Transcript موضوع:ساخت قطعات حافظه دار nitiبه روش متالورژی پودر جهت کاربردهای

‫موضوع‪:‬‬
‫به روش متالورژی پودر جهت کاربردهای پزشکی ‪ NiTi‬ساخت قطعات حافظه دار‬
‫استاد‪:‬‬
‫اقای دکتر نجفی‬
‫دانشجو‪:‬‬
‫علی محمد بیگی‬
‫اذرماه‪1390‬‬
‫مقدمه‬
‫در سالیان اخیر استفاده از ترکیبات ‪ NiTi‬جهت ساخت قطعات مورد استفاده در علم پزشکی مانند قطعات‬
‫جایگزین استخوان مورد توجه قرار گرفته است ‪.‬در این تحقیق ساخت این قطعات به روش متالورژی پودر با‬
‫استفاده از پودر های عنصری نیکل و تیتانیم مورد بررس ی قرار گرفته است‪.‬‬
‫ویژگیهای آلیاژ‪: NiTi‬‬
‫‪(1‬‬
‫خاصیت حافظه داری‬
‫‪(2‬‬
‫سوپر االستیسیته‬
‫‪(3‬‬
‫خاصیت جذب انرژی باال‬
‫‪(4‬‬
‫سازگاری عالی در محیط های بیولوژیکی‬
‫‪(5‬‬
‫مقاومت به خستگی‬
‫‪(6‬‬
‫مقاومت به خوردگی باال‬
‫مزیت روش متالورژی پودر نسبت به روشهای دیگر‬
‫‪(1‬‬
‫ساختار همگن‬
‫‪(2‬‬
‫عدم ایجاد رسوبات و ترکیبات فلزی ناخواسته‬
‫‪(3‬‬
‫عدم جذب گاز و ناخالصیهای کربنی ناش ی از بوته های گرافیتی‬
‫‪(4‬‬
‫چگالی پایین‬
‫‪(5‬‬
‫تغییر فرم زیاد قبل از شکست‬
‫‪(6‬‬
‫سازگاری زیاد با بافت بدن‬
‫‪(7‬‬
‫کنترل خواص مکانیکی‬
‫‪(8‬‬
‫مدول االستیسیته پایین و نزدیک به استخوان‬
‫مواد و روش تحقیق‬
‫مواد مورد استفاده در این تحقیق عبارتند از ‪:‬‬
‫پودر تیتانیم با خلوص ‪99/99‬درصد با سایز زیر ‪ 50‬میکرون ساخته شده توسط شرکت‬
‫‪MATTHEY‬‬
‫پودر نیکل با خلوص باالی ‪ 99/5‬درصد و با سایز زیر ‪ 10‬میکرون از شرکت ‪MERCH‬‬
‫‪JONHSON‬‬
‫مخلوط کردن پودرها به نسبت اتمی ‪ 50-50‬در میکسر دوار جهت یکنواختی در ترکیب‬
‫فشردن پودر ها با پرس هیدرولیک تحت فشارهای ‪750‬و ‪930MPA‬‬
‫طراحی و ساخت نمونه مانند شکل ‪1‬‬
‫شکل ‪-1‬نونه تهیه شده از ترکیب‪NITI‬‬
‫طراحی شکل نمونه به صورتی است که با ان رفتار فیکسچرهای مورد استفاده برای ترمیم‬
‫بافت استخوان را بتوان شبیه سازی نمود و همچنین نمونه ها قابلیت انجام تست کشش را‬
‫دارا باشند‪.‬‬
‫عملیات تفجوش ی ‪:‬‬
‫نحوه عملیات تفجوش ی در شکل ‪ 2‬نشان داده شده است‪.‬‬
‫نگهداری نمونه ها در دمای ‪ 400C‬به مدت ‪ 1‬ساعت جهت تجزیه ‪TiH2‬‬
‫عملیات تفجوش ی در دمای ‪1050C‬بمدت ‪ 2‬ساعت در خالء‪10TORR‬‬
‫عملیات حرارتی تحت اتمسفر ارگون در دمای ‪ 500C‬به مدت ‪ 1‬ساعت جهت بهینه ساختن رفتار‬
‫حافظه داری‪.‬‬
‫یافته ها و بحث‬
‫تصویر متالوگرافی از ساختار‬
‫(‪) a‬‬
‫)‪(b‬‬
‫شکل ‪-3‬تصویر متالوگرافی قطعات تهیه شده در (‪ )a‬فشار‪ ) b( 750MPA‬فشار ‪ 930MPA‬در مقیاس ‪ 100‬میکرون‬
‫با توجه به تصویر متالوگرافی نتیجه می شود که ‪:‬‬
‫درهر دو حالت تخلخل های موجود در ساختار دارای شکل تقریبا منظم و کروی می باشند که‬
‫این ساختار تاثیر مثبتی روی خواص مکانیکی و حافظه داری قطعه میگذارد‬
‫در نمونه با تخلخل ‪)a( %41‬حفره ها دارای ابعاد بزرگتر هستند و حفرات به هم پیوسته نیز در‬
