Memry Nitinol: Guia Completo

　　Índice:
　　Seção 1 — Conceitos-chave
　　Seção 2 — Lingotes e materiais forjados de níquel-titânio
　　Seção 3 — Matéria-prima em forma líquida
　　Seção 4 — Processamento de níquel-titânio
　　Seção 5 — Considerações de design para dispositivos médicos
　　Seção 1 — Conceitos-chave
　　Níquel-titânio é um tipo especial de liga chamada liga com memória de forma (SMA), composta por níquel e titânio em proporções quase atômicas iguais (ou seja, 50:50 at% de níquel e titânio). A liga de níquel-titânio possui excelentes propriedades de superelasticidade, memória de forma e biocompatibilidade. A primeira aplicação em dispositivos médicos ocorreu no início dos anos 1970, e após a aprovação do dispositivo de âncora de sutura Mitek pela FDA dos EUA em 1989, muitos outros dispositivos foram introduzidos no mercado. Desde então, a liga de níquel-titânio tornou-se um produto principal no campo cardiovascular, neurovascular, endovascular, vascular periférico, ortopédico, espinhal, urológico e odontológico, com aplicações que vão desde stents neurovasculares e estruturas de válvulas cardíacas até pinos ortopédicos e dispositivos descartáveis de sutura.

　　Níquel-titânio é um material indispensável na caixa de ferramentas do engenheiro de dispositivos médicos, mas as características tradicionais do material, conceitos de design e processos de fabricação geralmente não são mais aplicáveis. Antes de adquirir o conhecimento técnico necessário, é preciso muita experiência com a liga para levar o dispositivo da concepção inicial até o lançamento final. Aqui serão apresentados muitos conceitos que nossos engenheiros usam diariamente, incluindo:
　　Metalurgia básica;
　　Propriedades mecânicas e térmicas;
　　Normas ASTM para testes de ligas e materiais;
　　Processos gerais de fabricação; e
　　Considerações específicas de design para ligas de níquel-titânio.

　　1.1 Transformação de fase - Austenita e Martensita
　　Para entender como as ligas com memória de forma funcionam, você deve primeiro dominar o conceito de transformação de fase. As características únicas de memória de forma e superelasticidade do níquel-titânio derivam da transformação reversível de fase sólida que ocorre quando o material é submetido a estímulos externos, como variação de temperatura ou aplicação de tensão. A transformação de fase induzida por temperatura é o mecanismo da memória de forma, enquanto a transformação induzida por tensão é o mecanismo da superelasticidade (ver Seção 1.3). Essa transformação martensítica sem difusão ocorre entre a fase austenita B2 matriz e a fase martensita B19'.

　　Conhecimentos sobre níquel-titânio
　　No níquel-titânio, a transformação sem difusão é uma deformação instantânea da rede cristalina (B2 para B19') que ocorre na velocidade do som; geralmente chamada de transformação martensítica. Em contraste, a transformação de fase baseada em difusão comum em ligas de aço requer que os átomos se difundam por distâncias relativamente longas. A difusão exige que a liga seja aquecida por longos períodos em altas temperaturas.
　　A transformação martensítica é definida como um cisalhamento/mistura da rede cristalina que ocorre devido a mudanças na estabilidade termodinâmica do sistema. A transformação martensítica reversível que ocorre no níquel-titânio é regulada pela macla da rede cristalina. Diferente do processo de transformação martensítica em ligas de aço, que é regulado por movimentos irreversíveis de discordâncias (ou seja, deslizamento), a macla no níquel-titânio é reversível. Esse conceito é visualizado abaixo, onde na macla reversível, o plano da rede cristalina se move menos que uma célula unitária e ainda mantém a correspondência com a estrutura da rede matriz.

　　Conhecimentos sobre níquel-titânio
　　Um exemplo comum de transformação de fase é o derretimento do gelo acima de 0 °C e a solidificação da água abaixo de 0 °C. Da mesma forma, diferentes fases do níquel-titânio são termodinamicamente estáveis em diferentes temperaturas. Comparado ao exemplo da água, as duas principais diferenças são: i) todas as transformações ocorrem no estado sólido e ii) a temperatura de transformação durante o resfriamento é diferente da do aquecimento (ou seja, existe histerese, ver Seção 1.4).
　　1.1.1 Fase R
　　Às vezes, existe uma fase intermediária estável sob certas temperaturas ou tensões entre as fases B2 (austenita) e B19' (martensita). A fase chamada fase R possui estrutura cristalina romboédrica e é a mais comum entre essas fases; especialmente ao considerar a liga binária tradicional NiTi de níquel-titânio. A fase R é uma fase martensítica intermediária que compete com a transformação martensítica B19' que ocorre em materiais de níquel-titânio com alta densidade de discordâncias (ou seja, trabalho a frio), precipitados ricos em níquel (ou seja, tratamento térmico) ou certas ligas ternárias. As discordâncias na estrutura cristalina e os precipitados ricos em níquel resistem a grandes deformações na rede. Como a transformação da fase R requer menos deformação da rede, a transformação termodinâmica entre a austenita e a martensita é favorecida nessas condições.
　　1.2 Identificação da temperatura de transformação
　　1.2.1 Calorimetria diferencial de varredura (DSC)
　　ASTM F2004 – Método padrão para análise térmica da temperatura de transformação de ligas de níquel-titânio. A calorimetria diferencial de varredura (DSC) é uma técnica de análise térmica usada para caracterizar o comportamento de transformação de fase das ligas com memória de forma de níquel-titânio. O método DSC gera curvas medindo o calor liberado (exotérmico) ou absorvido (endotérmico) pela amostra durante o resfriamento e aquecimento no processo de transformação de fase. Os testes DSC produzem curvas altamente reprodutíveis, onde tangentes são usadas para identificar as temperaturas de início, fim e pico de cada fase presente em um componente/ligação específica.
　　De acordo com a ASTM F2063, a técnica DSC é mais comumente usada para caracterizar materiais de níquel-titânio forjados ou lingotes fundidos. Quando o níquel-titânio está em estado totalmente recozido, a proporção de níquel-titânio da liga pode ser determinada pela temperatura de transformação como uma forma de controle de qualidade. No estado totalmente recozido, o níquel-titânio apresenta uma transformação monofásica entre a austenita e a martensita. No entanto, se o material for processado adicionalmente, por exemplo, trabalho a frio e envelhecimento (ou seja, tratamento térmico), uma transformação bifásica com presença da fase R pode ser identificada por DSC.

　　Considerações de design
　　A temperatura As fornecida no certificado de conformidade do produto de níquel-titânio forjado será determinada usando o teste DSC.
　　A técnica DSC também pode ser usada para testar matérias-primas ou componentes acabados onde o BFR não é viável ou prático; por exemplo, um dispositivo trançado complexo.
　　Devido ao processamento termomecânico necessário para fabricar matéria-prima em malha superelástica e/ou componentes finais, a fase R (ou seja, transformação bifásica) geralmente está presente.
　　Conhecimentos sobre níquel-titânio
　　As curvas DSC são muito úteis no desenvolvimento de processos de fabricação termomecânicos. Por exemplo, muito pode ser aprendido a partir das curvas;
　　Picos rasos e largos indicam maior trabalho a frio no material,
　　O tratamento térmico de envelhecimento para ajustar a temperatura Af e a tensão da plataforma superelástica pode ser otimizado visualizando as mudanças em Ap, assim como
　　A área sob o pico é o calor de transformação, relacionado ao volume da mudança de fase do material.
　　1.2.2 Flexão e recuperação livre (BFR) ASTM F2082 – Método padrão para determinar a temperatura de transformação de ligas de memória de forma de níquel-titânio por flexão e recuperação livre (BFR). O teste é usado para determinar a temperatura ativa Af de produtos de matéria-prima em forma líquida (como fios, tubos, chapas, barras, etc.) ou componentes acabados. Neste teste, a amostra de liga de níquel-titânio é resfriada abaixo da temperatura Mf e então deformada de forma controlada. Ao aquecer a amostra até a temperatura de transformação da austenita (e fase R), a amostra recupera sua forma original (recuperação livre). O deslocamento medido por sensores diferenciais lineares ou rotativos (LVDT/RVDT) é então comparado com a temperatura. A tangente da curva é usada para determinar a temperatura ativa de transformação.

　　Conhecimentos sobre níquel-titânio
　　De acordo com o histórico de processamento anterior, a tensão na amostra/componente pode deslocar a temperatura de transformação para temperaturas mais baixas. Portanto, o BFR é considerado uma melhor representação da temperatura de transformação experimentada na aplicação. Geralmente, a temperatura ativa Af medida pelo teste BFR é inferior à determinada pelo teste DSC. A temperatura ativa Af pode ser reduzida em até 15 °C.
