Эволюция поверхности и коррозионные характеристики термообработанного на воздухе биосовместимого сплава на основе TiNi
DOI:
https://doi.org/10.54708/26587572_2026_832681Ключевые слова:
Никелид титана, TiNi, термическое окисление, морфология поверхности, шероховатость, коррозионная стойкостьАннотация
Для изделий из никелида титана, предназначенных для медицинского применения, устойчивость поверхности в физиологической среде является одним из ключевых факторов, определяющих долговременную работоспособность материала. Даже при наличии естественного пассивного слоя сплавы TiNi могут подвергаться коррозионной деградации, сопровождающейся изменением состояния поверхности и риском выхода ионов никеля. В связи с этим актуальной задачей является подбор режимов поверхностной обработки, позволяющих снизить коррозионную активность материала без применения сложных или многостадийных технологий. В работе исследовано влияние термической обработки на воздухе при 300–500 ℃ в течение 60 мин на морфологию, элементный состав, шероховатость и коррозионное поведение литого сплава Ti49,8Ni50,2. Поверхность образцов изучали методами растровой электронной микроскопии, энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии и атомно-силовой микроскопии. Коррозионное поведение оценивали методом вольтамперометрии с линейной разверткой в 0,9% растворе NaCl. Показано, что обработка при 300–400 ℃ снижает скорость коррозии до 0,08–0,12×10−3 мм/год. Наиболее эффективным оказался режим 350 ℃, при котором скорость коррозии уменьшалась примерно в 31 раз по сравнению с исходным образцом. Повышение температуры до 450–500 ℃ приводило к обратному эффекту вследствие резкого развития поверхностного рельефа. Полученные корреляции создают основу для понимания термоиндуцированных поверхностных преобразований в TiNi и выбора контролируемых режимов воздушного окисления, направленных на формирование коррозионно-стойкого состояния поверхности, имеющего значение для медицинского применения сплавов на основе никелида титана.Библиографические ссылки
Yuan B., Nichols S., Zhu M., Chung C.Y. Biomedical porous shape memory alloys for hard-tissue replacement materials // Materials. 11, 1716 (2018). DOI: 10.3390/ma11091716.
Otsuka K., Ren X. Physical metallurgy of Ti-Nibased shape memory alloys // Progress in Materials Science. 50, 511–678 (2005). DOI: 10.1016/j.pmatsci.2004.10.001.
Miyazaki S., Kim H.Y., Hosoda H. Development and characterization of Ni-free Ti-based shape memory and superelastic alloys // Materials Science and Engineering: A. 438–440, 18–24 (2006). DOI: 10.1016/j.msea.2006.02.054.
Otsuka K., Wayman C.M. Shape Memory Materials. Cambridge: Cambridge University Press, 1998.
Morgan N.B. Medical shape memory alloy applications – the market and its products // Materials Science and Engineering: A. 378, 16–23 (2004). DOI: 10.1016/j.msea.2003.10.326.
Pelton A.R., Schroeder V., Mitchell M.R., et al. Fatigue and durability of Nitinol stents // Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials. 1, 153–164 (2008). DOI: 10.1016/j.jmbbm.2007.08.001.
Semin V.O., D’yachenko F.A., Erkovich A.V., Ostapenko M.G., et al. Characterization of corrosion properties, structure and chemistry of titaniumimplanted TiNi shape memory alloy // Materials Characterization. 206, 113457 (2023). DOI: 10.1016/j.matchar.2023.113457.
Semin V.O., Chernova A.P., Erkovich A.V., et al. Electrochemical properties and structure of the TiNi alloy surface layers implanted with titanium and niobium ions // Inorganic Materials: Applied Research. 15(3), 636–648 (2024). DOI: 10.1134/S2075113324700060.
Nazarov D.V., Kozlova L.A., Yudintceva N.M., et al. Atomic layer deposition of biocompatible multifunctional ZnO-TiO2 nanocoatings on the surface of additively manufactured nitinol // Applied Surface Science. 675, 160974 (2024). DOI: 10.1016/j.apsusc.2024.160974.
Vikulova E.S., Karakovskaya K.I., Korolkov I.V., et al. Application of biocompatible noble metal film materials to medical implants: TiNi surface modification // Coatings. 13(2), 222 (2023). DOI: 10.3390/coatings13020222.
Mani G., Porter D., Grove K., et al. Surface finishing of Nitinol for implantable medical devices: A review // Journal of Biomedical Materials Research Part B: Applied Biomaterials. 110(12), 2763–2778 (2022). DOI: 10.1002/jbm.b.35112.
Witkowska J., Sobiecki J., Wierzchoń T. Advancements in surface modification of NiTi alloys for orthopedic implants: focus on low-temperature glow discharge plasma oxidation techniques // International Journal of Molecular Sciences. 26(3), 1132 (2025). DOI: 10.3390/ijms26031132.
