توصيفگر ها :
آلياژ آنتروپي بالا , استنت , خواص مكانيكي , رفتار خوردگي , رهايش يون , رفتار زيستي
چكيده فارسي :
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.
چكيده انگليسي :
In recent years, high-entropy alloys have introduced a new path for the development of advanced materials with unique properties. These alloys have been studied in the fields of designing and producing alloys suitable for medical and industrial applications. Despite various options in selecting raw materials and significant advancements in manufacturing technologies and surface modifications, a 50% failure rate in stents remains a major challenge for scientists and medical professionals. Considering that cardiovascular diseases are a leading cause of mortality in various countries, the need for stents with improved properties is crucial for the scientific and medical community. In pursuit of developing alloys with enhanced properties for stent production, a new composition of high-entropy alloy CoCrFeMo0.45Ni was proposed. Based on previous research, it is expected that this alloy exhibits suitable mechanical properties (a combination of strength and flexibility) and high corrosion resistance. To produce homogeneous ingots with uniform structure and without porosity, the vacuum arc remelting (VAR) method was employed. Based on differential scanning calorimetry (DSC) test results and CALPHAD thermodynamic predictions, a temperature of 1200°C for 12 hours was chosen for the homogenization process. The homogenized samples with a cold rolling reduction of 20% to 70% were finally prepared as sheets with a thickness of 100 ± 5 µm. The CoCrFeMo0.45Ni alloy system, primarily composed of FCC phase and Mo-rich intermetallic compounds. Microstructural analysis, mechanical properties, and corrosion behavior of these samples indicated that through successive cold rolling stages, achieving higher grain refinement led to high density of dislocations and twins, resulting in high strength ranging from 800 to 1400 MPa. Subsequent annealing at three temperatures (950, 1050, and 1150°C) on the 60% cold-rolled sample increased the flexibility of the cold-rolled samples by up to 55%. These samples demonstrated comparable strength and flexibility to the alloys used in the production of similar implants, including stainless steel, nitinol, and CoCrMo-based alloys. Moreover, all samples exhibited higher corrosion resistance compared to 316L sheet, which was cold-rolled by a similar method. Among them, the corrosion resistance of the 60% cold-rolled sample showed a significant improvement (up to about 64%) in comparison with other samples, attributed to notable microstructural characteristics. The formation of a passivating film consisting of Cr and Mo oxide compounds and Cr and Ni hydroxides played a role in enhancing the corrosion resistance of this alloy. Additionally, inductively coupled plasma (ICP) test results after three months of immersion showed a significant reduction in the release of soluble ions like Ni (at least 60 times lower) compared to the L316 sample.
