Титан-45, ниобий, группа 36
Ti-45Nb относится к категории «метастабильных β-титановых сплавов», но его наиболее примечательное свойство обусловлено уникальным поведением при фазовых превращениях. Сверхэластичность и сплавы с эффектом памяти формы без никеля в сравнении с нитинолом: Наиболее известным сплавом с эффектом памяти формы является нитинол (Ti-Ni), однако никель представляет риск сенсибилизации у некоторых людей. Преимущества Ti-Nb: Ti-45Nb (и родственные сплавы) широко изучался как «безникелевый» биомедицинский сплав с эффектом памяти формы. Он достигает сверхэластичности за счет мартенситного фазового превращения под напряжением и обладает хорошей биосовместимостью. Низкий модуль упругости («низкий модуль Юнга»): это еще одна важная характеристика. Модуль упругости чистого титана составляет приблизительно 110 ГПа, Титан марки 5 (Ti-6Al-4V) — приблизительно 110–120 ГПа, в то время как модуль упругости кортикальной кости человека составляет всего 10–30 ГПа. При соответствующей термической обработке модуль упругости Ti-45Nb может быть значительно снижен до 50–70 ГПа или даже ниже, что более близко к модулю упругости человеческой кости.
Эффект «экранирования напряжения»: если жёсткость имплантата (например, костной пластины) значительно выше жёсткости кости, он будет нести большую часть нагрузки, что приводит к дегенерации кости и её пористой структуре из-за отсутствия механической стимуляции. Низкомодульный Ti-45Nb может эффективно смягчить этот эффект, способствуя заживлению кости и долгосрочному здоровью. Ортопедические имплантаты: системы фиксации позвоночника (например, транспедикулярные винты, шатуны), костные пластины, костные винты. Низкий модуль упругости снижает экранирование напряжений, а его сверхэластичность обеспечивает динамическую фиксацию, обеспечивая микроподвижность кости и лучшее соответствие физиологическим условиям. Ведутся исследования в области сердечно-сосудистых интервенционных устройств для производства безникелевых сосудистых стентов, которые полностью исключают риск высвобождения ионов никеля и подходят для пациентов с аллергией на никель. Ортодонтия: потенциальная альтернатива безникелевым ортодонтическим дугам. Прецизионные инструменты и приводы: благодаря своей сверхэластичности он может использоваться для изготовления высокоточных пружин с высокой усталостной прочностью, чувствительных элементов или микроприводов, особенно в средах, требующих немагнитных и коррозионностойких свойств.
Коррозионная стойкость и другие свойства: Его коррозионная стойкость превосходит стойкость чистого титана и даже сопоставима с стойкостью чистого ниобия. Он способен выдерживать агрессивные химические среды, такие как горячая концентрированная серная кислота и соляная кислота, а также обладает высокой стабильностью в биологических жидкостях и солевых растворах. Кроме того, он обладает высокой горючестью, будучи менее склонным к возгоранию по сравнению с промышленным чистым титаном, и немагнитен, что делает его пригодным для применения в медицинской визуализации. Его технологические характеристики превосходны, с радиусом изгиба всего в один лист; он прост в обработке и может быть изготовлен с использованием тех же технологий обработки, что и другие титановые сплавы. Сварка обычно выполняется с помощью сварки вольфрамовым электродом в инертном газе (TIG), и благодаря его простой металлографической структуре, не требуется послесварочная термическая обработка. Оксидирование поверхности с использованием процесса азотирования, удостоенного Нобелевской премии, может дополнительно повысить твердость и износостойкость.
Благодаря своей превосходной биосовместимости и низкому модулю упругости, он является идеальным материалом для медицинских устройств, таких как искусственные суставы, кохлеарные имплантаты и зубные протезы. Его немагнитные свойства также делают его пригодным для пациентов, проходящих МРТ-сканирование. В аэрокосмической области он подходит для изготовления заклепок для крепления панелей самолетов из алюминиевого сплава, особенно подходящих для высокотемпературных зон выхлопных газов двигателей; Его также можно использовать для изготовления сварных фланцев и других компонентов в аэрокосмической промышленности, поскольку его высокотемпературная стабильность обеспечивает надежную работу компонентов. В химической промышленности и высокотехнологичных научных исследованиях он используется для изготовления таких компонентов, как вентиляционные отверстия, кислородные фурмы и паровые эжекторы, работающих в жестких условиях, таких как гидрометаллургия и окисление при низком давлении, и устойчив к коррозионным средам, таким как сильные кислоты. Его также можно перерабатывать в сверхпроводящие провода или использовать для изготовления исследовательских компонентов, таких как сварные фланцевые узлы для резонаторов радиочастотных линейных ускорителей в физике высоких энергий.
Основная цель — использовать его для производства ортопедических имплантатов и сердечно-сосудистых стентов нового поколения, которые лучше соответствуют биомеханическим условиям человека, решая проблемы чрезмерно высокого модуля упругости существующих материалов (таких как Ti-6Al-4V, нержавеющая сталь и кобальт-хромовые сплавы) и потенциального сенсибилизирующего эффекта никеля в нитиноле.