ الملحوظ بسبب الاحتكاك الداخلي والعيوب في البنية البلورية.

　　تُظهر سبائك نيكل-تيتانيوم النموذجية فائقة المرونة تصل إلى 8% تشوه قبل بدء التشوه الدائم. ومع ذلك، هناك دائمًا نسبة معينة من التشوه الدائم أو الاستطالة المتبقية Elr. يعتمد حجم Elr على المعالجة الحرارية الميكانيكية السابقة للمادة ونسبة التشوه التي تحملها المكونات قبل التفريغ.
　　اعتبارات التصميم
　　الفرق بين UPS وLPS يسمى التباطؤ الميكانيكي. من المهم فهم أي إجهاد منصة هو الأكثر أهمية لتطبيق معين. لتوضيح ذلك، هناك مثالان: i) الأسلاك الإرشادية — "صلابة" السلك أثناء التحميل مهمة للملاحة داخل التشريح ولتوجيه الأجهزة في التشريح المعقد. لذلك، UPS مهم جدًا في هذه الحالة. ii) الدعامات القلبية الوعائية — القوة المطلوبة لضغط الدعامة مرتبطة بـ UPS، ولكن القوة الشعاعية المطبقة عند نشرها داخل الأوعية مرتبطة بـ LPS. في هذه الحالة، كلا من UPS وLPS مهمان.
　　IQUPS وLPS لسبائك النيكل-تيتانيوم ليست ثابتة لجميع درجات الحرارة. وفقًا لعلاقة كلاوسيوس-كلايبيرون، تزداد منصة الفائقة المرونة مع زيادة درجة حرارة التطبيق (أو الاختبار). لكل درجة مئوية، يمكن أن تتغير المنصة بمقدار 3 – 20 ميجا باسكال/°C (0.4 – 3 ksi/°C)؛ اعتمادًا على السبيكة وتاريخ المعالجة. لذلك، من المهم اختبار أداء الفائقة المرونة للجهاز النهائي عند درجة حرارة التطبيق (مثل 37 درجة مئوية للأجهزة المزروعة). يرجع هذا الارتفاع في إجهاد المنصة إلى زيادة الاستقرار الديناميكي الحراري للطور الأوستينيت عالي الحرارة عند ارتفاع درجة حرارة مادة نيكل-تيتانيوم نو فوق درجة حرارة Af. في الواقع، سيستمر UPS في الزيادة حتى يصل إلى إجهاد الخضوع للسبيكة، وعندها ستخضع المادة وتتصرّف مرة أخرى كمواد بلاستيكية مرنة. لذلك، لا تحدث الفائقة المرونة فوق درجة حرارة حرجة تسمى "درجة حرارة تشوه المارتنسيت" أو Md (~ 80 درجة مئوية أعلى من Af).
　　1.3.2 تأثير الذاكرة الشكلية
　　يؤدي التحول الطوري المحفز حراريًا بين المارتنسيت والأوستينيت إلى استجابة الذاكرة الشكلية في سبائك النيكل-تيتانيوم. يمكن استخدام تأثير الذاكرة الشكلية في تصنيع المحركات، وكذلك في الأجهزة الطبية مثل دعامات الأوعية الدموية التي تتوسع عند الوصول إلى درجة حرارة الجسم.
　　يمكن توضيح تأثير الذاكرة الشكلية بشكل أفضل باستخدام مخطط الإجهاد-الانفعال-درجة الحرارة. لإظهار سلوك الذاكرة الشكلية، يجب أولاً تبريد سبائك نيكل-تيتانيوم نو إلى ما دون درجة حرارة Mf. في مخطط الإجهاد-الانفعال-درجة الحرارة، يتحرك تشوه المارتنسيت من النقطة A إلى النقطة B. في المراحل المبكرة من التشوه، يُلاحظ منطقة مرنة قبل الوصول إلى إجهاد إزالة التوأمة للمارتنسيت (σm)، حيث يظل الإجهاد ثابتًا تقريبًا. بعد هذه المنطقة الثابتة من الإجهاد، يحدث تشوه مرن للهيكل الخالي من التوأمة. بمجرد أن تكون المادة مشوهة وتم تفريغ الإجهاد، يؤدي التسخين إلى درجة حرارة أعلى من As إلى بدء تحول المارتنسيت الخالي من التوأمة إلى الأوستينيت. بمجرد أن تصل درجة الحرارة إلى ما فوق Af (B → C)، يتحول هذا التحول في البنية البلورية إلى استعادة الشكل الأصلي المدرب للمكون على المستوى الماكروسكوبي. بسبب التوافق الشبكي، تتذكر البنية البلورية المشوهة اتجاهها الأصلي. عند العودة إلى درجة حرارة أقل من Mf، يتحول هيكل الأوستينيت مرة أخرى إلى المارتنسيت (A → B)، دون تغيير في الشكل الماكروسكوبي، ويمكن تكرار الدورة.
　　1.4 التأخر الحراري
　　التأخر الحراري هو الفرق في درجة حرارة التحول الطوري عند تسخين و تبريد السبائك. بالنسبة لسبائك النيكل-تيتانيوم الفائقة المرونة المستخدمة في تطبيقات الأجهزة الطبية، يكون هذا التأخر عادة حوالي 20 - 30 درجة مئوية. يرتبط التأخر الحراري بالتأخر الميكانيكي خلال استجابة السبيكة الفائقة المرونة عند درجات حرارة أعلى من Af، ويشمل ذلك UPS و LPS. التأخر الحراري الأكبر يؤدي إلى تأخر ميكانيكي أكبر.
　　1.5 تأثير المعالجة الباردة
　　المعالجة الباردة، المعروفة أيضًا بتقسية المعالجة أو تقسية الإجهاد، هي تقوية المادة من خلال التشوه البلاستيكي. يحدث هذا التقوية بسبب حركة الانزلاقات داخل البنية البلورية للمادة (أي تكوين العيوب). المعالجة الباردة ضرورية في المعالجة الحرارية الميكانيكية للمواد الأولية ذات الشكل النهائي للحصول على الخصائص الميكانيكية والوظيفية المطلوبة لمكونات النيكل-تيتانيوم النهائية. يحدث السلوك الفيزيائي للتشوه البلاستيكي خلال عمليات مثل السحب، السحب الأنبوبي، أو الدرفلة لتحويل مادة النيكل-تيتانيوم المشوهة إلى الشكل النهائي. عادةً ما يكون مقدار المعالجة الباردة النهائية الناتجة عن خطوات السحب/الدرفلة النهائية بين 30 – 50٪، محسوبًا على أساس تقليل مساحة المقطع العرضي.
　　في النيكل-تيتانيوم، يؤثر مقدار المعالجة الباردة على الخصائص الميكانيكية والوظيفية للسبيكة. على سبيل المثال، تزداد الخصائص الميكانيكية مثل إجهاد الخضوع وقوة الشد القصوى (UTS) مع زيادة نسبة المعالجة الباردة. ومع ذلك، فإن زيادة القوة هذه تأتي على حساب انخفاض الاستطالة (أو اللدونة). من المهم ملاحظة أن المعالجة الحرارية النهائية ضرورية لجعل مادة النيكل-تيتانيوم تظهر خصائص الذاكرة الشكلية والفائقة المرونة. على سبيل المثال، المادة المعالجة ببرودة بنسبة 30٪ تحتوي على كثافة انزلاقات عالية جدًا في البنية البلورية تمنع حدوث التشوه اللازم للتحول الطوري. بالمقابل، إذا كانت نسبة المعالجة الباردة المطبقة على المادة غير كافية، فقد يكون إجهاد الخضوع منخفضًا جدًا عند حدوث التشوه البلاستيكي تحت إجهاد إزالة التوأمة المارتنسيتي σm في UPS، وبالتالي لن تظهر المادة خصائص الذاكرة الشكلية أو الفائقة المرونة.
　　اعتبارات التصميم
　　زيادة المعالجة الباردة تؤدي إلى انخفاض درجة حرارة التحول. بالنسبة للفائقة المرونة، هذا يعني زيادة طفيفة في UPS و LPS.
　　يوصى بالبدء بمواد شبكية معالجة باردة للحصول على أعلى UPS و LPS ممكن بعد التشكيل. هذا هو الإجراء الشائع، على سبيل المثال، في تصنيع أجهزة النيكل-تيتانيوم الخطية.
　　نظرًا لانخفاض اللدونة في المواد المعالجة باردة، عادةً ما تكون هناك حاجة لعدة خطوات ضبط الشكل للحصول على الشكل النهائي للقطعة دون التسبب في تكسر أو تشقق مادة النيكل-تيتانيوم. استخدام مواد أولية معالجة باردة أقل يسمح بتحمل تشوهات تشكيل أكبر وعدد خطوات أقل، لكن ذلك يقلل من UPS و LPS و UTS للمكون النهائي.
