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níquel titanio

El níquel titanio , también conocido como nitinol , es una aleación metálica de níquel y titanio , donde los dos elementos están presentes en porcentajes atómicos aproximadamente iguales. Las diferentes aleaciones se denominan según el porcentaje en peso de níquel; por ejemplo, nitinol 55 y nitinol 60 .

Las aleaciones de nitinol exhiben dos propiedades únicas y estrechamente relacionadas: el efecto de memoria de forma y la superelasticidad (también llamada pseudoelasticidad ). La memoria de forma es la capacidad del nitinol de sufrir deformación a una temperatura, permanecer en su forma deformada cuando se elimina la fuerza externa y luego recuperar su forma original, no deformada, al calentarse por encima de su "temperatura de transformación". La superelasticidad es la capacidad del metal de sufrir grandes deformaciones y volver inmediatamente a su forma no deformada al eliminar la carga externa. El nitinol puede deformarse entre 10 y 30 veces más que los metales comunes y volver a su forma original. Si el nitinol se comporta con efecto de memoria de forma o superelasticidad depende de si está por encima de su temperatura de transformación durante la acción. La acción por debajo de la temperatura de transformación exhibe el efecto de memoria de forma y por encima de la temperatura de transformación se comporta superelásticamente.

Historia

La palabra "nitinol" se deriva de su composición y de su lugar de descubrimiento: ( Níquel Titanio - Laboratorio de Artillería Naval ) . William J. Buehler [1] junto con Frederick E. Wang , [2] descubrieron sus propiedades durante una investigación en el Laboratorio de Artillería Naval en 1959. [3] [4] Buehler estaba intentando hacer un mejor cono de punta de misil, que pudiera resistir fatiga , calor y fuerza del impacto . Habiendo descubierto que una aleación 1:1 de níquel y titanio podía hacer el trabajo, en 1961 presentó una muestra en una reunión de dirección del laboratorio. La muestra, doblada como un acordeón , fue pasada y flexionada por los participantes. Uno de ellos aplicó calor desde su encendedor de pipa a la muestra y, para sorpresa de todos, la tira en forma de acordeón se contrajo y tomó su forma anterior. [5]

Si bien las posibles aplicaciones del nitinol se realizaron de inmediato, los esfuerzos prácticos para comercializar la aleación no se llevaron a cabo hasta una década más tarde, en la década de 1980, en gran parte debido a la extraordinaria dificultad de fundir, procesar y mecanizar la aleación.

El descubrimiento del efecto de memoria de forma en general se remonta a 1932, cuando el químico sueco Arne Ölander [6] observó por primera vez esta propiedad en aleaciones de oro y cadmio. El mismo efecto se observó en el Cu-Zn ( latón ) a principios de los años cincuenta. [7]

Mecanismo

Vista 3D de estructuras de austenita y martensita del compuesto NiTi.

Las propiedades inusuales del nitinol se derivan de una transformación reversible de fase de estado sólido conocida como transformación martensítica , entre dos fases cristalinas de martensita diferentes, que requieren de 69 a 138 MPa (10 000 a 20 000 psi) de tensión mecánica.

A altas temperaturas, el nitinol asume una estructura cúbica simple interpenetrante denominada austenita (también conocida como fase madre). A bajas temperaturas, el nitinol se transforma espontáneamente en una estructura cristalina monoclínica más complicada conocida como martensita (fase hija). [8] Hay cuatro temperaturas de transición asociadas a las transformaciones de austenita a martensita y de martensita a austenita. A partir de austenita completa, la martensita comienza a formarse a medida que la aleación se enfría hasta la llamada temperatura inicial de martensita , o Ms , y la temperatura a la que se completa la transformación se denomina temperatura final de martensita , o Mf . Cuando la aleación es completamente martensita y se somete a calentamiento, la austenita comienza a formarse a la temperatura inicial de austenita , As , y termina a la temperatura final de austenita , Af . [9]

Histéresis térmica de la transformación de fase del nitinol.

El ciclo de refrigeración/calefacción muestra histéresis térmica . La amplitud de la histéresis depende de la composición y el procesamiento precisos del nitinol. Su valor típico es un rango de temperatura que abarca aproximadamente 20 a 50 °C (36 a 90 °F), pero puede reducirse o amplificarse mediante aleación [10] y procesamiento. [11]

Cruciales para las propiedades del nitinol son dos aspectos clave de esta transformación de fase. La primera es que la transformación es "reversible", lo que significa que calentar por encima de la temperatura de transformación revertirá la estructura cristalina a la fase austenita más simple. El segundo punto clave es que la transformación en ambas direcciones es instantánea.

