Моделирование деформационного поведения TiNi-сплава с TiN-покрытиями для медицинского применения

The deformation behavior of the titanium nickelide alloy Ti–55.84 wt. % Ni (TiNi) with titanium nitride (TiN) coatings obtained by arc-PVD has been simulated. Differential scanning calorimetry and three-point bending test were used to study the parameters of martensitic transformations and the deformation behavior of this alloy. The values of the characteristic temperatures for the TiNi alloy that can be used in medical applications were substantiated. The elastic-force characteristics of the alloy related to the properties in the superelastic state were considered. The dependiences of the change in the phase yield strength, the stress of the unloading plateau, and the residual deformation of the TiNi samples with TiN coatings on the ambient temperature range between 6 to 37 °C were determined. Based on these dependencies, a deformation curve was obtained that can predict the mechanical behavior of a TiNi product, for example, a stent, before and during its implantation into a human body. TiNi-based shape memory alloys are widely used in various branches of medicine; therefore, the development of technological methods for manufacturing products from TiNi with high corrosion resistance is promising.Выполнено моделирование деформационного поведения сплава никелида титана Ti–55,84 мас.% Ni (TiNi) с покрытиями из нитрида титана (TiN), полученными вакуумно-дуговым осаждением. С использованием методов дифференциальной сканирующей калориметрии и трехточечного изгиба исследованы параметры мартенситных превращений и деформационное поведение данного сплава. Обоснованы значения характеристических температур TiNi для его использования в качестве материала медицинского назначения. Рассмотрены упруго-силовые характеристики сплава, связанные с проявлением свойств в сверхэластичном состоянии. Установлены зависимости изменения фазового предела текучести, напряжения разгрузочного плато и остаточной деформации образцов TiNi с TiN-покрытиями от температуры окружающей среды в диапазоне от 6 до 37 °С. На основе данных зависимостей получена деформационная кривая, позволяющая прогнозировать механическое поведение изделия из никелида титана, например, стента до и во время его имплантации в организм человека. Сплавы с памятью формы на основе TiNi широко применяются в различных отраслях медицины, в связи с этим перспективны разработки технологических приемов изготовления изделий из TiNi с высокими показателями коррозионной стойкости

Задание функциональных свойств TiNi сплавам в процессе ионно-плазменного осаждения покрытий

The aim of the present work is to study the influence of the technological parameters of the ion-plasma treatment (IPT) on the functional properties of a TiNi shape memory alloy and its biocompatibility. The object of the study was the Ti–50.8 at. % Ni alloy, widely applied in medical devices. IPT was carried out by vacuum-arc evaporation of a titanium cathode at different values of the bias potential (0, –100, and –500 V), followed by TiN deposition. The functional properties of the TiNi alloy after IPT were investigated using differential scanning calorimetry. The biocompatible properties were evaluated using atomic emission spectrometry to measure a nickel concentration after one year holding TiN-coated TiNi samples in the 0.9 % NaCl solution. It has been determined that by setting the temperature regime of heating of Ti–50.8 at. % Ni alloy samples due to the technological parameters of the IPT process, it is possible to change the interval of realization of thermoelastic martensitic transformations, and, consequently, the temperature response of devices made of this alloy, i. e. to set the necessary functional properties. The comparative analysis of the characteristic temperatures after heat and ion-plasma treatments allow us to conclude that the proposed method for calculation of the TiNi substrate temperature is correct at IPT. The calculated temperature of the TiNi samples was ~275 °C at the zero potential, which is sufficient to shift the characteristic temperatures of the alloy. The substrate temperature during deposition was ~400 °C at a – 100 V bias and above 600 °C at a – 500 V bias, respectively. The Ni concentration in the model solution did not exceed 0.14 mg/l after one year holding, which indicates the high biocompatibility of the TiN-coated TiNi samples.Работа посвящена исследованию влияния технологических параметров процесса ионно-плазменной обработки (ИПО) на функциональные свойства TiNi сплава с эффектом памяти формы и его биосовместимость. В качестве объекта исследования выбран сплав Ti–50,8 ат. % Ni, широко применяемый в медицинских изделиях и устройствах. Ионно-плазменную обработку осуществляли путем вакуумно-дугового испарения катода из титана при значениях потенциала смещения 0, –100 и –500 В с последующим осаждением защитно-декоративного TiN покрытия. Контрольную группу образцов подвергали термообработке при температурах 200–700 °С в течение 20 мин. Функциональные свойства TiNi сплава после ИПО исследовали методом дифференциальной сканирующей калориметрии. Биосовместимые свойства оценивали методом атомно-эмиссионной спектрометрии, измеряя количество никеля в 0,9 %-ном растворе NaCl после выдержки в нем TiNi образцов с TiN покрытием. Установлено, что задавая температурный режим нагрева образцов из сплава Ti–50,8 ат. % Ni за счет технологических параметров процесса ИПО, можно менять интервал реализации термоупругих мартенситных превращений, а следовательно, и температуру срабатывания устройств, изготавливаемых из этого сплава, т. е. задавать им необходимые функциональные свойства. Сопоставительный анализ характеристических температур после термической и ионно-плазменной обработок позволил сделать вывод о корректности предложенного метода расчета температуры TiNi подложки при ИПО. Расчетная температура образцов TiNi при нулевом потенциале составила ~275 °С, что достаточно для смещения характеристических температур сплава. Осаждение при потенциале –100 В обеспечило нагрев подложки до ~400 °С, при –500 В – свыше 600 °С. Концентрация Ni в модельном растворе после годовой выдержки не превышала 0,14 мг/л, что свидетельствует о высокой биосовместимости TiNi сплава с TiN покрытием

Electrochemical behavior of TiN coatings on stainless steel and titanium nickelide articles for medical purposes

Titanium nitride (TiN) coatings which were fabricated by ion-plasma deposition on medical alloys—titanium nickelide (TiNi) and stainless steel were the objects of this study. Their electrochemical and corrosion properties were studied by measuring steady-state potentials in solutions simulating an oral environment by means of a zero-resistance ammeter (ZRA) and the scanning vibrating electrode technique (SVET). The potential difference that arises in the simultaneous presence of structures made of different steel types or steel and titanium nickelide reaches the values higher than the threshold of human sensitivity (about 70 mV). It was found that the protective properties of TiN coatings on the stainless steel surface increase after their annealing at 300–400°С for different times. The titanium nickelide‑titanium nitride galvanic couple was shown to be electrochemically compatible under static conditions. The bending strain of higher than 4.5% was shown to impair the integrity of the titanium nitride layer on the surface of TiNi alloy and induce the potential shift in the negative direction thus deteriorating the corrosion properties of this material.publishe