Artyukhova N.V., Anikeev S.G., Shabalina A.V., et al. Effect of different modes of electron-beam processing on structure, surface properties, corrosion resistance and martensitic transformations of TiNi-based alloy // Vacuum. 245, 114994 (2026). DOI: 10.1016/j.vacuum.2025.114994.
Long M., Rack H.J. Titanium alloys in total joint replacement – a materials science perspective // Biomaterials. 19, 1621–1639 (1998). DOI: 10.1016/S0142-9612(97)00146-4.
Williams D.F. On the mechanisms of biocompatibility // Biomaterials. 29, 2941–2953 (2008). DOI: 10.1016/j.biomaterials.2008.04.023.
Shabalovskaya S.A. Surface, corrosion and biocompatibility aspects of Nitinol as an implant material // Bio-Medical Materials and Engineering. 12(1), 69–109 (2002). DOI: 10.1177/095929892002012001007.
Saylor D.M., Sivan S., Turner P., et al. Temperature dependence of nickel ion release from Nitinol medical devices // Journal of Biomedical Materials Research Part B: Applied Biomaterials. 109, 1188–1197 (2021). DOI: 10.1002/jbm.b.34781.
Wang X., Xie D., Hou M., et al. Effects of adsorption of O2 and H2O molecules on the corrosion behavior of the NiTi alloy surface: a DFT investigation // Physical Chemistry Chemical Physics. 26, 24370–24383 (2024). DOI: 10.1039/D4CP02631D.
Hanawa T. Titanium-tissue interface reaction and its control with surface treatment // Frontiers in Bioengineering and Biotechnology. 7, 170 (2019). DOI: 10.3389/fbioe.2019.00170.
Churakova A.A., Vorobiev E.V., Iskhakova E.I. Study of the corrosion resistance of Ti-50.2 at. % Ni alloy in a weakly concentrated solution of hydrochloric acid // Materials. Technologies. Design. 7(1(20)), 66–79 (2025). DOI: 10.54708/26587572_2025_712066.
Wu J., Deng Y., Guo X., Zhou S. Effect of heat treatment on the microstructure and in-situ corrosion behavior of SLM-NiTi alloys // Materials Today Communications. 39, 108636 (2024). DOI: 10.1016/j.mtcomm.2024.108636.
Mahmud A., Wu Z., Zhang J., et al. Surface oxidation of NiTi and its effects on thermal and mechanical properties // Intermetallics. 103, 52–62 (2018). DOI: 10.1016/j.intermet.2018.09.013.
Xu C.H., Ma X.Q., Shi S.Q., et al. Oxidation behavior of TiNi shape memory alloy at 450–750 °C // Materials Science and Engineering: A. 371, 45–52 (2004). DOI: 10.1016/S0921-5093(03)00287-9.
Vojtěch D., Novák P., Novák M., et al. Cyclic and isothermal oxidations of Nitinol wire at moderate temperatures // Intermetallics. 16, 424–431 (2008). DOI: 10.1016/j.intermet.2007.12.006.
Smialek J.L., Garg A., Rogers R.B., Noebe R.D. Oxide scales formed on NiTi and NiPtTi shape memory alloys // Metallurgical and Materials Transactions A. 43(7), 2325–2341 (2012). DOI: 10.1007/s11661-011-1036-x.
Tian H., Schryvers D., Liu D., et al. Stability of Ni in Nitinol oxide surfaces // Acta Biomaterialia. 7, 892–899 (2011). DOI: 10.1016/j.actbio.2010.09.009.
Firstov G.S., Vitchev R.G., Kumar H., et al. Surface oxidation of NiTi shape memory alloy // Biomaterials. 23, 4863–4871 (2002). DOI: 10.1016/S0142-9612(02)00244-2.
ASTM G102-89(2015)e1. Standard Practice for Calculation of Corrosion Rates and Related Information from Electrochemical Measurements. West Conshohocken, PA: ASTM International, 2015.
Ou S.-F., Peng B.-Y., Chen Y.-C., Tsai M.-H. Manufacturing and characterization of NiTi alloy with functional properties by selective laser melting // Metals. 8, 342 (2018). DOI: 10.3390/met8050342.
Ng C.W., Mahmud A.S., Ahmad M.N., et al. Estimation of titanium oxide layer thickness on thermally oxidized NiTi alloy based on color variations // Materialwissenschaft und Werkstofftechnik. 53(1), 47–55 (2022). DOI: 10.1002/mawe.202100084.
Diamanti M.V., Del Curto B., Pedeferri M.P. Interference colors of thin oxide layers on titanium // Color Research & Application. 33(3), 221–228 (2008). DOI: 10.1002/col.20403.