La estructura cristalina de la martensita (conocida como estructura monoclínica o B19') tiene la capacidad única de sufrir una deformación limitada de algunas maneras sin romper los enlaces atómicos. Este tipo de deformación se conoce como maclamiento , que consiste en el reordenamiento de planos atómicos sin provocar deslizamiento, ni deformación permanente. De esta manera puede soportar entre un 6% y un 8% de tensión. Cuando la martensita se convierte en austenita mediante calentamiento, se restaura la estructura austenítica original, independientemente de si la fase martensita se deformó. De este modo, se "recuerda" la forma de la fase de austenita a alta temperatura, aunque la aleación se deforme gravemente a una temperatura más baja. [12]

Vista 2D de la estructura cristalina del nitinol durante el ciclo de enfriamiento/calentamiento

Se puede producir una gran presión evitando la reversión de la martensita deformada a austenita, desde 240 MPa (35 000 psi) hasta, en muchos casos, más de 690 MPa (100 000 psi). Una de las razones por las que el nitinol trabaja tan duro para volver a su forma original es que no es sólo una aleación de metal ordinaria, sino lo que se conoce como un compuesto intermetálico . En una aleación ordinaria, los constituyentes están colocados aleatoriamente en la red cristalina; En un compuesto intermetálico ordenado, los átomos (en este caso, níquel y titanio) tienen ubicaciones muy específicas en la red. [13] El hecho de que el nitinol sea un intermetálico es en gran medida responsable de la complejidad en la fabricación de dispositivos fabricados a partir de la aleación. [ ¿por qué? ]

El efecto de la composición de nitinol sobre la temperatura M s .

Para fijar la "forma original", la aleación debe mantenerse en su posición y calentarse a aproximadamente 500 °C (930 °F). Este proceso suele denominarse configuración de forma . [14] Un segundo efecto, llamado superelasticidad o pseudoelasticidad, también se observa en el nitinol. Este efecto es el resultado directo del hecho de que la martensita se puede formar aplicando tensión y enfriando. Por lo tanto, en un cierto rango de temperatura, se puede aplicar una tensión a la austenita, lo que provoca que se forme martensita y al mismo tiempo cambie de forma. En este caso, tan pronto como se elimine la tensión, el nitinol volverá espontáneamente a su forma original. En este modo de uso, el nitinol se comporta como un súper resorte, poseyendo un rango elástico de 10 a 30 veces mayor que el de un material de resorte normal. Sin embargo, existen limitaciones: el efecto sólo se observa hasta aproximadamente 40 °C (72 °F) por encima de la temperatura A f . Este límite superior se denomina M d , [15] y corresponde a la temperatura más alta a la que todavía es posible inducir la formación de martensita mediante tensión. Por debajo de Md , la formación de martensita bajo carga permite la superelasticidad debido al maclado. Por encima de Md , dado que ya no se forma martensita, la única respuesta al estrés es el deslizamiento de la microestructura austenítica y, por tanto, la deformación permanente.

El nitinol normalmente está compuesto de aproximadamente 50 a 51 % de níquel por porcentaje atómico (55 a 56 % por ciento en peso). [13] [16] Hacer pequeños cambios en la composición puede cambiar significativamente la temperatura de transición de la aleación. Las temperaturas de transformación en nitinol se pueden controlar hasta cierto punto, donde la temperatura Af varía de aproximadamente -20 a +110 °C (-4 a 230 °F). Por lo tanto, es una práctica común referirse a una formulación de nitinol como "superelástica" o "austenítica" si Af es inferior a una temperatura de referencia, mientras que como "memoria de forma" o "martensítica" si es superior. La temperatura de referencia suele definirse como la temperatura ambiente o la temperatura del cuerpo humano (37 °C o 99 °F).

Un efecto que se encuentra a menudo con respecto al nitinol es la llamada fase R. La fase R es otra fase martensítica que compite con la fase martensita mencionada anteriormente. Debido a que no ofrece los grandes efectos de memoria de la fase martensita, normalmente no tiene un uso práctico.

Fabricación

El nitinol es sumamente difícil de producir debido al control de composición excepcionalmente estricto requerido y a la tremenda reactividad del titanio. Cada átomo de titanio que se combina con oxígeno o carbono es un átomo que es robado de la red de NiTi, cambiando así la composición y reduciendo la temperatura de transformación.