　　1.6 نسبة السبائك و Ms
　　عادةً ما يتكون النيكل-تيتانيوم من حوالي 50 إلى 51 ذرة بالمئة من النيكل (أي 55 إلى 56 وزن بالمئة). على سبيل المثال، سبيكة Memry BB التي تُصنع في مصنع SAES Smart Materials (SSM) في نيو هارتفورد، نيويورك، تُصنع باستخدام 55.8 وزن بالمئة من النيكل. كما يظهر في الشكل أدناه، فإن درجة حرارة Ms للمادة حساسة جدًا لنسبة السبائك. حتى التغيرات الصغيرة في محتوى النيكل تؤثر بشكل كبير على درجة حرارة التحول. من المهم فهم هذا عند النظر في مواد النيكل-تيتانيوم المختلفة المعالجة بالطرق المختلفة والمعالجة الحرارية للشيخوخة، والتي سيتم مناقشتها لاحقًا. تتغير درجة حرارة Ms بحوالي 80 كلفن لكل تغير بنسبة 1 ذرة بالمئة في محتوى النيكل في سبيكة النيكل-تيتانيوم. لذلك، في عملية الصب في مصنع SSM، يجب التحكم بدقة في محتوى السبائك. بالنسبة للسبائك التي تحتوي على أقل من حوالي 49.75 ذرة بالمئة من النيكل، يصبح التيتانيوم مشبعًا في المادة الأساسية ويترسب على شكل ترسيبات غنية بالتيتانيوم. تركيبة المادة الأساسية في هذه المنطقة تبقى ثابتة، وبالتالي درجة حرارة Ms لا تتغير. تشبع التيتانيوم يحد من أعلى درجة حرارة تحول يمكن تحقيقها في سبائك النيكل-تيتانيوم المستخدمة عادة في تطبيقات الذاكرة الشكلية. نظرًا لحساسية درجة حرارة التحول للعمليات الحرارية الميكانيكية المستخدمة في المعالجة اللاحقة، فإن درجة حرارة التحول للمواد الأولية ذات الشكل النهائي أو المكونات النهائية قد تختلف كثيرًا عن درجة حرارة التحول في السبائك المصبوبة أو المطروقة.
　　القسم 2 —— سبائك النيكل والتيتانيوم والمواد المشغولة
　　2.1 معايير ASTM لسبائك النيكل-تيتانيوم
　　المعيار ASTM F2063 هو المواصفة القياسية لسبائك النيكل-تيتانيوم ذات الذاكرة الشكلية المطروقة المستخدمة في الأجهزة الطبية والغرسات الجراحية. يحدد هذا المعيار التركيب الكيميائي المسموح به، تسامح درجة حرارة التحول، البنية المجهرية الأساسية (مثل حجم الحبيبات ومحتوى الشوائب/الفراغات)، والخصائص الميكانيكية بعد التلدين. يوضح الجدول أدناه متطلبات التركيب الكيميائي لمواد النيكل-تيتانيوم المطابقة لمعيار ASTM F2063 للرجوع إليها.
　　2.2 صهر سبائك النيكل-تيتانيوم
　　درجة حرارة التحول الطوري والخصائص الميكانيكية لسبائك النيكل-تيتانيوم حساسة للغاية لتركيب السبائك والشوائب. في إنتاج السبائك المصبوبة، يجب اختيار عملية صهر السبائك ومواد العناصر بعناية لضمان تجانس المصهور وأعلى نقاء لضمان اتساق الأداء داخل المصهور الواحد وبين المصهورات المختلفة. طريقتان شائعتان لصهر سبائك النيكل-تيتانيوم تجاريًا هما الصهر بالحث في الفراغ (VIM) والصهر بالقوس الكهربائي في الفراغ (VAR).
　　في إنتاج السبائك المصبوبة بطريقة VIM، يتم وضع النيكل والتيتانيوم في بوتقة جرافيت موصلة كهربائيًا. يتم تسخين وتحريك البوتقة بواسطة مجال مغناطيسي متناوب بالحث.
　　إنتاج السبائك المصبوبة بطريقة VAR يشمل بوتقة نحاسية مبردة بالماء. داخل البوتقة، يعمل النيكل والتيتانيوم كأقطاب كهربائية تستهلك ذاتيًا. يتولد قوس كهربائي بين الأقطاب وقاع البوتقة النحاسية. تذوب الأقطاب لتكوين المادة المنصهرة في قاع البوتقة. يتم تكرار هذه العملية باستخدام السبائك المصبوبة الناتجة من المصهور السابق كأقطاب جديدة لتعزيز الخلط والتجانس.
　　تستخدم شركة SAES Smart Materials (SSM)، الشقيقة لشركة Memry، عمليات VIM/VAR. يتم صهر المواد الخام أولاً في فرن VIM، ثم تخضع لعملية VAR. تولد هذه العملية المزدوجة VIM/VAR مصهورًا نظيفًا ومتجانسًا للغاية، مما جعل SAES/Memry رائدة في إنتاج سبائك النيكل-تيتانيوم المطروقة.
　　يمكن تعزيز بعض خصائص سبائك النيكل-تيتانيوم بإضافة عناصر سبائك ثلاثية. أكثر السبائك الثلاثية شعبية تشمل NiTiNb، NiTiCu، NiTiCr، NiTiFe، و NiTiCo. ومع ذلك، يجب التعامل مع متطلبات التركيب الكيميائي لمعيار ASTM F2063 بشكل استثنائي عند استخدام هذه السبائك.
　　2.2.1 المحتويات المشمولة
　　نظريًا، تحتوي سبائك النيكل-تيتانيوم الثنائية فقط على النيكل والتيتانيوم. لكن المواد الخام تحتوي على شوائب، أكثرها شيوعًا الكربون والأكسجين. تذوب الشوائب في السبيكة أثناء الصهر وتشكل جزيئات طور ثانوي أثناء التصلب. تشمل هذه الجزيئات الكربيدات والأكسيدات، التي تختلف في تركيبها الكيميائي وبنيتها البلورية عن المادة الأم، ولذلك تُصنف كشوائب.
　　تشير الدراسات إلى أن الشوائب يمكن أن تكون نقاط انطلاق لتشققات الإجهاد، بل ويمكن أن تعزز التآكل. بالإضافة إلى ذلك، فإن الشوائب الكبيرة أو ذات الحجم الكبير في المصهور تؤدي إلى تدهور كبير في الخصائص الميكانيكية. لذلك، هدفنا دائمًا هو الحد من حجم الشوائب وأبعادها وعددها. يعتمد التحكم في الشوائب إلى حد كبير على صب السبيكة، ولكن المعالجة الحرارية الميكانيكية اللاحقة للمواد تؤثر أيضًا على حجم/شكل الشوائب وتوزيعها.
　　ASTM F2063 هو المعيار الذي ينظم حجم الشوائب وقياسها في سبائك النيكل-تيتانيوم. قبل عام 2005، كان الحد الأقصى المقبول لحجم الشوائب 12 ميكرومتر. مع تعقيد طرق الكشف عن الشوائب، ثبت أنه لا يوجد مصنع لسبائك النيكل-تيتانيوم يمكنه حقًا تلبية هذا الحد الأقصى البالغ 12 ميكرومتر. تم إعادة صياغة معيار ASTM في عام 2005 ليعكس بدقة حالة الصناعة.
　　حاليًا، ينص ASTM F2063 على أنه بالنسبة للسبائك المعالجة حراريًا بالكامل والتي تكون درجة حرارة التحول As أقل من أو تساوي 30 درجة مئوية، يجب أن يكون حجم الشوائب أو الفراغات أقل من 39 ميكرومتر وأن تشغل نسبة مساحة أقل من 2.8%. أما السبائك المعالجة حراريًا بالكامل والتي تكون درجة حرارة التحول As أكبر من 30 درجة مئوية، فيجب أن يكون لها حجم الشوائب ونسبة المساحة المتفق عليها بين البائع والمشتري.
　　تُظهر مجتمع علوم سبائك النيكل-تيتانيوم اهتمامًا بالسبائك منخفضة الشوائب، حيث يمكنها تحسين مقاومة التعب والتآكل للأجزاء النهائية. في مؤتمرات تقنيات الذاكرة الشكلية والمرونة الفائقة (SMST)، يزداد عدد الأوراق البحثية حول الشوائب بشكل مستمر. نُشرت عدة مقالات تبحث فيما إذا كانت المواد منخفضة الشوائب تؤدي أداءً أفضل من تلك ذات الشوائب العالية. لا يزال هناك جدل حول أي خصائص المواد منخفضة الشوائب هي الأهم؛ حجمها، عددها، أو موقعها في المادة. هناك عوامل أخرى مثل تحضير العينات، المقطع العرضي الكلي للمادة المختبرة، احتمال وجود الشوائب في نقاط تركيز الإجهاد العالي، ونوع الإجهاد المطبق، كلها قيد الدراسة. سبائك Redox? من SAES/Memry تقلل من عدد وحجم الشوائب في محاولة لتحسين أداء النيكل-تيتانيوم. قامت لجنة ASTM بمراجعة المتطلبات سابقًا ومن المحتمل أن تستمر في ذلك مع تقدم الأبحاث.
　　طرق SAES/Memry لتوصيف محتوى الشوائب
　　الطرق المتوافقة مع ASTM F2063
　　مجهز ميكروسكوبي بصري بتكبير 500 مرة
　　اختبار في ثلاثة مواقع لكل سبيكة (أي الأعلى، الأوسط، والأسفل). أعلى وأسفل السبيكة هما المناطق التي يحتمل أن يحدث فيها تصلب غير مستقر، وهي المناطق الأسوأ محتملة.
　　3 مواقع × 3 مسح ضوئي × 3 صور = 27 صورة تحليل لكل سبيكة
　　تحديد أكبر شوائب وأكبر نسبة مساحة لوحظت.
　　أخذ عينات من لفائف المعالجة الحرارية للأسلاك بقطر ? بوصة
　　أخذ عينات من الزوايا المربعة المدورة (RCS) بقطر 2 بوصة للمنتجات القضيبية
　　ملف تعريف نموذجي للشوائب - مواد نيكل-تيتانيوم SAES/Memry القياسية
　　معظم الشوائب حجمها أقل من 3 ميكرومتر
　　99% أقل من 9 ميكرومتر
　　الوسيط = 2 ميكرومتر
　　لم يتم العثور على شوائب تتجاوز 25.31 ميكرومتر (الحد الأقصى ASTM هو 39 ميكرومتر) ولا نسبة مساحة تتجاوز 1.92% (الحد الأقصى ASTM هو 2.8%) في جميع المواد المختبرة حتى الآن.
