Nickel-Titan-Legierungen (NiTi) finden aufgrund ihrer vorteilhaften Eigenschaften Pseudoelastizität, Formgedächtniseffekts und Biokompatibilität Anwendung in der Medizintechnik, z. B. für Stents. Neben den funktionalen Eigenschaften ist die Ausbildung oberflächennaher Schichten aufgrund einer Wärmebehandlung von Bedeutung. Diese Wärmebehandlung führt zu einem charakteristischen Verbund aus einer TiOx-Schicht direkt an der Oberfläche, einer Ni-reichen Schicht unter dem Oxid und dem eigentlichen Werkstoff NiTi. Dieser Verbund beeinflusst u. a. das Freisetzungsverhalten von Nickel. Wichtige Parameter für die Optimierung auf medizintechnische Anwendung sind die Dicke und Homogenität dieser Schichten, die eng im Zusammenhang mit der Wärme¬behand¬lung bzw. der Vorbehandlung der Oberfläche stehen [1,2].

Für die Analyse von Schichten mit Dicken < 200 nm werden Methoden mit entsprechend hoher Auflösung benötigt, beispielsweise die Transmissionselektronenmikroskopie (TEM). Allerdings sind für statistisch belastbare Aussagen und den Nachweis eventueller lokaler Effekte auch Untersuchungen entlang der Schichten, parallel zur Oberfläche, über Distanzen im höheren µm-Bereich notwendig. Diese wären mittels TEM nur mit enormem Zeit- und Kostenaufwand möglich [3-5]. Das Ziel dieser Arbeit ist es, einen geeigneten Ansatz zur Darstellung dieser Schichten über eine größere Distanz entlang der Oberfläche (⁓100 µm) zu entwickeln und gleichzeitig eine ausreichend hohe Auflösung zu erreichen, um auch wenige Nanometer dünne Bestandteile bzw. Schichtdicken möglichst präzise auswerten zu können. Dafür wird insbesondere auch eine präzise Probenpräparation benötigt, um Artefakte und Schädigung der unterschiedlich festen bzw. harten Schichten zu verhindern.

NiTi-Drähte (⁓50.8 at.% Ni, Rest Ti) mit einem Durchmesser von ⁓130 µm/⁓160 µm wurden im Querschliff präpariert. Für die Probenpräparation wurden die Drähte zunächst fixiert und in Epoxidharz eingebettet. Nach dem Einbetten wurden die Proben über mehrere Schleif- und Polierstufen (Körnung 320 bis 4000, danach Polieren mit 3 µm, 1 µm und abschließend OPS) präpariert. Vor dem Einbetten der Drähte wurden verschiedene Methoden zur mechanischen Stabilisierung getestet, wobei sich eine Beschichtung der Drähte mit Kupfer als geeignet erwiesen hat.

Im Anschluss an die Präparation wurden die Querschliffe mittels Rasterelektronen¬mikroskopie (REM), die eine ausreichend hohe Auflösung erreichen kann und größere Bildausschnitt als bei TEM ermöglicht, analysiert (Abbildung 1). Mit diesem Ansatz sind Schichten mit Dicken < 50 nm deutlich zu erkennen und über den gesamten Umfang des Drahtes mit akzeptablem Zeit- und Kostenaufwand darstellbar. In Abhängigkeit von der Wärmebehandlungsdauer und somit von der Schichtdicke lassen sich die Schichten ausmessen und statistisch bewerten. Exemplarisch wird gezeigt, dass die Vorbehandlung der Drahtoberfläche die Homogenität der Schichten nach der Wärmebehandlung beeinflusst. Weiterhin wird deutlich, dass die Oxidschicht entlang des Drahtumfanges nennenswerte Schwankungen der Dicke aufweist, die in bisher verfügbaren Studien aufgrund der Beschränkung auf kleinere Ausschnitte nicht erfasst wurden. Die hier vorgestellte Arbeit trägt somit zu einem verbesserten Verständnis von NiTi-Oxid-Verbundsystemen bei und stellt einen Ansatz für weiterführende Analysen bereit.

Referenzen:

[1] S. Nagaraja et al. Shape Memory and Superelasticity, 2022, 8, 45-63.

[2] S.H. Rosenbloom et al. Journal of Biomedical Materials Research Part B: Applied Biomaterials, 2021, 109, 1334-1343.

[3] K.E. Freiberg et al. Intermetallics, 2023, 154, 107817.

[4] K.E. Freiberg et al. Practical Metallography, 2016, 53.4, 193-205.

[5] K.E. Freiberg et al. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, 2021, 1147, 012024.