سنتز، مشخصه‌يابي و بهينه‌سازي خواص آلياژ آنتروپي بالاي CoCrFeMoNi به‌عنوان جايگزيني براي ساخت استنت‌هاي فلزي بدون پوشش

اصفهان : دانشگاه صنعتي اصفهان

مهندسي مواد

دكتري

در سال‌هاي اخير آلياژهاي آنتروپي بالا مسير جديدي براي توسعه مواد پيشرفته با خواص منحصربه‌فرد معرفي كرده‌اند به‌طوري‌كه اين آلياژها در زمينه‌هاي طراحي و توليد آلياژهاي مناسب براي كاربردهاي پزشكي و صنعتي مورد مطالعه قرار گرفته‌اند. باوجود گزينه‌هاي مختلف در انتخاب مواد اوليه، پيشرفت‌هاي فراوان در فنّاوري¬هاي ساخت و اصلاح سطح، 50 % عدم موفقيت استنت‌ها همچنان يك چالش بزرگ براي دانشمندان و پزشكان است. با توجه به اينكه بيماري‌هاي قلبي-عروقي عامل اصلي مرگ‌ومير در كشورهاي مختلف است، نياز به استنت‌هايي با خواص بهتر براي جامعه علمي و پزشكي بسيار مهم است. در راستاي دستيابي به آلياژي با خواص ارتقاءيافته براي توليد استنت‌ها، تركيب جديدي از نوع آلياژ آنتروپي بالاي CoCrFeMo0.45Ni انتخاب شد. با توجه به پيشينه تحقيقاتي انتظار مي‌رود اين آلياژ خواص مكانيكي مناسب (تركيبي از استحكام و انعطاف‌پذيري)، رفتار مقاومت به خوردگي بالايي داشته باشد. به منظور توليد شمش‌¬هاي همگن، بدون تخلخل و با ساختار شيميايي يكنواخت از روش ذوب مجدد قوسي در خلاء (VAR) استفاده گرديد. با توجه به نتايج آزمون گرماسنجي روبشي تفاضلي (DSC) و پيش‌بيني ترموديناميكي CALPHAD دماي ℃ 1200 به مدت 12 ساعت براي انجام فرايند همگن‌سازي انتخاب گرديد. درنهايت نمونه همگن‌شده با مقدار كار سرد 20 تا 70 % به‌صورت ورق‌هاي با ضخامت نهايي µm 5 ± 100 آماده شد. سيستم‌هاي آلياژي حاصل با تركيب كلي CoCrFeMo0.45Ni عمدتاً شامل فاز FCC و تركيبات بين‌فلزي غني از Mo بود. بررسي ريزساختاري، خواص مكانيكي و رفتار خوردگي اين نمونه‌ها نشان داد كه طي مراحل نورد سرد متوالي، با دستيابي به ريزدانگي بالاتر، چگالي بالايي از نابجايي و دوقلويي‌ها، استحكام بالايي در حدود 800 تا MPa 1400 حاصل شد. در ادامه با انجام آنيل در سه دماي 950، 1050 و ℃ 1150 (با توجه به دماهاي بحراني تشكيل و انحلال رسوب µ) بر روي نمونه‌ي 60 درصد نورد سرد شده، انعطاف‌پذيري نمونه‌هاي نورد سرد شده تا 55% افزايش يافت. اين نمونه‌ها استحكام و انعطاف‌پذيري قابل‌مقايسه‌اي با آلياژهاي مورداستفاده در ساخت ايمپلنت‌هاي مشابه شامل فولاد زنگ نزن، نايتينول و آلياژهاي پايه CoCrMo نشان دادند. همچنين تمامي نمونه‌ها خواص مقاومت به خوردگي بالاتري نسبت به ورق 316L كه به روش مشابه نورد شده، نشان دادند. در اين ميان خواص مقاومت به خوردگي نمونه 60 درصد نورد سرد شده، با توجه به مشخصه‌هاي ريزساختاري بهبود قابل‌توجهي (تا حدود 64 %) در ميان ساير نمونه‌ها نشان داد. تشكيل فيلم روئين از تركيبات اكسيدي Cr، Mo و هيدروكسيدهاي Cr و Ni مي¬تواند عاملي بر بهبود مقاومت به خوردگي اين آلياژ باشد. نتايج آزمون طيف‌سنجي جرمي پلاسماي جفت‌شده القايي (ICP) پس از سه ماه غوطه‌وري، كاهش قابل‌توجهي در ميزان رهايش يون‌هاي محلول نظير نيكل (حداقل تا 60 برابر) نسبت به نمونه‌ي L316 نشان داد. بر اساس دستورالعمل‌هاي سازمان مواد غذايي و دارويي ايالات متحده آمريكا، نيكل به عنوان مانعي بر بهبود آسيب ناشي از گرفتگي، عامل تنگي مجدد رگ و ايجاد حساسيت است. از سوي ديگر نتايج آزمون پلاريزاسيون پتانسيوديناميك چرخه¬اي (CPP)، حساسيت تمامي نمونه‌ها به خوردگي حفره‌اي را نشان داد. اين رفتار را مي‌توان با انحلال ترجيحي يون‌هاي آهن در الكتروليت به دليل پايداري كم گونه‌هاي آهن در مقايسه با عناصر Co، Cr، Fe و Mo توضيح داد. نتايج آزمون كشت سلول HUVEC پس از 1، 3 و 7 روز نشان داد كه نمونه‌هاي آنيل شده عملكرد بسيار مناسب زيستي ارائه مي‌دهند كه با نمونه آلياژ MP35 قابل‌مقايسه است. بررسي زنده‌ماني سلولي طي 7 روز، نمونه‌هاي نورد سرد شده را در طبقه‌بندي (0-1) عدم سميّت/حداقل مقدار سميّت قرار داد. همچنين بر اساس نتايج آزمون هموليز، غيرهموليتيك بودن تمامي نمونه‌ها را تأييد كرد كه در اين ميان نمونه‌ي 60 درصد نورد سرد شده حتي نسبت به نمونه‌ي MP35 رفتار خون سازگاري بهتري داشت. طبق تحقيقات انجام شده و مقايسه نتايج با مواد استنت تجاري نشان داد كه آلياژ آنتروپي بالاي CoCrFeMo0.45Ni پتانسيل تبديل‌شدن به ماده پايه در كاربردهاي ايمپلنت استنت را دارد.

226699

مهندسي مواد و متالورژي

مهندسي مواد

دانشگاه صنعتي اصفهان