Hay dos métodos de fusión principales que se utilizan en la actualidad. La refundición por arco al vacío (VAR) se realiza generando un arco eléctrico entre la materia prima y una placa de cobre enfriada por agua. La fusión se realiza en alto vacío y el molde en sí es de cobre enfriado por agua. La fusión por inducción al vacío (VIM) se realiza mediante el uso de campos magnéticos alternos para calentar las materias primas en un crisol (generalmente carbono). Esto también se hace en alto vacío. Si bien ambos métodos tienen ventajas, se ha demostrado que un material fundido VIM industrial de última generación tiene inclusiones más pequeñas que uno VAR industrial de última generación, lo que conduce a una mayor resistencia a la fatiga. [17] Otra investigación informa que el VAR que emplea materias primas de extrema pureza puede conducir a una reducción del número de inclusiones y, por tanto, a un mejor comportamiento de fatiga. [18] También se utilizan otros métodos a escala boutique, incluida la fusión por arco de plasma, la fusión del cráneo por inducción y la fusión por haz de electrones. La deposición física de vapor también se utiliza a escala de laboratorio.

El tratamiento térmico del nitinol es delicado y crítico. Es un proceso intensivo en conocimiento para ajustar las temperaturas de transformación. El tiempo de envejecimiento y la temperatura controlan la precipitación de varias fases ricas en Ni y, por lo tanto, controlan la cantidad de níquel que reside en la red de NiTi; Al agotar la matriz de níquel, el envejecimiento aumenta la temperatura de transformación. La combinación de tratamiento térmico y trabajo en frío es esencial para controlar las propiedades de los productos de nitinol. [19]

Desafíos

Las fallas por fatiga de los dispositivos de nitinol son un tema constante de discusión. Debido a que es el material elegido para aplicaciones que requieren enorme flexibilidad y movimiento (por ejemplo, stents periféricos , válvulas cardíacas, actuadores termomecánicos inteligentes y microactuadores electromecánicos), está necesariamente expuesto a tensiones de fatiga mucho mayores en comparación con otros metales. Si bien el rendimiento del nitinol frente a la fatiga controlada por deformación es superior al de todos los demás metales conocidos, se han observado fallas por fatiga en las aplicaciones más exigentes; Se están realizando muchos esfuerzos para comprender y definir mejor los límites de durabilidad del nitinol.

El nitinol es mitad níquel y, por lo tanto, ha habido una gran preocupación en la industria médica con respecto a la liberación de níquel, un alérgeno conocido y posible carcinógeno. [19] (El níquel también está presente en cantidades sustanciales en el acero inoxidable y en las aleaciones de cobalto-cromo que también se utilizan en la industria médica). Cuando se trata (mediante electropulido o pasivación ), el nitinol forma una capa protectora de TiO 2 muy estable que actúa como un agente eficaz. y barrera autocurativa contra el intercambio iónico; demostrando repetidamente que el nitinol libera níquel a un ritmo más lento que el acero inoxidable, por ejemplo. Los primeros dispositivos médicos de Nitinol se fabricaron sin electropulido y se observó corrosión. [ cita necesaria ] Los stents metálicos vasculares autoexpandibles de nitinol actuales no muestran evidencia de corrosión o liberación de níquel, y los resultados en pacientes con y sin alergias al níquel son indistinguibles. [ cita necesaria ]

Hay discusiones constantes y de larga duración [ ¿por quién? ] respecto a las inclusiones en nitinol, tanto TiC como Ti 2 NiO x . Como en todos los demás metales y aleaciones, en el nitinol se pueden encontrar inclusiones. El tamaño, la distribución y el tipo de inclusiones se pueden controlar hasta cierto punto. En teoría, inclusiones más pequeñas, redondas y con pocas inclusiones deberían conducir a una mayor durabilidad a la fatiga. En la literatura, algunos trabajos iniciales informan que no han logrado mostrar diferencias mensurables, [20] [21] mientras que estudios novedosos demuestran una dependencia de la resistencia a la fatiga del tamaño de inclusión típico en una aleación. [17] [18] [22] [23] [24]

El nitinol es difícil de soldar, tanto consigo mismo como con otros materiales. La soldadura láser de nitinol consigo mismo es un proceso relativamente rutinario. Se han realizado uniones fuertes entre alambres de NiTi y alambres de acero inoxidable utilizando relleno de níquel. [25] Se han realizado soldaduras con láser y gas inerte de tungsteno (TIG) entre tubos de NiTi y tubos de acero inoxidable. [26] [27] Se están realizando más investigaciones sobre otros procesos y otros metales a los que se puede soldar el nitinol.