　　O diagrama esquemático dos métodos BFR com LVDT vertical e RVDT rotativo é mostrado conforme descrito na ASTM F2082. Métodos sem contato também podem ser usados para sistemas visuais que acompanham a deformação, embora esses sistemas sejam menos comuns. O teste BFR é geralmente usado para caracterizar a temperatura de conclusão da austenita, Af de matéria-prima líquida e componentes acabados, e sempre que possível, esses valores aparecem nos certificados de conformidade. No entanto, as desvantagens desses testes incluem a falta de características da fase martensítica e a dificuldade de adaptação a geometrias complexas. Portanto, testes DSC ainda são necessários em alguns casos.

　　1.3 Propriedades funcionais do Nitinol
　　As propriedades funcionais do Nitinol derivam da resposta termomecânica do material. Dependendo se a transformação de fase austenita ↔ martensita é induzida termicamente ou por tensão aplicada, a resposta termomecânica pode ser dividida em duas propriedades funcionais distintas. A transformação induzida por calor permite o efeito de memória de forma, enquanto a transformação induzida por tensão gera superelasticidade.
　　Um equívoco comum é que superelasticidade e resposta de memória de forma são independentes. Na verdade, a resposta depende apenas da temperatura de transformação da composição do Nitinol e da temperatura de aplicação (ou teste). Abaixo da temperatura Mf, a liga de Nitinol exibirá memória de forma, enquanto acima da temperatura Af, o material Nitinol exibirá superelasticidade. Este conceito é crucial no design de dispositivos de liga de níquel-titânio e enfatiza ainda mais a importância de determinar a temperatura final de transformação do componente por testes DSC e/ou BFR.
　　1.3.1 Superelasticidade
　　Se uma tensão for aplicada a um componente de Nitinol a uma temperatura acima de Af, a fase austenita se transformará em martensita induzida por tensão (SIM), resultando em uma resposta superelástica. O comportamento superelástico do Nitinol é geralmente caracterizado por testes de tração cíclica conforme ASTM F2516.
　　A curva típica de tração cíclica do Nitinol superelástico pode ser dividida em várias partes distintas. Durante a carga inicial, a fase austenita apresenta deformação elástica típica (A → B) até atingir o UPS. Uma vez atingido o UPS, observa-se uma condição de tensão constante (B → C), pois a estrutura cúbica da austenita é cortada em martensita SIM desdobrada, seguida pela deformação elástica da estrutura SIM desdobrada (C → D). Assim como na transformação induzida por calor, a formação da SIM é reversível. Durante a descarga (D → A), a deformação elástica é recuperada e a SIM se transforma de volta na fase austenita matriz. Note que a tensão de recuperação (ou LPS) é menor que o UPS. O fenômeno de histerese observado é causado por atrito interno e defeitos na estrutura cristalina.

　　Ligas típicas de Nitinol exibem superelasticidade com deformação de até 8% antes do início da deformação permanente. No entanto, sempre existe uma proporção de deformação permanente ou alongamento residual Elr. O tamanho do Elr depende do processamento termomecânico anterior do material e da porcentagem de deformação suportada pelo componente antes da descarga.
　　Considerações de design
　　A diferença entre UPS e LPS é chamada de histerese mecânica. É importante entender qual tensão da plataforma é mais relevante para uma aplicação específica. Para ilustrar, dois exemplos: i) Fios-guia — a "rigidez" do fio durante a carga é importante para navegação em anatomias e para guiar dispositivos em anatomias complexas. Portanto, o UPS é crucial neste caso. ii) Stents cardiovasculares — a força necessária para comprimir o stent está relacionada ao UPS, mas a força radial aplicada durante a implantação está relacionada ao LPS. Neste caso, tanto UPS quanto LPS são importantes.
　　Os valores IQUPS e LPS da liga de níquel-titânio não são fixos para todas as temperaturas. De acordo com a relação de Clausius-Clapeyron, a plataforma superelástica aumenta com o aumento da temperatura de aplicação (ou teste). Para cada °C, a plataforma pode variar de 3 a 20 MPa/°C (0,4 a 3 ksi/°C), dependendo da liga e do histórico de processamento. Portanto, é importante testar o desempenho superelástico do dispositivo final na temperatura de aplicação (por exemplo, 37 °C para dispositivos implantáveis). Esse aumento na tensão da plataforma ocorre porque a estabilidade termodinâmica da fase austenita de alta temperatura aumenta à medida que a temperatura do material Nitinol aumenta acima da temperatura Af. De fato, o UPS continuará aumentando até atingir a tensão de escoamento da liga, e o material cederá e se comportará novamente como um material plástico elástico. Portanto, a superelasticidade não ocorre acima dessa temperatura crítica chamada "temperatura de deformação martensítica" ou Md (~ 80 °C > Af).
　　1.3.2 Efeito memória de forma
　　A transformação de fase induzida por calor entre martensita e austenita resulta na resposta de memória de forma da liga de níquel-titânio. O efeito memória de forma pode ser usado para fabricar atuadores e dispositivos médicos, como stents cardiovasculares que se expandem ao atingir a temperatura corporal.
　　O efeito memória de forma é melhor ilustrado usando um gráfico tensão-deformação-temperatura. Para exibir o comportamento de memória de forma, a liga de Nitinol deve primeiro ser resfriada abaixo de Mf. No gráfico tensão-deformação-temperatura, a deformação da martensita move-se do ponto A para o ponto B. Nos estágios iniciais da deformação, antes de atingir a tensão de desdobramento da martensita (σm), observa-se uma região elástica onde a tensão permanece quase constante. Essa região de tensão constante é seguida por uma deformação elástica da estrutura totalmente desdobrada. Uma vez que o material está deformado e a tensão foi descarregada, o aquecimento acima da temperatura As fará com que a martensita desdobrada comece a se transformar em austenita. Uma vez que a temperatura ultrapassa Af (B → C), essa transformação da estrutura cristalina resulta na recuperação da forma treinada original do componente em escala macroscópica. Devido à correspondência da rede cristalina, a estrutura deformada lembra sua direção original. Quando a temperatura retorna abaixo de Mf, a estrutura austenita se transforma novamente em martensita (A → B), sem mudança na forma macroscópica, e o ciclo pode ser repetido.
　　1.4 Histerese térmica
　　A histerese térmica é a diferença de temperatura de transformação durante o aquecimento e o resfriamento da liga. Para a liga superelástica de níquel-titânio usada em aplicações de dispositivos médicos, essa histerese geralmente é de cerca de 20 a 30 °C. A histerese térmica está relacionada à histerese mecânica durante a resposta superelástica da liga em temperaturas acima de Af, envolvendo UPS e LPS. Uma maior histerese térmica resulta em uma maior histerese mecânica.
　　1.5 Efeito do trabalho a frio
　　O trabalho a frio, também conhecido como encruamento ou endurecimento por deformação, é o fortalecimento do material por deformação plástica. Esse fortalecimento ocorre devido ao movimento de discordâncias na estrutura cristalina do material (ou seja, a geração de defeitos). O trabalho a frio é crucial no processamento termomecânico de matérias-primas em forma líquida para obter as propriedades mecânicas e funcionais desejadas nos componentes finais de níquel-titânio. O comportamento físico da deformação plástica ocorre durante processos como trefilação, estiramento de tubos ou laminação de chapas para reduzir o material de níquel-titânio à forma final líquida. A quantidade típica de trabalho a frio final gerada nos passos finais de trefilação/laminação está entre 30 e 50%, calculada pela redução da área da seção transversal.
　　Na liga de níquel-titânio, a quantidade de trabalho a frio afeta as propriedades mecânicas e funcionais da liga. Por exemplo, propriedades mecânicas como tensão de escoamento e resistência máxima à tração (UTS) aumentam com o aumento da porcentagem de trabalho a frio. No entanto, esse aumento de resistência ocorre à custa da redução da elongação (ou ductilidade). É importante notar que o tratamento térmico final é necessário para que o material de níquel-titânio apresente características de memória de forma e superelasticidade. Por exemplo, um material com 30% de trabalho a frio possui uma densidade de discordâncias na estrutura cristalina muito alta, o que impede a deformação necessária para a transformação de fase. Por outro lado, se a quantidade de trabalho a frio aplicada ao material não for suficientemente alta, a tensão de escoamento pode ser muito baixa durante a deformação plástica abaixo da tensão de desmartensitização σm, e o material não exibirá memória de forma ou superelasticidade.