　　محتوى الشوائب في مواد SSM/Memry أقل بكثير من معيار ASTM 2063
　　ملاحظة: وفقًا لـ ASTM F2063، تأتي هذه البيانات من سبائك As ≥ 30 درجة مئوية
　　2.3 سبائك نيكل-تيتانيوم Redox?
　　Redox? هو سبيكة جديدة مطورة حصريًا من SAES/Memry تعالج التحديات المتزايدة في التصميم الصناعي المتعلقة بالنقاء الميكروي. تظهر هذه السبيكة تقليلًا في حجم الأكسيدات وحجم الشوائب. Redox? تحسنت بشكل ملحوظ مقارنة بسبائك نيكل-تيتانيوم SAES/Memry القياسية وتتوافق تمامًا مع معيار ASTM F2063.
　　يمكن استخدام Redox? في أشكال مختلفة من النيكل-تيتانيوم الخام، بما في ذلك الأنابيب والأسلاك والأشرطة والألواح وكذلك المكونات النهائية الكاملة. بفضل تقنيات الصهر والمعالجة الحصرية لـ SSM، تحافظ Redox? على سلامة وقوة سبائك النيكل-تيتانيوم القياسية.
　　اعتبارات التصميم
　　مواد النيكل-تيتانيوم عالية النقاء ليست ضرورية لجميع تطبيقات الأجهزة الطبية. في التطبيقات منخفضة المخاطر أو الأجهزة ذات الاستخدام أو النشر لمرة واحدة، لا تفيد المواد منخفضة الشوائب في الأداء النهائي للجهاز ولا تكون مجدية اقتصاديًا. العملاء الذين يستفيدون أكثر من النيكل-تيتانيوم منخفض الشوائب هم أولئك الذين يطورون زرعات طويلة الأمد تتحمل دورات تحميل/تفريغ كثيرة خلال عمرها (مثل هياكل صمامات القلب).
　　2.4 سبائك نيكل-تيتانيوم-كوبالت (NiTiCo)
　　NiTiCo هو سبيكة ذاكرة شكل جديدة نسبيًا تتميز بصلابة أعلى من سبائك النيكل-تيتانيوم القياسية. من وجهة نظر التطبيقات، تتمتع بعض الأجهزة الطبية بمزايا كبيرة عند استخدام سبائك NiTiCo التي تتميز بالمرونة الفائقة بالإضافة إلى زيادة معامل المرونة وقوى التحميل العلوية والسفلية (UPS/LPS). على سبيل المثال، تسمح المعاملات الأعلى والـ UPS و LPS بتصغير حجم الجهاز، مما يفتح فرصًا جديدة لتطوير الأجهزة.
　　ومع ذلك، يجب ملاحظة أن التركيب الكيميائي لـ NiTiCo لا يتوافق مع ASTM F2063، حيث يسمح المعيار بأقصى نسبة أثرية للكوبالت تبلغ 0.05%. تحتوي سبائك NiTiCo على 1.2-1.5% وزن من الكوبالت.
　　القسم 3 —— المواد الخام النظيفة الشكل
　　3.1 أسلاك سبائك النيكل-تيتانيوم
　　شكل الأسلاك هو أحد الاستخدامات الأكثر شيوعًا لسبائك النيكل-تيتانيوم وقد ثبت تنوع استخدامه. بعد الصهر والخلط، يتم تزوير ولف سبائك النيكل-تيتانيوم بدرجات حرارة عالية إلى قضبان (أي المعالجة الحرارية). ثم يتم سحب القضبان إلى أسلاك بقطر عادة 0.085 بوصة في عملية تسمى "السحب الثقيل". بعد ذلك، تعالج Memry المواد المسحوبة ثقيلًا من خلال سلسلة من خطوات السحب البارد والتمهيد لإنتاج قطر السلك النهائي المطلوب.
　　يسبب السحب عند درجة حرارة الغرفة زيادة في المعالجة الباردة للمواد. من الصعب معالجة سبائك النيكل-تيتانيوم باردة لأنها تتصلب بسرعة. يجب إجراء المعالجة الباردة على عدة مراحل مع خطوات تمهيدية بينهما. يعيد التمهيد معالجة الحرارة إزالة الانزلاقات داخل الشبكة البلورية ويؤدي إلى إعادة تبلور ونمو الحبيبات بدرجة معينة؛ مما يعيد في النهاية قابلية تشكيل مادة النيكل-تيتانيوم.
　　يتم بيع الأسلاك في حالة التلدين المباشر والمعالجة الباردة (السحب). عادةً ما تُستخدم حالة السحب للتشكيل النهائي في المراحل اللاحقة، لأن المنتج يكون أسهل في التشكيل وله قوة أعلى مقارنةً بمواد النيكل-تيتانيوم التي تستخدم التلدين المباشر. فيما يلي خصائص المعالجة والمواصفات لجميع منتجات الأسلاك. كما تم سرد المواد والخصائص الميكانيكية لجميع سبائك الأسلاك أدناه.
　　3.1.1 قضبان سبائك النيكل-تيتانيوم
　　يتم إنتاج الشرائط عن طريق استخدام مطحنة صغيرة لتمرير الأسلاك وتحويلها إلى مقطع عرضي مستطيل. عادةً ما يكون نسبة العرض إلى السمك (W/T) محدودة بـ 12. الحواف الطبيعية الملفوفة (دائرية) هي المعيار، ولكن يمكن إنتاج الحواف المربعة باستخدام تقنية turks head (أي أن الأسطوانات تعمل على الجوانب وكذلك على السطح العلوي/السفلي). يمكن توفير الشرائط بنفس معالجة السطح والسبائك مثل المواد الخام الشبكية.
　　3.2 أنابيب النيكل-تيتانيوم
　　المعيار ASTM F2633 هو المواصفة القياسية لأنابيب سبائك النيكل-تيتانيوم ذات الذاكرة الشكلية المصبوبة والخالية من اللحام المستخدمة في الأجهزة الطبية والغرسات الجراحية. بدأت شركة Memry في سحب الأنابيب عام 1992، وتمتلك خبرة واسعة في تصنيع أنابيب بأحجام ومعالجات سطحية مختلفة. يمكن تصنيع الأنابيب لتلبية متطلبات ومواصفات العملاء الخاصة. عادةً ما يتم تعديل القطر الداخلي والخارجي (أو الجدار)، والخصائص الميكانيكية، والاستقامة، ونعومة السطح، والمواصفات البصرية لتلبية الاحتياجات الخاصة بالتطبيق. على عكس الأسلاك الخام، تُباع الأنابيب عادةً في حالة التلدين المباشر بسبب قيود العملية. لتصنيع الأنابيب، يتم أولاً تزوير ولف البليت المصبوب إلى قضبان، ثم يتم حفر ثقب في مركز القضيب لتشكيل شكل "مجوف" أو أنبوب أولي. ثم يتم استخدام خطوات مختلفة من المعالجة الحرارية والمعالجة الباردة والتلدين لتشكيل الأنبوب المجوف إلى الأبعاد المطلوبة. عادةً ما يكون نطاق نسبة القطر الخارجي إلى الداخلي (OD/ID) للأنابيب من 1.2 إلى 1.8.
　　3.3 صفائح النيكل-تيتانيوم
　　لتصنيع صفائح النيكل-تيتانيوم، يتم استخدام عمليات المعالجة الحرارية لتزوير ولف البليت المصبوب إلى صفائح. كما هو الحال في تصنيع الأنابيب والأسلاك، يتم معالجة صفائح سبائك النيكل-تيتانيوم المزورة إلى الأبعاد المطلوبة من خلال خطوات مختلفة من المعالجة الحرارية والمعالجة الباردة والتلدين.
　　توفر SAES/Memry صفائح سبائك النيكل-تيتانيوم بمجموعة متنوعة من السبائك المختلفة. عادةً ما تُقدم الصفائح في حالة التلدين المسطح لضمان الاستواء، وبالتالي تتمتع بدرجة معينة من الفائقة المرونة أو ذاكرة الشكل. تشمل المعالجات السطحية الشائعة الأكسدة الخفيفة، وعدم الأكسدة (التنظيف الحمضي)، أو الصنفرة/التلميع.
　　القسم 4 —— معالجة النيكل والتيتانيوم
　　كما ذُكر في القسم 1، فإن الخصائص الميكانيكية والوظيفية لسبائك النيكل-تيتانيوم حساسة للغاية للمعالجة الحرارية والميكانيكية. نظرًا لأن الأسلاك أو الصفائح أو الأنابيب الأصلية يجب أن تمر بعدة عمليات تصنيع إضافية قبل أن تصبح في شكلها النهائي، يجب اختيار خطوات المعالجة الثانوية لإنتاج الخصائص النهائية المطلوبة في التطبيق. يناقش هذا القسم العمليات الثانوية الشائعة المستخدمة في تصنيع معدات سبائك النيكل-تيتانيوم مثل التشكيل، المعالجة الحرارية، التشغيل الآلي، الربط، والتشطيب الدقيق.