La frecuencia de actuación del nitinol depende de la gestión del calor, especialmente durante la fase de enfriamiento. Se utilizan numerosos métodos para aumentar el rendimiento de refrigeración, como aire forzado, [28] líquidos que fluyen, [29] módulos termoeléctricos (es decir, bombas de calor Peltier o semiconductores), [30] disipadores de calor, [31] materiales conductores [32] y mayor relación superficie-volumen [33] (mejoras hasta 3,3 Hz con cables muy delgados [34] y hasta 100 Hz con películas delgadas de nitinol [35] ). La activación de nitinol más rápida registrada fue realizada por una descarga de condensador de alto voltaje que calentó un cable SMA en microsegundos y dio como resultado una transformación de fase completa (y altas velocidades) en unos pocos milisegundos. [36]

Avances recientes han demostrado que el procesamiento de nitinol puede ampliar las capacidades termomecánicas, permitiendo integrar múltiples memorias de forma dentro de una estructura monolítica. [37] [38] La investigación sobre la tecnología de memoria múltiple está en curso y puede ofrecer dispositivos de memoria de forma mejorados en un futuro próximo, [39] [40] y la aplicación de nuevos materiales y estructuras de materiales, como materiales híbridos con memoria de forma ( SMM) y compuestos con memoria de forma (SMC). [41]

Aplicaciones

Un clip de nitinol doblado y recuperado después de haber sido colocado en agua caliente.

Hay cuatro tipos de aplicaciones comúnmente utilizadas para nitinol:

Recuperación gratuita
El nitinol se deforma a baja temperatura, permanece deformado y luego se calienta para recuperar su forma original mediante el efecto de memoria de forma.
Recuperación limitada
Similar a la recuperación gratuita, excepto que la recuperación se impide rígidamente y, por lo tanto, se genera estrés.
producción de trabajo
Se permite que la aleación se recupere, pero para hacerlo debe actuar contra una fuerza (realizando así trabajo).
superelasticidad
El nitinol actúa como un súper resorte gracias al efecto superelástico.

Los materiales superelásticos sufren una transformación inducida por tensión y son comúnmente reconocidos por su propiedad de "memoria de forma". Debido a su superelasticidad, los alambres de NiTi exhiben un efecto "elastocalórico", que es un calentamiento/enfriamiento activado por tensión. Actualmente se están investigando los alambres de NiTi como el material más prometedor para esta tecnología. El proceso comienza con una carga de tracción sobre el cable, lo que hace que el fluido (dentro del cable) fluya hacia HHEX (intercambiador de calor caliente). Al mismo tiempo, se expulsará calor, que puede utilizarse para calentar el entorno. En el proceso inverso, la descarga por tracción del cable hace que el fluido fluya hacia CHEX (intercambiador de calor frío), lo que hace que el cable de NiTi absorba calor del entorno. Por lo tanto, la temperatura del entorno se puede disminuir (enfriar).

Los dispositivos elastocalóricos a menudo se comparan con los dispositivos magnetocalóricos como nuevos métodos de calentamiento/enfriamiento eficiente. El dispositivo elastocalórico fabricado con cables de NiTi tiene una ventaja sobre el dispositivo magnetocalórico fabricado con gadolinio debido a su potencia de enfriamiento específica (a 2 Hz), que es 70 veces mejor (7 kWh/kg frente a 0,1 kWh/kg). Sin embargo, los dispositivos elastocalóricos fabricados con alambres de NiTi también tienen limitaciones, como su corta vida a la fatiga y la dependencia de grandes fuerzas de tracción (consumo de energía).

En 1989 se realizó una encuesta en Estados Unidos y Canadá en la que participaron siete organizaciones. La encuesta se centró en predecir la tecnología, el mercado y las aplicaciones futuras de los SMA. Las empresas predijeron los siguientes usos del nitinol en orden decreciente de importancia: (1) Acoplamientos, (2) Biomédicos y médicos, (3) Juguetes, demostración, artículos novedosos, (4) Actuadores, (5) Motores térmicos, (6 ) Sensores, (7) Casquillos con memoria de matriz y burbuja activados criogénicamente y, finalmente, (8) dispositivos de elevación. [42]

Actuadores térmicos y eléctricos.

Aplicaciones biocompatibles y biomédicas.

Sistemas de amortiguación en ingeniería estructural.

Otras aplicaciones y prototipos

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Otras lecturas

Un proceso para fabricar piezas y formas de Nitinol Tipo 60 que tiene un efecto de memoria de forma, que comprende: seleccionar un Nitinol Tipo 60. Inventor G, Julien, director ejecutivo de Nitinol Technologies, Inc. (estado de Washington)

enlaces externos

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