　　Considerações de design
　　O aumento do trabalho a frio leva à diminuição da temperatura de transformação. Considerando a superelasticidade, isso significa que UPS e LPS aumentam ligeiramente.
　　Recomenda-se começar com material em forma líquida com trabalho a frio para obter o maior UPS e LPS possíveis após a conformação. Essa é uma prática comum, por exemplo, na fabricação de dispositivos lineares de níquel-titânio.
　　Devido à redução da ductilidade do material trabalhado a frio, geralmente são necessárias várias etapas de conformação para obter a forma final da peça sem causar fratura ou rachaduras no material de níquel-titânio. O uso de matéria-prima com menor trabalho a frio permite maior deformação de conformação e menos etapas do processo, mas reduz UPS, LPS e UTS do componente final.
　　1.6 Composição da liga e Ms
　　O níquel-titânio geralmente é composto por cerca de 50 a 51 at.% de níquel (ou seja, 55 a 56% em peso). Por exemplo, a liga Memry BB produzida na fábrica SAES Smart Materials (SSM) em New Hartford, Nova York, é fundida com 55,8% em peso de Ni. Conforme mostrado na figura abaixo, a temperatura Ms do material é altamente sensível à proporção da liga. Pequenas variações no teor de Ni causam grandes impactos na temperatura de transformação. Isso é importante para entender ao considerar diferentes materiais de níquel-titânio forjados e tratamentos térmicos de envelhecimento, que serão discutidos em seções posteriores. Para cada variação de um por cento atômico no teor de Ni na liga de níquel-titânio, a temperatura Ms varia cerca de 80 K. Portanto, o controle rigoroso da composição da liga é necessário durante o processo de fundição na fábrica SSM. Para ligas com teor de Ni inferior a cerca de 49,75 at.%, o Ti se satura na matriz e precipita como compostos ricos em Ti. A composição da matriz nessa região permanece constante, assim como a temperatura Ms. A saturação de Ti limita a temperatura máxima de transformação da liga de níquel-titânio normalmente usada em aplicações de memória de forma. Como a temperatura de transformação é extremamente sensível aos processos termomecânicos usados no processamento subsequente, a temperatura de transformação da matéria-prima líquida ou da peça acabada pode diferir significativamente da temperatura de transformação da liga fundida ou forjada.
　　Seção 2 — Lingotes e materiais forjados de níquel-titânio
　　2.1 Normas ASTM para ligas de níquel-titânio
　　A ASTM F2063 é a especificação padrão para ligas de níquel-titânio forjadas com memória de forma para dispositivos médicos e implantes cirúrgicos. Essa norma define a composição química permitida, tolerâncias de temperatura de transformação, microestrutura básica (como tamanho de grão e conteúdo de inclusões/vacúolos) e propriedades mecânicas após recozimento. A tabela abaixo resume os requisitos de composição química para materiais de níquel-titânio que atendem à norma ASTM F2063 para referência.
　　2.2 Fusão de lingotes de níquel-titânio
　　A temperatura de transformação e as propriedades mecânicas do níquel-titânio são extremamente sensíveis à composição da liga e às impurezas. Para a produção de lingotes fundidos, o processo de fusão da liga e as matérias-primas devem ser escolhidos para garantir não apenas a homogeneidade do fundido, mas também a pureza máxima, assegurando a consistência do desempenho dentro de um único fundido e entre diferentes fundidos. Dois métodos comerciais comuns de fusão para materiais de níquel-titânio são a fusão por indução a vácuo (VIM) e a fusão por arco elétrico a vácuo (VAR).
　　Para a produção de lingotes por VIM, o níquel e o titânio são colocados em um cadinho de grafite condutor. O cadinho é aquecido e agitado por um campo magnético alternado por indução.
　　A produção de lingotes por VAR envolve um cadinho de cobre refrigerado a água. Dentro do cadinho, os elementos níquel e titânio atuam como eletrodos consumíveis. Um arco elétrico é gerado entre o eletrodo e o fundo do cadinho de cobre. O eletrodo funde-se para formar o material fundido no fundo do cadinho. O processo de refino é repetido usando lingotes produzidos anteriormente como novos eletrodos para promover a mistura e a homogeneidade do lingote.
　　A empresa irmã da Memry, SAES Smart Materials (SSM), utiliza o processo VIM/VAR. A matéria-prima é primeiro fundida em um forno VIM e depois submetida ao processo VAR. Essa combinação de processos VIM/VAR produz fundidos muito limpos e consistentes, estabelecendo a posição da SAES/Memry como líder na produção de produtos forjados de níquel-titânio.
　　Algumas propriedades da liga de níquel-titânio podem ser melhoradas com elementos de liga ternários. As ligas ternárias mais populares incluem NiTiNb, NiTiCu, NiTiCr, NiTiFe e NiTiCo. No entanto, o uso dessas ligas requer exceções aos requisitos de composição química da ASTM F2063.
　　2.2.1 Conteúdo incluído
　　Teoricamente, o níquel-titânio binário contém apenas os elementos níquel e titânio. No entanto, impurezas estão presentes na matéria-prima, sendo as mais comuns carbono e oxigênio. Essas impurezas se dissolvem na liga durante a fusão e formam partículas de segunda fase durante a solidificação. Essas partículas incluem carbonetos e óxidos, que possuem composição química e estrutura cristalina diferentes da matriz, sendo classificadas como inclusões.
　　Estudos mostram que inclusões podem atuar como pontos de nucleação para trincas de fadiga e até promover corrosão. Além disso, inclusões grandes ou em alta fração volumétrica no fundido levam a uma queda significativa no desempenho mecânico. Portanto, nosso objetivo é sempre limitar o volume, tamanho e quantidade de inclusões. O controle de impurezas depende em grande parte da fundição do lingote, mas o processamento termomecânico subsequente do material também afeta o tamanho, forma e distribuição das inclusões.
　　ASTM F2063 é o padrão que regula o tamanho e a medição das inclusões em ligas de níquel-titânio. Antes de 2005, o tamanho máximo aceitável para inclusões era 12 µm. Com o avanço dos métodos de detecção, ficou claro que nenhum fabricante de ligas de níquel-titânio conseguia realmente atender a esse limite de 12 µm. O padrão ASTM foi revisado em 2005 para refletir com precisão a situação da indústria.
　　Atualmente, a ASTM F2063 especifica que para ligas totalmente recozidas com temperatura As menor ou igual a 30 °C, o tamanho das inclusões ou vazios deve ser inferior a 39 µm e a fração de área ocupada deve ser inferior a 2,8%. Para ligas totalmente recozidas com As maior que 30 °C, o tamanho máximo das inclusões e a fração de área devem ser acordados entre comprador e vendedor.
　　A comunidade científica de ligas de níquel-titânio está interessada em NiTi com baixo teor de inclusões, pois isso pode melhorar a resistência à fadiga e à corrosão das peças acabadas. O número de artigos sobre inclusões tem crescido constantemente em várias conferências de tecnologia de memória de forma e superelasticidade (SMST). Vários estudos foram publicados para investigar se materiais com baixo teor de inclusões realmente apresentam desempenho superior aos com alto teor. Ainda há debate sobre quais características das inclusões são mais importantes: tamanho, quantidade ou localização no material. Outros fatores, como preparação da amostra, seção transversal do material testado, possibilidade de inclusões em pontos de concentração de tensão e tipo de deformação aplicada, também precisam ser considerados. A liga Redox? da SAES/Memry reduz a quantidade e o tamanho das inclusões para melhorar o desempenho do NiTi. O comitê ASTM já revisou os requisitos e provavelmente continuará a fazê-lo conforme a pesquisa avança.
　　Métodos da SAES/Memry para caracterizar o teor de inclusões
　　Métodos conforme ASTM F2063
　　Microscópio óptico com ampliação de 500 vezes
　　Testes em três posições de cada lingote (topo, meio e base). A solidificação não estacionária é mais provável no topo e na base do lingote, sendo essas as áreas potenciais de pior caso.
　　3 posições x 3 varreduras x 3 fotos = 27 imagens analisadas por lingote
　　Documentar a maior inclusão observada e a maior fração de área.
　　Amostragem de produtos em fio na bobina de processamento a quente de ?”