　　4.1 المعالجة الحرارية
　　4.1.1 تثبيت الشكل
　　تثبيت الشكل هو العملية المستخدمة لتشكيل أسلاك أو أنابيب أو صفائح النيكل-تيتانيوم إلى مكونات هندسية محددة وعادةً معقدة. سواء كانت سبائك النيكل-تيتانيوم مخصصة لتطبيقات الفائقة المرونة أو ذاكرة الشكل، عادةً ما يتطلب الأمر تشكيل المادة. يتم ذلك باستخدام حوامل أو محاور مصممة خصيصًا لتثبيت المادة بعناية في الشكل الجديد، ثم يتم إجراء معالجة حرارية للتثبيت. إذا كانت القطعة معقدة بشكل خاص أو إذا كان من الضروري منع التشقق/الكسر تحت إجهاد عالي، فقد تكون هناك حاجة لعمليات تشكيل متعددة.
　　لتثبيت النيكل-تيتانيوم، يجب أن تكون درجة حرارة المعالجة الحرارية أعلى من 475 درجة مئوية، وغالبًا ما تتم فوق 500 درجة مئوية لتقليل وقت العملية وزيادة ثبات الشكل (أي تقليل الارتداد). يتم تحديد درجة الحرارة الفعلية ووقت التثبيت حسب تركيبة السبيكة الأصلية والمواصفات الحرارية والميكانيكية المطلوبة. عادةً ما تنتهي عملية التثبيت بالتبريد السريع بالماء لمنع المزيد من التقدم في الشيخوخة وتقليل التغيرات في العملية.
　　نظرًا لأن مكونات النيكل-تيتانيوم عادةً ما تتطلب مقاومة شد عالية (UPS) وقوة شد قصوى (UTS)، يجب تقليل عدد مرات المعالجة الحرارية إلى الحد الأدنى ويجب استخدام المواد المعالجة باردة قدر الإمكان (راجع القسم 1.5). مقارنةً بالمواد المعالجة بالتلدين المباشر/المسطح، فإن المواد المعالجة باردة تشكل الشكل المطلوب بشكل أفضل وتحافظ على مقاومة شد أعلى (UPS/LPS) وقوة شد قصوى (UTS).
　　4.1.2 الشيخوخة
　　الشيخوخة هي شكل آخر من أشكال المعالجة الحرارية التي يمكن استخدامها لضبط الخصائص الوظيفية لأجزاء سبائك النيكل-تيتانيوم. خلال عملية الشيخوخة، تتشكل ترسيبات غنية بالنيكل (مثل Ni4Ti3)، مما يؤدي إلى استنزاف النيكل من المصفوفة (راجع الأقسام 1.3 و1.6). يؤدي انخفاض نسبة النيكل إلى التيتانيوم إلى رفع درجة حرارة التحول للمكونات، ويقلل من مقاومة الشد القصوى (UPS) ومقاومة الشد الدنيا (LPS) في تطبيقات الفائقة المرونة. تتراوح درجة حرارة الشيخوخة بين 400 إلى 575 درجة مئوية، وتحدث أسرع تغيرات في درجة حرارة التحول خلال الدقائق الأولى. عادةً ما يتم اختيار درجات حرارة أعلى لتقليل وقت الشيخوخة، ولكن الشيخوخة المفرطة قد تحدث حيث تتأثر الخصائص الميكانيكية سلبًا. تُعتبر المعالجة الحرارية للشيخوخة شكلًا من أشكال تقوية الانحلال الصلب، وعادةً ما يُشار إلى درجات حرارة بين 425 و475 درجة مئوية لإنتاج ترسيبات دقيقة متوافقة مع الشبكة البلورية.
　　يحدث قدر معين من الشيخوخة أثناء عملية التثبيت، لذلك غالبًا ما يتم إجراء الشيخوخة والتثبيت عمدًا في نفس الوقت. كما هو الحال مع التثبيت، يجب تحديد وقت الشيخوخة تجريبيًا لأنه يعتمد على تاريخ معالجة المادة، وطريقة التسخين، ودرجة الحرارة، ودرجة التحول المطلوبة. كقاعدة عامة، تؤدي درجات الحرارة الأعلى (أي > 500 درجة مئوية) إلى نقل ذروة التحول بسرعة إلى درجات حرارة أعلى، لكنها قد تسبب انخفاضًا في قوة الشد القصوى (أي بدون تأثير تقوية). كما هو الحال مع التثبيت، عادةً ما تنتهي عملية الشيخوخة بالتبريد السريع بالماء لمنع المزيد من الشيخوخة وتقليل التغيرات في العملية.
　　الاعتبارات التصميمية عند تصميم عمليات المعالجة الحرارية (مثل أفران الحمل القسري، أسرّة السوائل، حمامات الملح، التسخين بالجول، الحث بالترددات الراديوية، قوالب التسخين، وغيرها) يجب مراعاة الكتلة الحرارية للحامل وطريقة المعالجة الحرارية. في معظم الحالات، يُفضل استخدام حمامات الملح وحوامل منخفضة الكتلة لمعالجة المكونات بشكل متساوٍ وسريع. ملاحظة: بسبب التغيرات في نقل الحرارة، لا يمكن نقل معلمات المعالجة الحرارية بين طرق التسخين المختلفة. كلما زاد الإجهاد المطبق على مكونات النيكل-تيتانيوم أثناء التثبيت، زادت قدرتها على الاحتفاظ بالشكل المطلوب.
　　4.2 التشغيل الآلي
　　4.2.1 الطحن، الخراطة والحفر
　　النيكل-تيتانيوم مادة صلبة في حالة المعالجة الباردة، ولها طبقة أكسيد التيتانيوم السطحية القاسية التي تجعلها شديدة التآكل. عادةً ما يُتجنب استخدام تقنيات التشغيل الآلي التقليدية مثل الطحن، الخراطة أو الحفر قدر الإمكان، لكن قد تنجح في تطبيقات محددة.
　　بعض الإرشادات التي يجب مراعاتها هي كما يلي:
　　التحكم في سرعة/تغذية CNC، وجودة تبريد قوية، وأدوات من سبائك صلبة ضرورية؛
　　من المتوقع أن تتآكل الأدوات بسرعة؛
　　يجب تجنب الميزات الصغيرة جدًا (مثل الثقوب التي يقل قطرها عن 1 ملم)؛
　　نظرًا لاستمرارية القطع، فإن الخراطة أكثر نجاحًا من الطحن؛ و
　　ينصح بشدة بعدم الطرق.
　　4.2.2 القطع بالليزر
　　عادةً ما تُستخدم عمليات الليزر الحرارية القائمة على النيكل والتيتانيوم لقطع المواد، حيث يستخدم الليزر عالي الكثافة لتركيز الضوء لإذابة المادة محليًا، ثم يتم إخراج المادة المذابة من الشق بواسطة غاز مساعد عالي الضغط. عند قطع أنابيب النيكل والتيتانيوم، مثلما في تصنيع الدعامات القلبية الوعائية، يتم تدوير الأنبوب وتحريكه طوليًا تحت شعاع الليزر المركز لإنشاء الشكل الهندسي المطلوب للقطع. بالنسبة للألواح، يتحرك رأس الليزر أو اللوح (أو كلاهما) بالنسبة للآخر لإنشاء الشكل الهندسي المطلوب للقطع. في شركة Memry، تُستخدم أنظمة الليزر الليفي التي تتميز بحركات وتكوينات تثبيت متعددة لقطع مكونات مختلفة من الأنابيب أو الألواح. أصبح القطع بالليزر أحد أكثر تقنيات التصنيع استخدامًا لأجهزة سبائك النيكل والتيتانيوم، ويرجع ذلك أساسًا إلى دقته العالية جدًا وخصائصه المنخفضة في إدخال الحرارة. تسمح تقنيات الليزر الحالية في Memry بقطع مواد بسماكة تتراوح من 25 ميكرومتر (0.001 بوصة) إلى أكثر من 0.8 ملم (0.031 بوصة).
　　تعتمد قدرة أنظمة الليزر على قطع أشكال هندسية دقيقة ومعقدة إلى حد كبير على نظام حركة شعاع الليزر المركز وحجم البقعة الضوئية. في سياق المعالجة بالليزر، يشير "عرض الشق" إلى عرض المادة التي تم إذابتها وإزالتها أثناء عملية القطع بالليزر، وهو يعتمد على حجم بقعة الليزر. يسمح عرض الشق الأصغر بتصميم أشكال هندسية أصغر وأكثر تعقيدًا، ولذلك يُعتبر عادةً أفضل. يعتقد الكثيرون أن عرض الشق لكل نظام ليزر ثابت. ومع ذلك، في الممارسة العملية، يكون عرض الشق أكثر ديناميكية. مع زيادة سماكة المادة، تزداد الطاقة المطلوبة لاختراق وقطع المادة، مما يؤدي إلى زيادة عرض الشق. تتميز ليزرات الفيمتوثانية فائقة القصر بأعلى جودة شعاع، وعند قطع مكونات النيكل والتيتانيوم النحيفة نسبيًا (أي أقل من 50 ميكرومتر، 0.002 بوصة)، يمكن أن يصل عرض الشق إلى 5 ميكرومتر (0.0002 بوصة).
　　بعض العوامل التي يجب مراعاتها عند تصميم أجزاء القطع بالليزر تشمل مسار القطع، منطقة التأثير الحراري (HAZ)، طبقة إعادة الصب والخبث. يجب تحسين مسار الليزر للحد من أي شوائب غير مرغوب فيها مثل الرش، الشقوق/العض أو الدرجات، والسماح بإزالة الجزر (أي النفايات) بسهولة. تحتوي الميزات ذات الشق الواحد أو الخط الواحد على نقاط ثقب في نهاية كل قطع. هذه النقاط ستحتوي على شقوق أكبر وعادةً ما يكون هناك رش بالقرب من حواف القطع. من الأفضل، حيثما أمكن، أن تكون نقاط الثقب داخل جزر بعيدة عن ميزات المكون، كما هو موضح أدناه.