‫ساختار دیده می شوند‬
‫با افزایش فشار تخلخل به ‪)b(%31‬کاهش یافته و همچنین سایز حفرات کاهش یافته و حفرات‬
‫همگی کروی بوده و کامال از هم جدا میباشند و همچنین توزیع حفرات در قطعه یکنواخت تر شده‬
‫است‬
‫توزیع حفره ها بر حسب نسبت سطحی حفره ها به سطح کل و تعداد حفره ها‬
‫با توجه به شکل(‪ 4 )a‬مشخص می شود در هر دو فشار اعمالی اکثر حفره های ایجاد شده‬
‫دارای ابعاد ریز هستند که با افزایش فشار توزیع حفره ها نسبتا منظم تر شده است‬
‫اما همانطور که در شکل(‪ 4)b‬مشاهده می شود نسبت سطحی تخلخل ها مربوط به نمونه با‬
‫فشار باال توزیع مناسب تری دارد‬
‫پس در نتیجه جهت رسیدن به خواص دلخواه با کنترل فرایند تولید می توان قطعات با توزیع‬
‫تخلخل مناسب را ایجاد نمود‬
‫آنالیز‪ XRD‬قطعه پس از تفجوش ی‬
‫شکل‪-5‬الگوی پراش اشعه ‪ X‬برای نمونه متخلخل ‪NiTi‬‬
‫همانطور که در شکل ‪ 5‬مشاهده می شود فقط پیک های ‪ NiTi‬در ساختار دیده میشود و‬
‫سایر بین فلزی ها تشکیل نشده اند‪.‬‬
‫عدم وجود این ترکیبات در ساختار را به فروپاش ی ‪ TiH2‬در حین تفجوش ی میتوان نسبت داد‪.‬‬
‫تصاویر متالوگرافی‬
‫(‪(a‬‬
‫)‪(b‬‬
‫شکل‪-6‬تصاویر تیغه های مارتنزیتی در ساختار نمونه های ‪ NiTi‬در بزرگنمایی مختلف‬
‫همانگونه که در شکل ‪ 6‬مشاهده می شود ساختار تماما از تیغه های مارتنزیتی تشکیل یافته‬
‫است‪.‬‬
‫این تیغه ها به صورت گروه های مختلف در کنار یکدیگر به صورت خود جایگیری قرار گرفته‬
‫اند ‪.‬‬
‫این نوع مارتنزیت ‪،‬مارتنزیت ترمو االستیک نامیده می شود که ایجاد کننده رفتار حافظه داری در‬
‫مواد است ‪.‬‬
‫با وجود این ساختار مارتنزیتی در دمای اتاق رفتار حافظه داری را می توان در قطعه انتظار داشت‬
‫‪.‬‬
‫نقاط تیره رنگ در تصویر حفره های موجود در ساختار را نشان میدهد‪.‬‬
‫نمودار تنش – کرنش برای نمونه پس ازتفجوش ی‬
‫با توجه به شکل ‪ 7‬مدول االستیک اندازه گیری شده ‪ 3/8GPA‬است که بسیار نزدیک به مدول‬
‫االستیک استخوان می باشد‬
‫در دمای محیط ‪،‬قطعه پس از باربرداری میزان‪ 3‬درصد بازیابی کرنش دارد که به رفتار سوپر‬
‫االستیک ترکیب ‪ NiTi‬نسبت داده می شود‬
‫همچنین با افزایش دما تا ‪ 50c‬تقریبا ‪ 2‬درصد کرنش بازیابی شده است که رفتار حافظه داری‬
‫قطعه را نشان می دهد‬
‫تست خمش برای بررس ی رفتار حافظه داری‬
‫(‪)c‬‬
‫(‪)b‬‬
‫(‪)a‬‬
‫شکل‪-8‬بررس ی رفتار حافظه داری در نمونه های ‪ NiTi‬با استفاده از تست خمش سه نقطه ‪)a‬قبل از بار کذاری‪)b‬پس از‬
‫اعمال نیرو‪)c‬گرم کردن تا دمای ‪45c‬‬
‫برای بررس ی رفتار حافظه داری ‪،‬نمونه تولید شده مطابق شکل ‪ 8‬تحت عملیات خمش قرار‬
‫گرفته است ‪.‬‬
‫میزان ‪ 2‬درصد کرنش در دمای محیط به قطعه اعمال شده است ‪ .‬بطوریکه در نقطه مرکز‬
‫‪4mm‬جابجایی داریم‪.‬‬
‫در ادامه با افزایش دما تا ‪ 45c‬این مقدار کرنش بازیابی شده است‬
‫باتشکر‬