　　Amostragem de produtos em barra no quadrado arredondado (RCS) de 2” para processamento a quente
　　Perfil típico de inclusões - material padrão de níquel-titânio SAES/Memry
　　A maioria das inclusões tem tamanho inferior a 3 µm
　　99% são menores que 9 µm
　　Mediana = 2 µm
　　Nenhuma inclusão maior que 25,31 µm (máximo ASTM 39 µm) e nenhuma fração de área maior que 1,92% (máximo ASTM 2,8%) foi encontrada em todos os materiais testados até agora
　　As inclusões nos materiais SSM/Memry são significativamente inferiores ao padrão ASTM 2063
　　Nota: De acordo com ASTM F2063, esses dados são de ligas com As ≥ 30 °C
　　2.3 Liga Redox? de níquel-titânio
　　Redox? é uma liga exclusiva desenvolvida pela SAES/Memry para enfrentar os crescentes desafios de design relacionados à micro limpeza na indústria. Apresenta volume reduzido de óxidos e tamanho menor das inclusões. Redox? mostra melhorias significativas em comparação com a liga padrão de níquel-titânio SAES/Memry e está totalmente em conformidade com o padrão ASTM F2063.
　　Redox? pode ser usada em várias formas de níquel-titânio bruto, incluindo tubos, fios, fitas e chapas, bem como em componentes acabados. Graças à tecnologia exclusiva de fusão e processamento da SSM, Redox? mantém a alta integridade e resistência da liga padrão de níquel-titânio.
　　Considerações de design
　　Materiais de níquel-titânio de alta pureza não são necessários para todas as aplicações médicas. Em aplicações de baixo risco ou dispositivos descartáveis/implantáveis únicos, materiais com baixo teor de inclusões não trazem benefícios ao desempenho final do dispositivo nem são economicamente viáveis. Os clientes que mais se beneficiam do níquel-titânio com baixo teor de inclusões são aqueles que desenvolvem implantes de longa duração que suportam muitos ciclos de carga/descarga durante sua vida útil (por exemplo, armações de válvulas cardíacas).
　　2.4 Liga de níquel-titânio-cobalto (NiTiCo)
　　NiTiCo é uma liga de memória de forma relativamente nova, com características de "rigidez" superiores às do níquel-titânio padrão. Do ponto de vista da aplicação, certos dispositivos médicos se beneficiam significativamente do uso de ligas com superelasticidade padrão de NiTi, mas com módulo de elasticidade e limites de escoamento superior e inferior aumentados. Por exemplo, um módulo de elasticidade mais alto, UPS e LPS permitem dispositivos com perfil menor, abrindo novas oportunidades para desenvolvimento.
　　No entanto, é importante notar que a composição química do NiTiCo não está em conformidade com ASTM F2063, que permite um máximo de 0,05% de Co. A liga NiTiCo contém 1,2-1,5% em peso de cobalto.
　　Seção 3 — Matéria-prima em forma líquida
　　3.1 Fios de liga de níquel-titânio
　　A forma de fio é um dos usos mais comuns do níquel-titânio e tem se mostrado versátil. Após fusão e mistura, os lingotes de liga de níquel-titânio são forjados e laminados em barras em alta temperatura (processamento a quente). As barras são então estiradas para diâmetros geralmente em torno de 0,085 polegadas, denominados "heavy draw". A Memry processa o material heavy draw por meio de várias etapas de estiramento a frio e recozimento para fabricar o diâmetro final do fio desejado.
　　O estiramento à temperatura ambiente aumenta o trabalho a frio do material. O trabalho a frio em ligas de níquel-titânio é difícil porque o material endurece rapidamente. O trabalho a frio deve ser feito em múltiplas passagens, com recozimento intermediário. O recozimento elimina ou remove discordâncias na rede cristalina e provoca algum grau de recristalização e crescimento de grãos, restaurando a ductilidade do material de níquel-titânio.
　　Os fios são vendidos em estado de recozimento direto e processamento a frio (tração). O estado de tração é geralmente usado para conformação a jusante, pois o produto é mais fácil de moldar e possui maior resistência em comparação com o material de níquel-titânio recozido diretamente. A seguir estão listadas as características de processamento e especificações de todos os produtos de fio. Os materiais e propriedades mecânicas de todas as ligas de fio também estão listados abaixo.
　　3.1.1 Barras de liga de níquel-titânio
　　As fitas são produzidas através da laminação do fio em uma seção transversal retangular usando um laminador pequeno. A relação largura/espessura (W/T) é geralmente limitada a 12. Bordas naturalmente enroladas (arredondadas) são padrão, mas bordas quadradas podem ser produzidas usando turks head (ou seja, rolos que trabalham nas superfícies laterais e superior/inferior). As fitas podem ser fornecidas com o mesmo tratamento superficial e liga do material de fio em malha.
　　3.2 Tubos de níquel-titânio
　　ASTM F2633 é a especificação padrão para tubos forjados sem costura de liga de memória de forma de níquel-titânio para dispositivos médicos e implantes cirúrgicos. A Memry começou a puxar tubos em 1992 e possui vasta experiência na fabricação de tubos em vários tamanhos e tratamentos superficiais. Os tubos podem ser fabricados para atender aos requisitos e especificações específicas do cliente. Normalmente, os requisitos críticos para diâmetro interno, diâmetro externo (ou parede), propriedades mecânicas, retidão, acabamento superficial e especificações visuais são ajustados para atender às necessidades específicas da aplicação. Diferentemente do fio bruto, devido a limitações do processo, os tubos geralmente são vendidos em estado de recozimento direto. Para fabricar tubos, o lingote fundido é primeiro forjado e laminado em barras, depois é perfurado com broca para criar um furo central, formando a forma inicial do tubo "oco". Em seguida, vários processos de conformação a quente, conformação a frio e recozimento são usados para conformar o tubo oco ao tamanho desejado. A relação típica de tubo (OD/ID) varia de 1,2 a 1,8.
　　3.3 Chapas de níquel-titânio
　　Para fabricar chapas de níquel-titânio, o lingote fundido é forjado e laminado em placas usando processos de conformação a quente. Assim como na fabricação de tubos e fios, várias etapas de conformação a quente, conformação a frio e recozimento são realizadas para conformar a chapa forjada de liga de níquel-titânio ao tamanho desejado.
　　A SAES/Memry oferece chapas de liga de níquel-titânio em várias ligas diferentes. As chapas geralmente são fornecidas em estado recozido plano para garantir a planicidade, apresentando assim um certo grau de superelasticidade ou memória de forma. Os tratamentos superficiais comuns incluem oxidação leve, sem oxidação (decapagem) ou lixamento/polimento.
　　Seção 4 — Processamento de níquel-titânio
　　Como descrito na Seção 1, as propriedades mecânicas e funcionais do níquel-titânio são extremamente sensíveis ao processamento termomecânico. Como o fio, chapa ou tubo bruto deve passar por muitos processos de fabricação adicionais antes de se tornar a forma final, as etapas de processamento secundário devem ser escolhidas para produzir as propriedades finais desejadas na aplicação. Esta seção discute os processos secundários comuns usados na fabricação de dispositivos de liga de níquel-titânio, incluindo conformação, tratamento térmico, usinagem, união e acabamento.
　　4.1 Tratamento térmico
　　4.1.1 Definição de forma
　　A definição de forma refere-se ao processo usado para formar fios, tubos ou chapas de níquel-titânio em componentes geométricos específicos e geralmente complexos. Seja para aplicações superelásticas ou de memória de forma, o material geralmente precisa ser conformado. Isso é feito usando dispositivos ou mandris especialmente projetados para cuidadosamente restringir o material na nova forma, seguido por um tratamento térmico de conformação. Se a peça for particularmente complexa ou se for necessário evitar rachaduras/fraturas sob alta deformação, múltiplas operações de conformação podem ser necessárias.
　　Para conformar o níquel-titânio, a temperatura do tratamento térmico deve ser superior a 475 °C, geralmente acima de 500 °C, para reduzir o tempo do processo e melhorar a retenção da forma (ou seja, reduzir o retorno elástico). A temperatura real e o tempo de homogeneização são determinados pela composição inicial da liga e pelas especificações térmicas e mecânicas desejadas. O processo de conformação geralmente termina com têmpera em água para evitar envelhecimento adicional e reduzir a variabilidade do processo.
　　Como os componentes de níquel-titânio geralmente requerem alta resistência ao escoamento (UPS) e resistência à tração (UTS), o número de tratamentos térmicos deve ser minimizado e o material de entrada deve ser preferencialmente conformado a frio (ver Seção 1.5). Em comparação com materiais recozidos diretos/planos, o material conformado a frio forma melhor a forma desejada e mantém valores mais altos de UPS/LPS e UTS.