　　ينقل الحرارة اللازمة لإذابة المادة المقطوعة بعيدًا عن الشق. بسبب الشيخوخة المفرطة لمادة النيكل والتيتانيوم، تتأثر الخصائص الميكانيكية لهذه المنطقة المجاورة للشق؛ حيث تحدث إعادة التبلور ونمو الحبيبات. قد تؤثر هذه المنطقة المتأثرة حراريًا (HAZ) سلبًا على أقصى إجهاد يمكن أن يتحمله المكون وعمر التعب. بالإضافة إلى ذلك، أثناء القطع بالليزر، يتم إعادة صب بعض المادة المذابة على جدار الجزء. تُعرف هذه المنطقة المتأثرة حراريًا باسم "طبقة إعادة الصب". تكون طبقة إعادة الصب مؤكسدة بشدة وهشة جدًا. عادةً ما تحتوي هذه الطبقة على شقوق دقيقة تعمل كنقاط بداية للكسر.
　　المادة المذابة التي لم تُعاد صبها على جدار القطع تشكل أحيانًا "خبثًا" عند مخرج القطع بالليزر. إذا كان هناك خبث، فيجب إزالته بواسطة نوع من العمليات الميكانيكية أو الكيميائية.
　　اعتبارات التصميم
　　يجب إجراء معالجة لاحقة لأجزاء القطع بالليزر لإزالة منطقة التأثير الحراري، وطبقة إعادة الصب، والخبث، لتحقيق أداء مقبول للجهاز. تشمل الطرق القياسية لأداء ذلك التلميع، والرمل النفاث، والنقش الكيميائي، والتلميع الدوار. تؤثر المعالجة اللاحقة على الشكل الهندسي النهائي للمكون، لذا يجب تصميمها ضمن العملية.
　　تُعد عملية المعالجة بالليزر الفيمتوثانية من أكثر التقنيات تقدمًا لقطع النيكل والتيتانيوم. يمكن استخدام نبضات فائقة القصر وعالية الطاقة لإحداث تبخير مباشر من الحالة الصلبة إلى البلازما في النيكل والتيتانيوم. نظرًا لأن التفاعل بين الليزر والمادة يكون لفترة زمنية قصيرة جدًا، لا تنتقل الحرارة إلى المادة الصلبة؛ مما يلغي المخاوف السابقة المتعلقة بالمواد المتأثرة حراريًا، وطبقة إعادة الصب، والخبث. بالإضافة إلى القضاء على الآثار الجانبية الضارة المتأصلة في عمليات القطع بالليزر الحراري، تحسنت جودة القطع بشكل كبير، مما يترجم مباشرة إلى تحسين أداء الجهاز.
　　كإرشاد عام، ستستفيد الأنابيب ذات الجدران الرقيقة (<125 ميكرومتر) والتصاميم ذات الأعمدة الرقيقة أو الميزات الهندسية الدقيقة (أي <100 ميكرومتر) من هذه العملية.
　　تستخدم معظم المنتجات الجديدة التي تصنعها Memry عبر المعالجة بالليزر الآن الليزر الفيمتوثاني. ثبت أن عملية التبخير الجزئي التي يمكن إجراؤها باستخدام الليزر الفيمتوثاني مناسبة جدًا لمعالجة الميزات الدقيقة والمعقدة.
　　اعتبارات التصميم
　　في العديد من الحالات، يُنصح باستخدام عملية الليزر الفيمتوثاني ليس بسبب حجم المكون أو متطلبات الدقة، بل لتقليل أو حتى القضاء على المعالجة اللاحقة التي تستغرق وقتًا طويلاً. على سبيل المثال، من الصعب جدًا تلميع الأنابيب ذات القطر الداخلي الصغير والميزات الدقيقة والمعقدة، كما أن النقش الكيميائي المتسق والتلميع الكهربائي يمثلان تحديًا. يمكن أن يخفف استخدام عملية الليزر الفيمتوثاني من هذه التحديات الشائعة من خلال تقليل إدخال الحرارة إلى الحد الأدنى والقضاء على إعادة الصب والخبث.
　　4.2.3 الطحن
　　تُعد هذه التقنية لطحن المواد طريقة فعالة لمعالجة النيكل والتيتانيوم. تشمل تقنيات الطحن الشائعة لمواد النيكل والتيتانيوم الطحن بدون مركز، والطحن السويسري، والطحن الكهروكيميائي، والطحن التقليدي باستخدام CNC بثلاثة أو أربعة محاور. يُنصح عادةً باستخدام مبرد قوي لمنع ارتفاع درجة حرارة سبائك النيكل والتيتانيوم. يمكن طحن ميزات بطول صغير يتراوح بين 125 – 250 ميكرومتر (0.005 – 0.010 بوصة). تستطيع Memry طحن أشكال هندسية تتراوح من أسلاك التوجيه البسيطة إلى الطحن المعقد لأي تطبيق مخصص، بما في ذلك الأسطح المستوية، والأشعة، والرؤوس المخروطية، وإبر الأكمام، والإبر، أو الأشكال الخيطية.
　　4.2.4 القطع بالشرارة الكهربائية بالأسلاك
　　تُعد هذه التقنية جذابة بشكل خاص لقطع الميزات في مواد النيكل والتيتانيوم السميكة. يتم القطع بواسطة سلك كهربائي مشحون يتغذى باستمرار عبر المادة. عندما يقترب السلك المعدني من قطعة العمل، يحدث تفريغ شراري ويُبخر المادة الأقرب إلى السلك المعدني. لا تُطبق قوة على قطعة العمل أثناء القطع. من خلال غمر قطعة العمل في ماء منزوع الأيونات (غير موصل) أثناء القطع، يمكن تقليل سمك طبقة إعادة الصب/منطقة التأثير الحراري (HAZ) إلى الحد الأدنى. بالنسبة للزرعات، يجب تعديل سطح القطع بالشرارة الكهربائية ميكانيكيًا أو كيميائيًا لإزالة طبقة إعادة الصب والقضاء على مواد انتقال سلك الشرارة الكهربائية (عادةً ما تكون من النحاس الأصفر).
　　عند الإمكان، قم بتكديس القطع أثناء عملية القطع لزيادة الكفاءة. القطر النموذجي لسلك EDM يتراوح بين 0.1 إلى 0.305 ملم (0.004 إلى 0.012 بوصة). حسب الشكل الهندسي، قد يحدث "احتراق زائد" للسلك بمقدار إجمالي 50 ميكرومتر (0.002 بوصة) (على سبيل المثال، سلك بقطر 255 ميكرومتر/0.010 بوصة ينتج شق بعرض حوالي 305 ميكرومتر/0.012 بوصة). عادةً ما يُستخدم سلك بقطر أكبر لزيادة سرعة القطع، إلا إذا تطلب شكل المكون استخدام سلك أصغر.
　　4.2.5 القطع بالماء
　　تستخدم هذه التقنية ماء عالي الضغط مخلوط بوسيط قطع كاشط لقطع سبائك النيكل والتيتانيوم عبر آلية تآكل. العملية سريعة ولا تولد حرارة عالية أثناء القطع، مما يجعلها طريقة ممتازة لقطع المواد الخام السميكة. ومع ذلك، فهي أقل دقة من طرق القطع الأخرى، والتفاوتات الممكن تحقيقها أكبر مقارنة بالتقنيات الأخرى. عادةً ما يُستخدم القطع بالماء للقطع الخشن للمواد الخام السميكة من سبائك النيكل والتيتانيوم.
　　4.2.6 التشكيل بالضغط
　　يمكن تشكيل سبائك النيكل والتيتانيوم بنجاح في تطبيقات محددة. تتكون العملية من أدوات قطع دقيقة جداً (ذات شكل قطع إيجابي) وقوالب (ذات شكل قطع سلبي). توضع المادة (عادةً شريط أو صفائح) تحت مجموعة القوالب، ثم يخترق القاطع المادة بقوة كبيرة وبسرعة إلى داخل القالب. عادةً ما يكون التشكيل بالضغط مناسبًا فقط للعمليات ذات الإنتاج الكبير المستمر (مثل الشرائط). يجب تقليل الفجوة بين القوالب لتقليل الحواف الخشنة وجودة الحواف. عند تشكيل سبائك النيكل والتيتانيوم، يلزم استخدام أدوات من كربيد صلب، وتتعرض القوالب للتآكل المفرط.
　　4.2.7 النقش الضوئي الكيميائي
　　النقش الضوئي الكيميائي هو طريقة فعالة لصنع أجزاء رقيقة (أقل من 0.020 بوصة) من سبائك النيكل والتيتانيوم من الصفائح. يتم تطبيق "القطب الموجب" المقاوم للتآكل الكيميائي لشكل المكون على الرقاقة الرقيقة. ثم تُعرض الرقاقة لمحلول كيميائي ينقش المادة غير المحمية من النيكل والتيتانيوم، تاركًا فقط المكونات المطلوبة. بعد ذلك، تُزال مادة الحجب.
　　تتيح هذه التقنية معالجة سطحية خالية من الحواف الخشنة، وهي مناسبة للإنتاج الكبير لأشكال هندسية صغيرة ومعقدة. ومع ذلك، تقتصر التقنية على الصفائح الرقيقة، وتعتمد التفاوتات على سمك المادة. كما تترك نتوءًا صغيرًا على جدران القطعة بالقرب من مكان وضع مادة الحجب، مما قد يسبب مشاكل في بعض التطبيقات.
　　4.3 الربط
　　4.3.1 اللحام
　　تُستخدم عمليات اللحام بالليزر والبلازما والمقاومة بشكل شائع لربط أجزاء سبائك النيكل والتيتانيوم. أحد التحديات التصميمية الشائعة لأجزاء اللحام هو توفير كمية كبيرة من الحرارة اللازمة لإنشاء الوصلة. سيكون للحام نفسه ومنطقة التأثير الحراري (HAZ) خصائص ميكانيكية ووظيفية مختلفة. في اللحام بالليزر والبلازما والمقاومة، سيكون لمنطقة الاندماج (FZ) بنية وأداء مشابهين لسبائك النيكل والتيتانيوم المصبوبة. تتأثر منطقة التأثير الحراري بظاهرة الشيخوخة الزائدة مثل إعادة التبلور ونمو الحبيبات، مما يؤدي إلى انخفاض القوة الميكانيكية وتغير درجة حرارة التحول. عند لحام سبائك غنية بالتيتانيوم (مثل تلك المستخدمة في تطبيقات الذاكرة الشكلية)، تشكل التشققات تحديًا بسبب ترسيب المواد الصلبة وتكوين أطوار هشة غنية بالتيتانيوم.
　　نظام الليزر النبضي CNC هو أكثر عمليات اللحام شيوعًا لتجميع مكونات النيكل والتيتانيوم. تتميز هذه العملية بسرعة عالية، وعدم تلامس، ومدخل حراري منخفض، مما يجعلها جذابة جدًا في تصنيع الأجهزة الطبية من النيكل والتيتانيوم. عادةً ما يُستخدم الليزر النقطي لتطبيقات اللحام النقطي، مثل لحام الأطواق أو الأنابيب على نهايات مكونات الأسلاك المعدنية. كما يُستخدم اللحام الخيطي لتحقيق تداخل نبضي من خلال توقيت حركة المنصة باستخدام تردد نبضات مصدر الليزر. للتطبيقات التي تتطلب ختمًا محكمًا للغاز، يُوصى عادةً بتداخل يزيد عن 80%.
　　اللحام بالبلازما هو عملية لحام بالقوس الكهربائي، ويُستخدم في Memry بشكل شائع لتشكيل كرات خالية من الضرر على نهايات أسلاك أو أنابيب النيكل والتيتانيوم. يمكن تحقيق كرات بقطر يصل إلى ثلاثة أضعاف قطر المادة الأم باستخدام هذه العملية.
　　يستخدم اللحام بالمقاومة حرارة جول والحمل الميكانيكي لتشكيل نواة لحام أو منطقة اندماج بين قطعتين بسبب المقاومة الكهربائية العالية لسطح الوصل. عادةً ما يُستخدم اللحام بالمقاومة لتوصيل نهايات أسلاك النيكل والتيتانيوم ذات القطر الكبير أو لربط وصلة تراكب بين صفائح أو أشرطة النيكل والتيتانيوم. نظرًا لأن اللحام بالمقاومة يتطلب تلامسًا ميكانيكيًا بين الأقطاب (عادة من سبائك النحاس) وسطح مكونات النيكل والتيتانيوم، يُنصح بتعديل السطح ميكانيكيًا أو كيميائيًا لتقليل مخاطر انتقال المواد.
　　اعتبارات التصميم
　　يُعد لحام سبائك النيكل والتيتانيوم بنجاح على معادن مختلفة (مثل الفولاذ المقاوم للصدأ) تحديًا كبيرًا. غالبًا ما تصبح وصلات اللحام بين المعادن المختلفة هشة بسبب تكوين مركبات بين معدنية، ولا تتحمل الإجهاد أو التشوه العالي.
　　أظهرت تقنيات مثل اللحام الصلب أو استخدام طبقة وسيطة في اللحام بالليزر بعض الإمكانيات لصنع وصلات بين المعادن المختلفة، لكن هذه التقنيات لم تُستخدم على نطاق واسع.
　　عند النظر في استخدام مكونات سبائك النيكل والتيتانيوم، لا ينبغي تجاهل تصميم وصلات اللحام. يجب أن يكون تصميم الوصلات بعيدًا عن الميزات الحرجة ومناطق الإجهاد/التشوه الأعلى. ستتأثر الخصائص الميكانيكية والوظيفية لمنطقة الاندماج ومنطقة التأثير الحراري بالحرارة المدخلة أثناء عملية اللحام.
　　4.3.2 التثبيت بالضغط
　　التثبيت بالضغط هو طريقة قوية جدًا لربط النيكل والتيتانيوم بنفسه أو بمواد مختلفة. من العيوب الرئيسية وجود ملفات تثبيت ضخمة نسبيًا والتحديات العملية المرتبطة بالهياكل متعددة الأجزاء. عند النظر في تثبيت نهايات الأسلاك في الأجهزة الخطية، غالبًا ما يكون التثبيت بالضغط هو طريقة الربط المختارة. يُنصح باستخدام أنابيب النيكل والتيتانيوم المعالجة خصيصًا لمكونات التثبيت بالضغط. تشمل الاعتبارات التصميمية المهمة: (1) يجب أن يكون التثبيت بالضغط مرنًا بما يكفي للسماح بالتشوه البلاستيكي حول المكونات المراد ربطها، و(2) استخدام مواد مختلفة (مثل الفولاذ المقاوم للصدأ) كأنابيب تثبيت قد يسبب مشاكل تتعلق بعدم التوافق في خصائص المواد والتآكل الكهروكيميائي. مثال جيد على تطبيق التثبيت بالضغط هو حوامل تشكيل الأسلاك، حيث تُثبت نهايات الأسلاك عادةً معًا باستخدام قطعة من أنبوب النيكل والتيتانيوم (أي الحلقة المكتملة).
　　4.3.3 اللحام والمواد اللاصقة
　　اللحام والمواد اللاصقة هما طريقتان ممتازتان لربط سبائك النيكل والتيتانيوم بمواد مختلفة. في كلتا الحالتين، يجب إزالة طبقة الأكسيد لتحقيق أفضل النتائج. بالنسبة للحام، فإن اللحام المحتوي على الفضة (مثل: Sn95Ag5) يعمل بشكل جيد عند استخدامه مع فلوس مناسب (نستخدم Indalloy? #3 من شركة Indium Corporation). عند النظر في المواد اللاصقة، يمكن استخدام خيارات التصلب بالأشعة فوق البنفسجية والتصلب الحراري. تمتلك Dymax? وLoctite? وMasterBond? تركيبات مناسبة للاستخدام مع سبائك النيكل والتيتانيوم. من المهم ملاحظة أنه لا ينبغي النظر في اللحام أو المواد اللاصقة لتطبيقات الأجهزة الطبية المزروعة.
　　4.4 التشطيب الدقيق 4.4.1 النفث الرملي
　　النفث الرملي والميكرو نفث الرملي هما طريقتان لإزالة الأكسيدات وآثار السطح والمواد الملوثة من عمليات سابقة مثل السحب والمعالجة الحرارية والقطع بالليزر وEDM أو عمليات التسخين الموضعي. عادةً ما يتم إجراء النفث الرملي على الأنابيب أو الأسلاك وهو عملية على نطاق واسع نسبيًا، بينما يتم إجراء الميكرو نفث الرملي على مكونات أصغر. الميكرو نفث الرملي هو ممارسة شائعة كمعالجة لاحقة لأجزاء القطع بالليزر أو قطع الأسلاك EDM قبل عمليات الحفر الكيميائي.
　　كلتا تقنيتي الطحن تتكونان من حبيبات رملية تعمل مباشرة على مكونات سبائك النيكل والتيتانيوم تحت ضغط عالٍ. يمكن لعملية الطحن إزالة المواد الموجودة حول سطح النيكل والتيتانيوم مثل طبقة إعادة الصب، منطقة التأثير الحراري، والشقوق الدقيقة، ويمكنها إزالة كمية كبيرة من المواد. تمتلك Memry القدرة على تنفيذ عمليات النفث الرملي يدويًا أو آليًا.
　　4.4.2 التدحرج الميكانيكي
　　التدحرج هو عملية يتم فيها وضع المكونات في وعاء يحتوي على وسط طحن ويتم تحريك الوعاء عن طريق الدوران أو الاهتزاز. يعمل الوسط على الأجزاء لجعل السطح أملسًا وتدوير الحواف الحادة. عادةً لا يكون التدحرج فعالًا في إزالة كميات كبيرة من المواد، بل هو أكثر فعالية في تكسير الحواف وتدوير الميزات الحادة.
　　4.4.3 المعالجة الكيميائية للحفر
　　المعروفة أيضًا بالتنظيف الحمضي، هي طريقة شائعة لإزالة الأكسيدات وإزالة كمية كبيرة نسبيًا من المواد من سطح النيكل والتيتانيوم. الأجزاء المحفورة ستتمتع بسطح لامع أو فاتح اللون. تبدو ناعمة للعين المجردة، ولكن عند الفحص بتكبير أعلى، يكون سطحها خشنًا قليلاً. بشكل عام، تؤدي أوقات الحفر الأطول إلى سطح أكثر نعومة قليلاً. من الأمثلة الشائعة على عمليات الحفر الكيميائي: (1) إزالة طبقة إعادة الصب الهشة من أجزاء القطع بالليزر، و(2) إزالة أي مواد منقولة من أقطاب قطع الأسلاك EDM. من المهم أن تكون المكونات خالية من الحواف الحادة قبل الحفر لتقليل خطر الحفر الانتقائي بالقرب من القطعة.