　　4.1.2 Envelhecimento
　　O envelhecimento é outra forma de tratamento térmico usado para ajustar as propriedades funcionais das peças de liga de níquel-titânio. Durante o envelhecimento, precipitados ricos em Ni (por exemplo, Ni4Ti3) se formam, esgotando o Ni da matriz (ver Seções 1.3 e 1.6). A redução da proporção Ni:Ti aumenta a temperatura de transformação do componente e reduz o UPS e LPS em aplicações superelásticas. A faixa de temperatura de envelhecimento é de 400 a 575 °C, com a mudança mais rápida na temperatura de transformação ocorrendo nos primeiros minutos. Normalmente, temperaturas mais altas são escolhidas para reduzir o tempo de envelhecimento, mas o envelhecimento excessivo pode ocorrer onde as propriedades mecânicas são prejudicadas. O tratamento térmico de envelhecimento é uma forma de endurecimento por solução sólida, geralmente realizado na faixa de 425 a 475 °C para produzir precipitados finos ideais coerentes com a rede cristalina.
　　Algum envelhecimento ocorre durante o processo de conformação, portanto, envelhecimento e conformação geralmente são realizados intencionalmente ao mesmo tempo. Como na conformação, o tempo de envelhecimento deve ser determinado experimentalmente, pois depende do histórico de processamento do material, método de aquecimento, temperatura e temperatura de transformação desejada. Como regra geral, temperaturas mais altas (ou seja, > 500 °C) deslocam rapidamente o pico de transformação para temperaturas mais altas, mas também reduzem o UTS (ou seja, sem efeito de endurecimento). Como na conformação, o processo de envelhecimento geralmente termina com têmpera em água para evitar envelhecimento adicional e reduzir a variabilidade do processo.
　　Considerações de projeto: ao projetar processos de tratamento térmico (por exemplo, forno de convecção forçada, leito fluidizado, banho de sal, aquecimento por Joule, indução por radiofrequência, moldes aquecidos, etc.), a massa térmica do dispositivo e o método de tratamento térmico devem ser considerados. Na maioria dos casos, banhos de sal e dispositivos de baixa massa são preferidos para tratar os componentes de forma uniforme e rápida. Nota: devido à variabilidade na transferência de calor, os parâmetros de tratamento térmico não podem ser transferidos entre métodos de aquecimento. Quanto maior a deformação aplicada ao componente de níquel-titânio durante a conformação, melhor ele mantém a forma desejada.
　　4.2 Usinagem
　　4.2.1 Fresagem, torneamento e furação
　　O níquel-titânio em estado conformado a frio é um material duro e possui uma camada superficial resistente de óxido de titânio que é altamente abrasiva. Geralmente, técnicas tradicionais de usinagem como fresagem, torneamento ou furação são evitadas sempre que possível, mas podem ser bem-sucedidas em aplicações específicas.
　　Algumas diretrizes a considerar são as seguintes:
　　Velocidade/avanço controlados por CNC, uso de fluido refrigerante potente e ferramentas de metal duro são essenciais;
　　Espera-se desgaste rápido das ferramentas;
　　Devem ser evitadas características muito pequenas (por exemplo, furos menores que 1 milímetro);
　　Devido à continuidade do corte, a tornearia é mais bem-sucedida do que a fresagem; e
　　É fortemente recomendada a não utilização de martelamento.
　　4.2.2 Corte a laser
　　Normalmente utilizado para cortar Nitinol, o processo térmico baseado em laser utiliza um feixe de luz focado de alta intensidade para fundir localmente o material, que é então expelido do corte por um gás auxiliar de alta pressão. Ao cortar tubos de liga de Nitinol, como no processo de fabricação de stents cardiovasculares, o tubo gira sob o feixe de laser focado e se move longitudinalmente para criar a geometria de corte desejada. Para chapas, a cabeça do laser ou a chapa (ou ambos) se movem em relação ao outro para criar a geometria de corte desejada. Na Memry, muitos sistemas de laser de fibra com várias configurações de movimento e fixação são usados para cortar vários componentes a partir de tubos ou chapas. O corte a laser tornou-se uma das técnicas de fabricação mais comuns para dispositivos de liga de Nitinol, principalmente devido à sua altíssima precisão e baixo aporte térmico. A tecnologia atual da Memry permite cortar materiais com espessuras de 25 µm (0,001”) até mais de 0,8 mm (0,031”).
　　A capacidade dos sistemas a laser de cortar geometrias finas e complexas depende em grande parte do sistema de movimento do feixe laser focado e do tamanho do ponto focal. No contexto do processamento a laser, "largura do corte" refere-se à largura do material fundido e removido durante o corte a laser, que depende do tamanho do ponto do laser. Uma largura de corte menor permite projetar geometrias menores e mais complexas, sendo geralmente considerada melhor. Muitos acreditam que a largura do corte de cada sistema a laser é fixa. No entanto, na prática, a largura do corte é mais dinâmica. À medida que a espessura do material aumenta, a potência necessária para penetrar e cortar o material também aumenta, resultando em uma largura de corte maior. Lasers de femtossegundo ultracurtos possuem a mais alta qualidade de feixe e, ao cortar componentes relativamente finos de Nitinol (isto é, < 50 µm, 0,002”), a largura do corte pode ser tão pequena quanto 5 µm (0,0002”).
　　Alguns fatores que devem ser considerados ao projetar peças para corte a laser incluem o caminho de corte, a zona afetada pelo calor (HAZ), a camada de recast e a escória. O caminho do laser deve ser otimizado para limitar quaisquer artefatos indesejados, como respingos, entalhes/mordidas ou degraus, e permitir a fácil remoção de ilhas (ou seja, resíduos). Características de corte único ou linha única terão pontos de perfuração no final de cada corte. Esses pontos de perfuração terão uma largura de corte maior e geralmente causarão respingos próximos à borda do corte. Sempre que possível, é melhor posicionar os pontos de perfuração dentro de ilhas afastadas das características do componente, conforme mostrado a seguir.
　　O calor necessário para fundir o material de corte é conduzido para fora da borda do corte. Devido ao envelhecimento excessivo do material Nitinol, as propriedades mecânicas da área adjacente ao corte são afetadas; é onde ocorre a recristalização e o crescimento dos grãos. Essa HAZ pode impactar negativamente a deformação máxima alcançável e a vida útil à fadiga do componente. Além disso, durante o corte a laser, parte do material fundido é recastada na parede da peça. Essa parte da zona afetada pelo calor é chamada de "camada de recast". A camada de recast do laser é severamente oxidada e muito frágil. Essa camada geralmente contém microfissuras que atuam como pontos de início de fratura.
　　O material fundido que não é recastado na parede do corte às vezes forma "escória" na saída do corte a laser. Se houver escória, ela deve ser removida por algum tipo de processo mecânico ou químico.
　　Considerações de design
　　As peças cortadas a laser devem passar por um pós-processamento para remover a zona afetada pelo calor, a camada de recast e a escória, a fim de alcançar um desempenho aceitável do dispositivo. Os métodos padrão para isso incluem retificação, jateamento, ataque químico e polimento por rolos. O pós-processamento afeta a geometria final do componente, portanto deve ser incorporado ao projeto do processo.
　　O processo de corte a laser por femtossegundo é a tecnologia mais avançada para cortar Nitinol. Pulsos ultracurtos de alta potência podem causar ablação direta do sólido para plasma no Nitinol. Como a interação do laser com o material é muito breve, o calor não é conduzido para o material em massa; eliminando preocupações anteriores sobre material afetado pelo calor, camada de recast e escória. Além de eliminar os efeitos colaterais prejudiciais inerentes ao processo térmico de corte a laser, a qualidade do corte é significativamente melhorada, o que se traduz diretamente em melhor desempenho do dispositivo.
　　Como diretriz geral, tubos com paredes finas (<125 µm) e designs com pilares finos ou pequenas características geométricas críticas (isto é, <100 µm) se beneficiam desse processo.
　　A maioria dos novos produtos fabricados pela Memry por processamento a laser agora utiliza corte a laser por femtossegundo. Foi demonstrado que o processo de ablação de penetração parcial possível com lasers de femtossegundo é ideal para processar características finas e complexas.
　　Considerações de design
　　Em muitos casos, o uso do processo de laser femtossegundo é recomendado não por causa do tamanho ou precisão do componente, mas para minimizar ou até eliminar o pós-processamento demorado a jusante. Por exemplo, tubos com diâmetro interno pequeno e características finas e complexas são quase impossíveis de polir, e o ataque químico e o polimento eletroquímico consistentes são desafiadores. Minimizar o aporte térmico e eliminar a recast e a escória com o processo de laser femtossegundo pode aliviar esses desafios comuns.