　　التلميع الكهربائي هو عملية كيميائية كهربائية تزيل المواد من سطح مكونات النيكل والتيتانيوم. كما يشير الاسم، يستخدم التلميع الكهربائي لتلميع وتنعيم سطح مكونات النيكل والتيتانيوم. في نظام التلميع الكهربائي، يتم تطبيق جهد لإزالة أيونات المعدن من سطح القطعة ونقلها إلى المحلول. يحدث إذابة المعدن في المحلول الكهربائي. أحد الاعتبارات الهامة للعملية هو كيفية وأين يتم توصيل المكون بالأنود. يجب أن يكون الاتصال بين الأنود والقطعة قويًا بما يكفي لمنع القوس الكهربائي. التثبيت غير المناسب يمكن أن يسبب بقع محترقة أو ذائبة حول نقاط الاتصال على القطعة النهائية. آثار نقاط الاتصال الكهربائية لا مفر منها إلى حد ما.
　　خلال عملية التلميع الكهربائي، يمر التيار عبر القمم على السطح الخشن نسبيًا، مما يخلق كثافة تيار عالية في هذه المواقع. هذا يؤدي إلى إزالة القمم بشكل مفضل أثناء التلميع الكهربائي، مما يجعله خيارًا مثاليًا لإزالة الحواف الحادة وتقليل (أي تحسين) خشونة السطح في النهاية. من خلال تقليل خشونة السطح، يمكن تقليل أو حتى إزالة الشقوق الدقيقة والعيوب السطحية الأخرى. الأجزاء التي تم تلميعها كهربائيًا بشكل مناسب سيكون لها سطح لامع يشبه المرآة حتى عند التكبير العالي.
　　العيب الرئيسي للتلميع الكهربائي هو زيادة تكلفة كل قطعة، وآثار نقاط الاتصال بالأنود، وصعوبة إزالة المواد بدقة على الأجزاء الكبيرة. ومع ذلك، من الجدير بالذكر أن تحسين التوافق الحيوي ومقاومة التعب غالبًا ما يجعل التلميع الكهربائي يستحق التكلفة الإضافية لتطبيقات الأجهزة الطبية المزروعة من سبائك النيكل والتيتانيوم.
　　التمويه، عند تطبيقه على مكونات النيكل والتيتانيوم، يشير إلى تعديل كيمياء السطح لجعل أجهزة النيكل والتيتانيوم أقل تفاعلية أو أكثر مقاومة عند تعرضها لعوامل بيئية معينة. الهدف الرئيسي من التمويه هو ضمان مقاومة السطح للتآكل الكهروكيميائي، بحيث لا يتحلل الجهاز أو يفشل في النهاية أو يطلق أيونات النيكل الضارة داخل الجسم.
　　سطح سبائك النيكل والتيتانيوم يحتوي على طبقة ثنائية أكسيد التيتانيوم (TiO2) السلبية المتكونة طبيعيًا. ومع ذلك، أظهرت العديد من الدراسات أن المعالجة غير الصحيحة تؤدي إلى تكوين المزيد من أكاسيد السطح المتطايرة، مما يقلل من تمويه مكونات النيكل والتيتانيوم. لذلك، تم تطوير تقنيات تمويه مختلفة لأجهزة النيكل والتيتانيوم الطبية، مثل التمويه الكيميائي أو حتى الغليان في الماء. أكثر عمليات التمويه شيوعًا التي تنفذها Memry هي التمويه الكيميائي القائم على HNO3، والذي يتوافق مع ASTM A967، وهو معيار تم تطويره في الأصل لتمويه الفولاذ المقاوم للصدأ.
　　اعتبارات التصميم يطلب العملاء عادةً التمويه لتطبيقات الأجهزة الطبية المزروعة. ومع ذلك، في العديد من تطبيقات أجهزة سبائك النيكل والتيتانيوم الأخرى، قد لا يكون التمويه الكيميائي ضروريًا. على سبيل المثال، تم تحسين عمليات التصنيع القياسية في Memry لإنتاج أداء ممتاز في مقاومة التآكل حتى بدون التمويه النهائي.
　　4.4.4 خيارات التشطيب الدقيق الأخرى
　　الوسم بالليزر — وسم أجزاء سبائك النيكل والتيتانيوم بالليزر هو ممارسة شائعة. تشمل أمثلة تطبيقات الوسم بالليزر العلامات العميقة أو الملصقات، أرقام الدُفعات التصنيعية، وحتى رموز QR وشعارات الشركات كمؤشرات بصرية. هناك وضعان مختلفان للوسم بالليزر، وهما الحفر والتمويه. في وسم الليزر الحفري، يتم تشكيل مظهر معدني (عادةً لامع) عن طريق إذابة وحفر مادة السطح. من ناحية أخرى، لا يسبب التمويه تغييرات في المظهر السطحي الماكروسكوبي، بل يغير لون سطح النيكل والتيتانيوم من خلال تعديل طبقة الأكسيد.
　　الطلاء والطلاء الكهربائي — يمكن طلاء النيكل والتيتانيوم بمواد مثل PTFE وFEP وParylene وطلاءات شبيهة بالماس (DLC) لتحسين التزليق أو مقاومة التآكل. بالإضافة إلى ذلك، يمكن تطبيق طبقات طلاء مختلفة عادةً ما تتكون من الذهب أو البلاتين أو التنتالوم على أجزاء سبائك النيكل والتيتانيوم لتحسين الحماية من الأشعة. يجب مراعاة درجات الحرارة العالية لبعض عمليات الطلاء لأنها تؤثر على خصائص المواد لمكونات النيكل والتيتانيوم.
　　بعض الاعتبارات المهمة الأخرى لعمليات الطلاء والطلاء الكهربائي تشمل اختيار أفضل سطح لالتصاق الطلاء وعدم توافق خصائص المواد، حيث قد يتشقق الطلاء أو يتقشر تحت إجهادات فائقة المرونة.
　　القسم 5 —— اعتبارات تصميم الأجهزة الطبية
　　5.1 الخصائص الفيزيائية والميكانيكية النموذجية
　　في هذا القسم، تم تقديم الخصائص النموذجية لمادة نيكل تيتانيوم لمساعدة مرحلة التصميم الأولية. من المهم فهم أن بعض خصائص نيكل تيتانيوم لها قيمتان. الأولى تُستخدم للطور المارتنسيتي وتطبيقات ذاكرة الشكل، والثانية تُستخدم للطور الأوستنيتي وتطبيقات الفائقة المرونة (راجع القسم 1). كما يقارن هذا القسم خصائص وأداء الفولاذ المقاوم للصدأ كمرجع.
　　يُعرض أدناه منحنى الإجهاد-الانفعال النموذجي لسبائك الفولاذ المقاوم للصدأ وسبائك نيكل تيتانيوم. يوضح المقارنة البسيطة بين المنحنيات الفرق بين السلوك المرن-اللدن الشائع في المعادن الهندسية والسلوك الفائق المرونة غير الخطي لنيكل تيتانيوم. تم شد عينة نيكل تيتانيوم المعروضة أدناه إلى 8%، ثم تم تحريرها إلى 0%، ثم شدها حتى الفشل لتوضيح الحلقة الفائقة المرونة. تم شد عينة الفولاذ المقاوم للصدأ مباشرة حتى الفشل.
　　بالنسبة لهاتين المادتين، إذا تجاوز الانفعال على المادة الحد المرن، فإن التشوه الناتج عن حمل الشد يؤدي في النهاية إلى فشل المادة. قبل حدوث الانفعال الدائم، يكون الحد المرن لسبائك الفولاذ المقاوم للصدأ حوالي 0.2%، بينما يمكن أن يصل الحد المرن لسبائك نيكل تيتانيوم إلى 8%. عند تصميم أجزاء من سبائك نيكل تيتانيوم فائقة المرونة، يُعتبر الانفعال غير الخطي مدخلاً تصميمياً رئيسياً، ويجب مراعاة UPS وLPS الفائقة المرونة للمادة عند الاختيار. بالإضافة إلى ذلك، يختلف السلوك غير الخطي لمكونات نيكل تيتانيوم حسب ما إذا كنت تقوم بالتحميل أو التفريغ (أي UPS مقابل LPS)، كما يحدث تغير طفيف في حلقة التباطؤ مع دورات انفعال أقل من 8%. بالمقابل، تُعد مقاومة الخضوع ومعامل المرونة للفولاذ المقاوم للصدأ حاسمة في تصميم معدات الفولاذ المقاوم للصدأ. لذلك، هناك حاجة لأخذ المزيد من المتغيرات في الاعتبار عند تصميم معدات سبائك نيكل تيتانيوم.
　　5.2 التآكل
　　يجعل الجمع الفريد بين خصائص ذاكرة الشكل والفائقة المرونة، إلى جانب استجابته الحيوية المتوافقة، من نيكل تيتانيوم مادة ممتازة لتطبيقات الأجهزة الطبية. على سطح نيكل تيتانيوم، تتفاعل أيونات التيتانيوم مع الأكسجين لتشكيل طبقة أكسيد التيتانيوم الخاملة شديدة المتانة (TiO2). تحمي هذه الطبقة المؤكسدة مادة نيكل تيتانيوم الموجودة تحتها من التأثيرات البيئية الخارجية، مما يمنح نيكل تيتانيوم عادة مقاومة ممتازة للتآكل وتوافق حيوي عالي. يرتبط سمك وجودة الطبقة المؤكسدة (أي التجانس، خلوها من العيوب، إلخ) ارتباطًا وثيقًا بمقاومة التآكل والتوافق الحيوي لنيكل تيتانيوم.