　　4.2.3 Retificação
　　Esta técnica de retificação é um método eficaz para processar Nitinol. As técnicas comuns de retificação para material Nitinol incluem retificação sem centro, estilo suíço, eletroquímica e retificação CNC tradicional de 3 ou 4 eixos. Geralmente, recomenda-se o uso de forte refrigeração para evitar o superaquecimento do material da liga de Nitinol. Características com comprimento tão pequeno quanto 125 – 250 µm (0,005” – 0,010”) podem ser retificadas. A Memry é capaz de retificar geometrias desde simples guias de fios até retificações complexas personalizadas para qualquer aplicação, incluindo planos, raios, pontas de broca, agulhas de bainha, agulhas ou perfis roscados.
　　4.2.4 Corte por fio EDM
　　Esta técnica é particularmente atraente para cortar características em material espesso de Nitinol. O corte é realizado por um fio carregado eletricamente que avança continuamente através do material. Quando o fio metálico se aproxima da peça, ele gera uma descarga de faísca que abla o material mais próximo do fio. Nenhuma força é aplicada à peça durante o corte. Ao cortar a peça imersa em água deionizada (não condutiva), a espessura da camada de recast/zona afetada pelo calor (HAZ) é minimizada. Para implantes, a superfície cortada por EDM deve ser modificada por métodos mecânicos ou químicos para remover a camada de recast e eliminar o material transferido do fio EDM (geralmente latão).
　　Sempre que possível, empilhe as peças durante o processo de corte para aumentar a eficiência. O diâmetro típico do fio EDM varia de 0,1 a 0,305 milímetros (0,004 polegadas a 0,012 polegadas). Dependendo da geometria, o fio pode "queimar demais" um total de 50 ?m (0,002") (por exemplo, um fio com diâmetro de 255 ?m/0,010" produzirá um sulco com cerca de 305 ?m/0,012" de largura). Fios de diâmetro maior geralmente são usados para aumentar a velocidade de corte, a menos que a geometria da peça exija fios menores.
　　4.2.5 Corte por jato de água
　　Esta técnica utiliza água de alta pressão misturada com um meio abrasivo para cortar ligas de níquel-titânio por meio de um mecanismo erosivo. O processo é rápido e não gera altas temperaturas durante o corte, tornando-se um excelente método para cortar materiais mais espessos. No entanto, este processo não é tão preciso quanto outros métodos de corte e as tolerâncias alcançáveis são maiores em comparação com outras técnicas de usinagem. O corte por jato de água é geralmente usado para o corte bruto de matérias-primas espessas de ligas de níquel-titânio.
　　4.2.6 Estampagem
　　O níquel-titânio pode ser estampado com sucesso em aplicações específicas. O processo consiste em punções muito precisos (com geometria de corte positiva) e matrizes (com geometria de corte negativa). O material (geralmente fita ou chapa) é colocado sob o conjunto da matriz, e o punção atravessa rapidamente o material com grande força, entrando na matriz. A estampagem geralmente é adequada apenas para operações de grande volume com alimentação contínua (ex. fita). O espaço entre as matrizes deve ser minimizado para reduzir rebarbas e melhorar a qualidade das bordas. Ao estampar ligas de níquel-titânio, são necessárias ferramentas de metal duro, e as matrizes sofrem desgaste excessivo.
　　4.2.7 Fotogravação química
　　A fotogravação química é um método eficaz para fabricar peças finas (menos de 0,020 polegadas) de ligas de níquel-titânio a partir de chapas. Um "positivo" resistente à corrosão química do formato da peça é aplicado na chapa. Em seguida, a chapa é exposta a uma solução química que grava o material de níquel-titânio não protegido, deixando apenas a peça desejada. O material de máscara é então removido.
　　Esta técnica permite um acabamento sem rebarbas, adequado para produção em massa de pequenas peças com geometria complexa. No entanto, a técnica é limitada a chapas finas, e as tolerâncias dependem da espessura do material. Também deixa uma pequena crista na parede da peça, próxima ao local onde a máscara foi aplicada, o que pode ser problemático para algumas aplicações.
　　4.3 Conexão
　　4.3.1 Soldagem
　　Os processos de soldagem a laser, plasma e resistência são comumente usados para conectar peças de ligas de níquel-titânio. Um desafio comum no design de peças soldadas é a grande quantidade de calor necessária para criar a junta. A zona de solda em si, bem como a zona afetada pelo calor (HAZ) próxima à junta, terão propriedades mecânicas e funcionais diferentes. Na soldagem a laser, plasma e resistência, a zona fundida (FZ) terá uma estrutura e desempenho mais semelhantes ao estado fundido do lingote de níquel-titânio. A HAZ será afetada por envelhecimento excessivo, como recristalização e crescimento de grãos, resultando em redução da resistência mecânica e alteração da temperatura de transformação. Ao soldar ligas mais ricas em titânio (por exemplo, para aplicações de memória de forma), as trincas também podem ser um desafio devido à segregação de soluto e à formação de fases intermetálicas frágeis ricas em titânio.
　　O sistema de laser pulsado CNC a laser é o processo de soldagem mais comum para montagem de componentes de níquel-titânio. Suas características de alta velocidade, não contato e baixa entrada de calor o tornam muito atraente na fabricação de dispositivos médicos de níquel-titânio. O processo de laser de ponto único é geralmente usado para aplicações de soldagem por pontos, como soldar anéis ou tubos nas extremidades de conjuntos de fios metálicos. A soldagem por costura também é comum, obtida por sobreposição pulsada sincronizada com o movimento da plataforma usando a frequência do pulso do laser. Para aplicações de vedação hermética, é geralmente recomendada uma sobreposição > 80%.
　　A soldagem por plasma é um processo de soldagem por arco, usado na Memry principalmente para formar esferas sem danos nas extremidades de fios ou tubos de níquel-titânio. Este processo pode produzir esferas com até 3 vezes o diâmetro do material base.
　　A soldagem por resistência utiliza calor de Joule e carga mecânica para formar um núcleo de fusão ou zona fundida entre duas peças devido à alta resistência na interface de junção. Este processo é geralmente usado para soldagem de topo em extremidades de fios de níquel-titânio de grande diâmetro ou para conectar duas chapas ou fitas de níquel-titânio em juntas sobrepostas. Como a soldagem por resistência requer contato mecânico dos eletrodos (geralmente de liga de cobre) com a superfície do componente de níquel-titânio, recomenda-se modificar a superfície por métodos mecânicos ou químicos para reduzir os riscos associados à transferência de material.
　　Considerações de design
　　Soldar ligas de níquel-titânio com metais diferentes (como aço inoxidável) é um grande desafio. Juntas heterogêneas geralmente se tornam frágeis devido à formação de compostos intermetálicos e não suportam altos esforços ou deformações.
　　Técnicas como soldagem sólida ou o uso de camadas intermediárias na soldagem a laser mostraram algum potencial para fabricar juntas heterogêneas, mas essas técnicas não são amplamente aplicadas.
　　Ao considerar o uso de componentes de ligas de níquel-titânio, o design das juntas de solda não deve ser negligenciado. O design da junta deve estar afastado de características críticas e das áreas de maior esforço/deformação. As propriedades mecânicas e funcionais da zona fundida e da HAZ serão afetadas pela entrada de calor do processo de soldagem.
　　4.3.2 Crimpagem
　　A crimpagem é um método muito robusto para conectar níquel-titânio a si mesmo ou a materiais diferentes. As principais desvantagens incluem perfis de crimpagem relativamente volumosos e desafios de processo associados a estruturas multipartes. Ao considerar o terminal de fios em dispositivos lineares, a crimpagem é geralmente o método de conexão escolhido. Recomenda-se o uso de tubos de níquel-titânio especialmente tratados para componentes de crimpagem. Considerações importantes de design incluem: i) a crimpagem deve ter ductilidade suficiente para permitir deformação plástica ao redor do componente a ser conectado, e ii) o uso de materiais diferentes (por exemplo, aço inoxidável) como tubo de crimpagem pode causar problemas relacionados à incompatibilidade de propriedades materiais e corrosão galvânica. Um bom exemplo de aplicação de crimpagem é o suporte formado por fios, onde as extremidades dos fios são geralmente crimpadas juntas usando um segmento de tubo de níquel-titânio (ou seja, anel final).