　　ASTM F2129 هو طريقة اختبار قياسية لإجراء قياسات الاستقطاب الديناميكي الدوري لتحديد حساسية التآكل للأجهزة الصغيرة المزروعة. يُعترف بهذه المعيار كطريقة اختبار معتمدة لتحديد مقاومة التآكل لأجهزة نيكل تيتانيوم المزروعة، وتستخدم Memry عادة هذا المعيار لتقييم حساسية التآكل لمكونات نيكل تيتانيوم. خلال اختبار الاستقطاب الدوري، يُطبق جهد على جهاز نيكل تيتانيوم حتى تنكسر الطبقة السلبية (تشبه المكثف) ويحدث تآكل نقطي نتيجة لتقدم التفاعل الكهروكيميائي. يُسمى الجهد الذي يحدث فيه هذا الانهيار ويبدأ التآكل النقطي على سطح العنصر جهد الانهيار Eb. على الرغم من عدم وجود معايير نجاح/فشل محددة في معيار ASTM، يُعتبر عادةً أن Eb > 300 mV مقبول، وEb ≥ 600 mV يشير إلى أن الجهاز يتمتع بمقاومة تآكل ممتازة.
　　اعتبارات التصميم
　　كما هو موضح في القسم 4.4.3، تم تحسين عملية التصنيع القياسية لـ Memry لتحقيق أداء ممتاز في مقاومة التآكل.
　　يجب اختبار أجهزة سبائك نيكل تيتانيوم في حالتها النهائية للحصول على تقييم حقيقي لحساسية التآكل.
　　محلول الاختبار القياسي هو محلول ملحي فوسفات مخزن (PBS) بدرجة حموضة 7.4 ± 0.2. يمكن استخدام محاليل أخرى لمحاكاة أفضل للظروف داخل الجسم، مثل محاكاة الدم.
　　عند اختبار الأجهزة في محلول PBS، يُستخدم جهد اختبار أقصى يبلغ 800 mV بسبب حدوث تفاعل تطاير الأكسجين. إذا استمر الجهاز حتى 800 mV، يُقال إن الجهاز لم يتآكل. هذا هو أفضل نتيجة اختبار ممكنة، لكنه ليس شرطًا ضروريًا لاعتبار الجهاز قد اجتاز الاختبار.
　　5.3 تعقيم نيكل تيتانيوم
　　يمكن تعقيم الأجهزة الطبية المصنوعة من سبائك نيكل تيتانيوم باستخدام معظم طرق التعقيم النموذجية، بما في ذلك البخار (المعقم عالي الضغط)، أو أكسيد الإيثيلين (EtO)، أو الإشعاع (جاما). تشير الأدبيات والخبرة إلى أن أجهزة سبائك نيكل تيتانيوم يمكن تعقيمها دون التأثير على وظائفها. ومع ذلك، يجب مراعاة درجة الحرارة التي يتعرض لها الجهاز والحفاظ عليها تحت 300 درجة مئوية لضمان عدم التأثير على الخصائص الميكانيكية والوظيفية.
　　5.4 التوافق الحيوي
　　يُظهر نيكل تيتانيوم توافقًا حيويًا عاليًا، ويرجع ذلك أساسًا إلى طبقة أكسيد التيتانيوم السلبية القوية المتأصلة على السطح (انظر الأقسام 4.4.4 و5.2). لقد ثبت تاريخ استخدامه الطويل في العديد من التطبيقات، من الأجهزة ذات الاستخدام الواحد إلى الغرسات طويلة الأمد التي تكاد تخلو من المضاعفات. أكثر المشاكل شيوعًا في التوافق الحيوي هي تسرب أيونات النيكل من الأجهزة المستخدمة في التطبيقات المزروعة. هذا موضوع مثير للبحث والنقاش الأكاديمي، ومع ذلك، فقد ثبت أن عمليات التصنيع المحسنة (مثل تلك التي طورتها Memry) تحد من إطلاق أيونات النيكل إلى مستويات أقل من الفولاذ المقاوم للصدأ الطبي.
　　5.5 التعب
　　على الرغم من أن نيكل تيتانيوم يتمتع بأداء ميكانيكي ممتاز ويمكنه التعافي من مستويات انفعال عالية جدًا، إلا أنه يجب مراعاة التعب للتطبيقات طويلة الأمد وعالية التكرار. يوضح الشكل أدناه كيف ينخفض عمر التعب بشكل حاد مع زيادة مستوى الانفعال. على سبيل المثال، عند انفعال 0.57%، تم إيقاف الاختبار بعد مليون دورة وكانت السلك سليمة. عند زيادة الانفعال إلى 0.88% فقط، فشل السلك بعد أكثر بقليل من 13,000 دورة. لذلك، يُعد أداء التعب اعتبارًا مهمًا جدًا عند تصميم مكونات نيكل تيتانيوم. إذا كانت هناك حاجة إلى كامل 6% من المرونة، يجب على المصمم تقليل عدد الدورات إلى الحد الأدنى (ربما أقل من 100)؛ حيث قد يكون الجهاز ذو الاستخدام الواحد منخفض التكرار هو الخيار الوحيد. ولكن إذا كان التطبيق يستخدم انفعالًا 0.5% أو أقل، كما هو الحال في العديد من تطبيقات الدعامات القلبية أو صمامات القلب، فقد يتحمل المادة ملايين الدورات.
　　5.6 معالجة السطح
　　تقدم القائمة التالية والمعلومات العامة حول معالجة السطح فهمًا عميقًا للمعالجة الأنسب لتطبيق معين.
　　أكسيد فاتح اللون أو كهرماني
　　عادة ما يكون اللون كهرماني/ذهبي، ولكن قد يتحول إلى أزرق/بنفسجي حسب طريقة المعالجة الحرارية.
　　الأنابيب تخضع لمعالجة سطحية قياسية، لكن الأسلاك اختيارية.
　　تشحيم جيد ومقاومة للتآكل.
　　عادة ما يُفضل للأسلاك التي ستخضع للتلميع الكهربائي.
　　أكسيد أسود صلب
　　هذه هي المعالجة السطحية القياسية للأسلاك والأشرطة.
　　تُظهر خصائص تزييت ممتازة ومقاومة للتآكل، وعادةً ما تُفضل في التطبيقات التي تكون فيها خصائص الاحتكاك حاسمة.
　　خالي من الأكسيد / مُحمض
　　سطح رمادي غير لامع إلى فضي، يُعتبر عادةً الأفضل من حيث المظهر الجمالي.
　　مناسب جدًا لعمليات EDM اللاحقة (أي توصيل كهربائي أفضل من الأكسيد) وعمليات الربط مثل اللحام، اللحام بالقصدير، واستخدام المواد اللاصقة.
　　مقاومة التآكل غير مثالية. من السهل ظهور علامات أو خدوش/تآكل على السطح.
　　التلميع
　　عادةً، لتعزيز التحكم في الأبعاد، يتطلب تعديل القطر الخارجي للأسلاك أو الأنابيب عملية تلميع.
　　سطح أملس، لأن التلميع يمكن أن يزيل أي عيوب صناعية من عملية تصنيع المواد الخام الأولية، مثل خطوط السحب.
　　يوفر أفضل قاعدة لعمليات التشطيب السطحي الأولية المثلى.
　　مقاومة التآكل غير مثالية. من السهل ظهور علامات أو خدوش/تآكل على السطح.
　　التلميع الكهربائي
　　يوفر أفضل مقاومة للتآكل، والتوافق الحيوي، وعمر التعب (انظر أيضًا القسم 4.4.3).
　　التخميل
　　يساعد في تحسين مقاومة التآكل والتوافق الحيوي (انظر أيضًا القسم 4.4.3).
　　5.7 الإجهاد
　　عند إجراء دراسة الجدوى، من المهم مراعاة كل من إجهاد التشكيل وإجهاد الوظيفة. فيما يلي بعض الحسابات الشائعة للإجهاد للرجوع إليها.
　　إجهاد التشكيل — هو الإجهاد الذي يتعرض له المادة الخام أثناء عملية التشكيل (وليس أثناء الاستخدام الوظيفي). مثال على ذلك هو الانحناء الشديد على المكونات. يجب تقييد مثل هذا الانحناء بحوالي 25٪. بالإضافة إلى هذا الإجهاد، يجب اتخاذ تدابير إضافية لمنع تشقق المادة، مثل المعالجة المسبقة بالحرارة واستخدام عدة خطوات لتشكيل الشكل.
　　إجهاد الوظيفة — هو مستوى الإجهاد الذي يتعرض له المنتج النهائي أثناء الاستخدام. مثال على ذلك هو الأسلاك التي تمر عبر مسار متعرج أو الأنابيب المعقوفة التي تُمد لتُدخل داخل الجسم. بالنسبة للأسلاك، يجب تقييد هذا الإجهاد إلى حد أقصى 6٪، وللأنابيب إلى حوالي 4٪. يجب ملاحظة أنه على الرغم من قدرة المادة على التعافي من هذه الإجهادات العالية، قد تتغير خصائصها خلال أول 10-50 دورة، ومن المتوقع أن يكون عمر التعب الأدنى. يوضح الشكل أدناه تغيرات المرونة الفائقة مع التكرار، خاصةً الانخفاض في UPS وLPS بعد 10 دورات تحميل شد إلى إجهاد 6٪.