　　4.3.3 Solda e adesivos
　　Soldagem e adesivos são excelentes métodos para conectar ligas de níquel-titânio a diferentes materiais. Em ambos os casos, a camada de óxido deve ser removida para obter o melhor resultado. Para soldagem, ligas de solda contendo prata (por exemplo: Sn95Ag5) combinadas com fluxos adequados (usamos o Indalloy? #3 da Indium Corporation) funcionam muito bem. Ao considerar adesivos, opções de cura por UV e térmica podem ser usadas. Dymax?, Loctite? e MasterBond? possuem formulações compatíveis com ligas de níquel-titânio. É importante notar que para aplicações em dispositivos médicos implantáveis, soldagem ou adesivos não devem ser considerados.
　　4.4 Acabamento fino 4.4.1 Jateamento
　　Jateamento e microjateamento são métodos usados para remover óxidos, marcas superficiais e materiais/contaminantes processados em etapas anteriores (como trefilação, tratamento térmico, corte a laser, EDM ou processos de aquecimento local). O jateamento geralmente é realizado em tubos ou fios e é um processo relativamente em grande escala, enquanto o microjateamento é feito em componentes menores. O microjateamento é uma prática comum de pós-tratamento para peças cortadas a laser ou por EDM de fio antes do processo de ataque químico.
　　Ambas as técnicas de polimento envolvem a ação direta de grânulos abrasivos sob alta pressão sobre os componentes de liga de níquel-titânio. O polimento remove materiais encontrados ao redor da superfície do níquel-titânio, como camada de recast, zona afetada pelo calor e microfissuras, podendo remover uma quantidade significativa de material. A Memry tem capacidade para realizar processos de jateamento manuais ou automáticos.
　　4.4.2 Rolamento mecânico
　　O rolamento é uma operação na qual os componentes são colocados em um recipiente com meio abrasivo e o recipiente é agitado por rotação ou vibração. A ação do meio sobre as peças serve para suavizar a superfície e arredondar bordas afiadas. O rolamento geralmente não remove grandes quantidades de material de forma eficaz, sendo mais eficiente para quebrar bordas e arredondar características pontiagudas.
　　4.4.3 Processamento químico de ataque,
　　também conhecido como decapagem, é um método comum para remover óxidos e uma quantidade relativamente grande de material da superfície do níquel-titânio. As peças atacadas apresentam uma superfície clara ou brilhante. A olho nu, parece lisa, mas sob maior ampliação a morfologia da superfície é ligeiramente áspera. Em geral, tempos de ataque mais longos produzem uma morfologia um pouco mais suave. Exemplos comuns de processos de ataque químico incluem: i) remoção da camada frágil de recast em peças cortadas a laser e ii) remoção de qualquer material transferido do eletrodo de fio em peças cortadas por EDM. É importante que os componentes estejam livres de rebarbas antes do ataque para reduzir o risco de ataque seletivo próximo às peças.
　　O polimento eletrolítico é um processo eletroquímico que remove material da superfície dos componentes de níquel-titânio. Como o nome indica, o polimento eletrolítico é usado para polir e suavizar a superfície dos componentes de níquel-titânio. No sistema de polimento eletrolítico, uma tensão é aplicada para remover íons metálicos da superfície da peça e levá-los para a solução. A dissolução do metal ocorre no eletrólito. Uma consideração importante do processo é como e onde o contato anódico com o componente é feito. O contato entre o ânodo e a peça deve ser firme o suficiente para eliminar arcos elétricos. Fixações inadequadas podem causar manchas queimadas ou derretidas ao redor dos pontos de contato na peça final. Marcas de testemunho nos pontos de contato elétrico são em certa medida inevitáveis.
　　Durante o polimento eletrolítico, a corrente flui sobre os picos de uma superfície relativamente áspera, gerando alta densidade de corrente nesses locais. Isso resulta na remoção preferencial dos pontos altos durante o polimento, tornando-o ideal para eliminar rebarbas e, finalmente, reduzir (ou melhorar) a rugosidade da superfície. Ao reduzir a rugosidade, microfissuras e outras imperfeições superficiais podem ser reduzidas ou eliminadas. Peças adequadamente polidas eletroliticamente terão uma superfície espelhada brilhante, mesmo sob maior ampliação.
　　A principal desvantagem do polimento eletrolítico é o aumento do custo por peça, as marcas de testemunho nos pontos de contato anódico e a dificuldade de remoção precisa de material em peças maiores. No entanto, é importante notar que as melhorias na biocompatibilidade e resistência à fadiga geralmente justificam o custo adicional do polimento eletrolítico para aplicações médicas implantáveis em ligas de níquel-titânio.
　　A passivação, quando aplicada a componentes de níquel-titânio, refere-se à modificação química da superfície para reduzir a reatividade ou aumentar a resistência do dispositivo de níquel-titânio quando exposto a certos fatores ambientais. A passivação visa principalmente garantir que a superfície resista a reações de corrosão eletroquímica, evitando degradação, falha final ou liberação de íons de níquel nocivos no corpo.
　　A superfície da liga de níquel-titânio possui uma camada passiva natural de dióxido de titânio (TiO2). No entanto, muitos estudos mostram que o processamento inadequado pode gerar mais óxidos voláteis na superfície, reduzindo a passivação dos componentes de níquel-titânio. Por isso, diferentes técnicas de passivação foram desenvolvidas para dispositivos médicos de níquel-titânio, como passivação química e até fervura em água. O tratamento de passivação mais comum realizado pela Memry é a passivação química baseada em HNO3, conforme a norma ASTM A967, que foi originalmente desenvolvida para passivação de aço inoxidável.
　　Considerações de design: os clientes geralmente solicitam passivação para aplicações de dispositivos médicos implantáveis. No entanto, em muitas outras aplicações de dispositivos de liga de níquel-titânio, a passivação química pode não ser necessária. Por exemplo, o processo de fabricação padrão da Memry já é otimizado para produzir excelente desempenho contra corrosão mesmo sem passivação final.
　　4.4.4 Outras opções de acabamento fino
　　Marcação a laser — a marcação a laser em peças de liga de níquel-titânio é uma prática comum. Exemplos de aplicações de marcação a laser incluem marcações profundas ou etiquetas, números de lote de fabricação, códigos QR e logotipos da empresa como indicadores visuais. Existem dois modos diferentes de marcação a laser: ablação e recozimento. Na marcação a laser por ablação, a aparência metálica (geralmente brilhante) é formada pela fusão e remoção do material superficial. Por outro lado, o processo de recozimento não altera a morfologia macroscópica da superfície, mas modifica a cor da superfície do níquel-titânio por meio da alteração da camada de óxido.
　　Revestimentos e galvanoplastia — a liga de níquel-titânio pode ser revestida com materiais como PTFE, FEP, Parylene, revestimentos tipo diamante (DLC) para melhorar a lubrificação ou resistência ao desgaste. Além disso, vários revestimentos geralmente compostos por ouro, platina ou tântalo também podem ser aplicados às peças de liga de níquel-titânio para aumentar a opacidade à radiação. Deve-se considerar as altas temperaturas de alguns processos de revestimento, pois podem afetar as propriedades do material da liga de níquel-titânio.
　　Outras considerações importantes nos processos de revestimento e galvanoplastia incluem a escolha da melhor superfície para adesão do revestimento e a incompatibilidade das propriedades do material, pois o revestimento pode rachar ou descascar sob deformação superelástica.
　　Seção 5 — Considerações de design para dispositivos médicos
　　5.1 Propriedades físicas e mecânicas típicas
　　Nesta seção, são apresentadas as características típicas do material Nitinol para auxiliar na fase inicial de design. É importante entender que algumas propriedades do Nitinol têm dois valores. O primeiro é para a fase martensítica e aplicações de memória de forma, enquanto o segundo é para a fase austenítica e aplicações superelásticas (revisar a Seção 1). Esta seção também compara as características e desempenho com o aço inoxidável como referência.
　　Abaixo são mostradas as curvas tensão-deformação típicas das ligas de aço inoxidável e Nitinol. A comparação simples das curvas ilustra a diferença entre o comportamento elasto-plástico comum dos metais de engenharia e o comportamento superelástico não linear do Nitinol. A amostra de Nitinol mostrada foi esticada até 8%, liberada para 0% e então esticada até a falha para ilustrar o ciclo superelástico. A amostra de aço inoxidável foi esticada diretamente até a falha.
　　Para ambos os materiais, se a deformação no material exceder o limite elástico, a deformação causada pela carga de tração eventualmente levará à falha do material. Antes da ocorrência de deformação permanente, o limite elástico da liga de aço inoxidável é cerca de 0,2%, enquanto o limite elástico do Nitinol pode chegar a 8%. No design de componentes superelásticos de Nitinol, a deformação não linear é uma entrada crítica de design, e a seleção deve considerar os valores UPS e LPS da superelasticidade do material. Além disso, o comportamento não linear do componente de Nitinol varia dependendo se está sendo carregado ou descarregado (ou seja, UPS versus LPS), e o ciclo de histerese também muda ligeiramente com ciclos de deformação inferiores a 8%. Em contraste, a tensão de escoamento e o módulo de elasticidade do aço inoxidável são cruciais para o design de dispositivos de aço inoxidável. Portanto, mais variáveis precisam ser consideradas ao projetar dispositivos de liga de Nitinol.
　　5.2 Corrosão
　　A combinação única das propriedades de memória de forma e superelasticidade, juntamente com sua resposta biocompatível, torna o Nitinol um excelente material para aplicações em dispositivos médicos. Na superfície do Nitinol, íons de titânio interagem com oxigênio para formar uma camada extremamente resistente de óxido de titânio inerte (TiO2). Esta camada de óxido protege o material de Nitinol subjacente dos efeitos do ambiente externo, conferindo ao Nitinol excelente resistência à corrosão e biocompatibilidade. A espessura e qualidade da camada de óxido (ou seja, uniformidade, ausência de defeitos, etc.) estão intimamente relacionadas à resistência à corrosão e biocompatibilidade do Nitinol.
　　ASTM F2129 é um método de teste padrão para realizar medições de polarização de potencial cíclico para determinar a sensibilidade à corrosão de pequenos dispositivos implantáveis. Este padrão é reconhecido como o método aceito para determinar a resistência à corrosão de dispositivos implantáveis de Nitinol. A Memry normalmente utiliza este padrão para avaliar a sensibilidade à corrosão dos componentes de Nitinol. Durante o teste de polarização cíclica, uma voltagem é aplicada ao dispositivo de Nitinol até que a camada passiva se rompa (semelhante a um capacitor) e a corrosão localizada (pitting) ocorra devido ao avanço da reação eletroquímica. A voltagem na qual essa ruptura ocorre e a superfície do componente começa a apresentar corrosão localizada é chamada de potencial de ruptura Eb. Embora o padrão ASTM não liste critérios de aprovação/reprovação, geralmente considera-se aceitável Eb > 300 mV, enquanto Eb ≥ 600 mV indica excelente resistência à corrosão do dispositivo.
　　Considerações de design
　　Como descrito na Seção 4.4.3, o processo padrão de fabricação da Memry foi otimizado para produzir desempenho excelente contra corrosão.
　　Os dispositivos de liga de Nitinol devem ser testados em seu estado final para obter uma avaliação realista da sensibilidade à corrosão.
　　A solução padrão de teste é solução salina tamponada com fosfato (PBS), com pH de 7,4 ± 0,2. Outras soluções podem ser usadas para simular melhor as condições in vivo, como sangue simulado.
　　Ao testar dispositivos em solução PBS, a voltagem máxima de teste usada é 800 mV devido à ocorrência da reação de evolução de oxigênio. Se o dispositivo resistir a 800 mV, considera-se que não houve corrosão. Este é o melhor resultado possível do teste, mas não é uma condição necessária para considerar que o dispositivo passou no teste.
　　5.3 Esterilização do Nitinol
　　Dispositivos médicos feitos de liga de Nitinol podem ser esterilizados por métodos típicos, incluindo vapor (autoclave), óxido de etileno (EtO) ou radiação (gama). A literatura e a experiência indicam que dispositivos de liga de Nitinol podem ser desinfetados sem afetar sua funcionalidade. No entanto, a temperatura à qual o dispositivo é exposto deve ser considerada e mantida abaixo de 300 °C para garantir que as propriedades mecânicas e funcionais não sejam afetadas.
　　5.4 Biocompatibilidade
　　O Nitinol demonstra alta biocompatibilidade, principalmente devido à sua robusta camada passiva inerente de óxido de titânio na superfície (ver Seções 4.4.4 e 5.2). Seu longo histórico de uso foi comprovado em muitas aplicações, desde dispositivos descartáveis até implantes de longo prazo com quase nenhuma complicação. A questão mais comum relacionada à biocompatibilidade é a liberação de íons Ni a partir de dispositivos usados para aplicações implantáveis. Este é um tema interessante para pesquisa e debate acadêmico; no entanto, foi demonstrado que processos de fabricação otimizados (como os desenvolvidos pela Memry) limitam a liberação de íons Ni a níveis inferiores aos do aço inoxidável médico.
　　5.5 Fadiga
　　Embora o Nitinol possua excelentes propriedades mecânicas e possa recuperar-se de níveis muito altos de deformação, a fadiga deve ser considerada para aplicações de longo prazo e alto ciclo. A figura abaixo mostra que a vida útil à fadiga diminui drasticamente com o aumento do nível de deformação. Por exemplo, a 0,57% de deformação, o teste foi interrompido após 1 milhão de ciclos e o fio permaneceu intacto. Ao aumentar a deformação para apenas 0,88%, o fio falhou pouco depois de 13.000 ciclos. Portanto, o desempenho à fadiga é uma consideração muito importante no design de componentes de Nitinol. Se for necessária uma elasticidade completa de 6%, os projetistas precisam minimizar o número de ciclos (possivelmente menos de 100); nesse caso, dispositivos de uso único para aplicações de baixo ciclo podem ser a única opção. No entanto, se a aplicação usar 0,5% ou menos de deformação, como em muitas aplicações de stents cardiovasculares ou válvulas cardíacas, o material pode suportar milhões de ciclos.
　　5.6 Tratamento de superfície
　　A lista a seguir e as informações gerais sobre tratamento de superfície fornecem uma compreensão aprofundada dos tratamentos mais adequados para aplicações específicas.
　　Óxidos claros ou âmbar
　　A cor é geralmente âmbar/dourada, mas pode variar para azul/roxo dependendo do método de tratamento térmico.
　　Tubos recebem tratamento de superfície padrão, mas fios são opcionais.
　　Boa lubrificação e resistência ao desgaste.
　　Geralmente preferido para componentes de fios que serão eletropolidos.
　　Óxidos pretos duros
　　Este é o tratamento de superfície padrão para fios e fitas.
　　Apresenta excelente lubrificação e resistência ao desgaste, geralmente preferido para aplicações onde o desempenho tribológico é crucial
　　Sem óxidos/decapagem
　　Superfície fosca de cinza a prateado, geralmente considerada a melhor aparência estética
　　Muito adequado para processamento EDM a jusante (ou seja, melhor condutividade do que óxidos) e operações de conexão, como soldagem, solda de estanho e uso de adesivos
　　Resistência ao desgaste não ideal. Mais propenso a marcas ou arranhões/desgaste na superfície
　　Retificação
　　Normalmente, para reforçar o controle dimensional, a modificação do diâmetro externo de fios ou tubos requer retificação
　　Superfície lisa, pois a retificação pode remover quaisquer artefatos do processo de fabricação da matéria-prima a montante, como marcas de trefilação
　　Fornece a melhor base para o melhor processo de acabamento de superfície a montante
　　Resistência ao desgaste não ideal. Mais propenso a marcas ou arranhões/desgaste na superfície
　　Polimento eletrolítico
　　Oferece a melhor resistência à corrosão, biocompatibilidade e vida útil à fadiga (ver também seção 4.4.3)
　　Passivação
　　Ajuda a melhorar a resistência à corrosão e a biocompatibilidade (ver também seção 4.4.3)
　　5.7 Deformação
　　Ao realizar uma análise de viabilidade, é importante considerar tanto a deformação de conformação quanto a deformação funcional. Abaixo estão alguns cálculos comuns de deformação para referência.
　　Deformação de conformação — esta é a deformação que o material sofre durante o processo de conformação (não durante o uso funcional). Um exemplo é uma curvatura muito apertada em um componente. Esse tipo de curvatura deve ser limitado a cerca de 25%. Além dessa deformação, devem ser tomadas medidas adicionais para evitar rachaduras no material, como pré-aquecimento e uso de múltiplas etapas de conformação.
　　Deformação funcional — este é o nível de deformação que o componente acabado sofre durante o uso. Exemplos incluem fios que passam por caminhos tortuosos ou tubos em forma de gancho que são endireitados para inserção no corpo. Para fios, esse valor de deformação deve ser limitado a um máximo de 6%, enquanto para tubos deve ser limitado a cerca de 4%. Deve-se notar que, embora o material possa se recuperar dessas altas deformações, seu desempenho pode variar nos primeiros 10-50 ciclos, e a vida útil à fadiga é esperada ser a mais curta. A figura abaixo ilustra a variação da superelasticidade com os ciclos, especialmente a redução do UPS e LPS após 10 ciclos de carga de tração a 6% de deformação.