L'alliage d'iridium de platine: un matériau clé dans les industries médicale, aérospatiale et des semi-conducteurs

Le platine-iridium est décrit dans la plupart des introductions courtes comme du platine avec une petite addition d'iridium, et cette phrase supprime le seul chiffre dont un acheteur a besoin. La teneur en iridium est la spécification. Elle détermine la dureté, la résistance à la corrosion, la façon dont l'alliage peut être travaillé, et le prix, et la gamme qui est effectivement vendue va de quelques pour cent à trente pour cent avec un comportement très différent à chaque étape.

La même propriété qui rend l'alliage utile dans trois industries est la raison pour laquelle le chiffre est important. L'iridium est l'un des rares métaux qui augmente la dureté du platine sans détruire sa stabilité chimique, donc une petite addition transforme un métal mou et facilement déformable en un matériau trempé à ressort qui conserve un tranchant et résiste à l'usure. Ajoutez-en plus et la dureté augmente encore tandis que la capacité de travail à froid diminue, jusqu'à ce que l'alliage doive être travaillé à chaud et que le rendement du fil fini devienne le coût dominant.

Cette page présente les étapes de composition qui sont effectivement échangées, ce que chacune achète dans une électrode médicale, dans un composant d'allumage et dans une sonde de test, et la limitation à haute température que l'alliage partage avec l'iridium pur et qu'aucun titre de fiche technique ne mentionne.

Le tableau donne les propriétés qui changent avec la teneur en iridium, en utilisant des valeurs publiées pour les compositions courantes. Lorsqu'une propriété n'est pas publiée pour une composition, la cellule l'indique, car un chiffre interpolé dans un tableau de matériaux est pire qu'une cellule vide.

Deux choses méritent d'être notées dans ce tableau. La densité augmente avec la teneur en iridium et ce de manière monotone, passant de 21,45 pour le platine pur à 21,69 à 30 % d'iridium, car l'iridium est le plus dense des deux métaux avec 22,56 g/cm3. Et le saut de dureté du platine pur au PtIr 10 est beaucoup plus important que le saut du PtIr 10 au PtIr 20, c'est pourquoi l'alliage à 10 % supporte la majeure partie du travail médical et instrumental : il capture la majeure partie du bénéfice de dureté tout en restant un matériau qui peut être étiré, laminé et formé avec des outils normaux.

La gamme de composition qui est couramment stockée est plus étroite que la gamme techniquement possible. DLX fournit du platine-iridium dans les grades 5, 10 et 15 % d'iridium en standard, avec des teneurs plus élevées produites sur commande, et le conseil pratique pour une nouvelle conception est de commencer à 10 % et de monter uniquement lorsqu'une mesure d'usure ou de dureté montre que 10 % ne suffit pas.

Une électrode stimulante doit faire trois choses à la fois. Elle doit faire passer la charge dans les tissus sans se corroder, elle doit survivre à des millions de cycles sans changer de forme, et elle doit être fabriquable en une forme petite et souvent complexe. Le platine-iridium à 10 % est la composition qui équilibre ces trois aspects, et les raisons sont électrochimiques et mécaniques et non marketing.

La raison électrochimique est la largeur de la fenêtre dans laquelle le métal est passif. Le platine et ses alliages sont utilisés car ils ne se dissolvent pas aux potentiels atteints par une impulsion de stimulation, et l'addition d'iridium améliore la résistance à la corrosion sous des cycles répétés sans introduire de phase qui se corroderait sélectivement. La raison mécanique est que l'alliage à 10 % est suffisamment dur pour résister à la déformation lors du sertissage et de l'insertion, et suffisamment ductile pour être étiré en fil ou formé en anneau sans se fissurer.

Trois formes de produits découlent de ces exigences. Une électrode de stimulateur cardiaque ou de neuromodulation est généralement un fil, un anneau ou une pointe usinée à partir de barre. Une bande de marquage de stent est un anneau fin. Un insert d'instrument chirurgical est une petite pièce usinée. Les trois sont commandés par composition, par forme et par état de surface, et l'état de surface est important car une rayure sur une électrode implantée est un site de concentration de charge.

L'application aérospatiale généralement décrite comme un composant de moteur de fusée est plus précisément un composant d'allumage. Le platine-iridium apparaît dans les électrodes de bougies d'allumage et les pointes d'allumeurs, où l'alliage résiste à l'érosion par arc et conserve un tranchant sous des décharges répétées, et il apparaît dans de petites pièces de capteurs et de contacts. Ce n'est pas le matériau d'une chambre de combustion ou d'une tuyère, qui sont construits à partir d'alliages de nickel, d'alliages de cuivre ou de composites de carbone en fonction de la stratégie de refroidissement.

Cette distinction est importante pour un acheteur car les deux demandes s'adressent à des fournisseurs différents. Une demande d'électrodes d'allumage en platine-iridium est une petite pièce de métal précieux avec une exigence d'usure. Une demande de chambre de poussée est un grand composant structurel avec une exigence thermique, et le platine-iridium n'est pas un candidat quel que soit le prix.

La même logique s'applique à la liste des semi-conducteurs. L'alliage apparaît dans les sondes de test et dans certaines sources de creusets et d'évaporation, où sa dureté et son inertie chimique sont utilisées à petite échelle. Il n'apparaît pas comme matériau structurel dans une usine de plaquettes, et une page qui liste la fabrication de semi-conducteurs sans nommer la sonde ou le creuset a décrit une industrie et non une application.

L'iridium s'oxyde à l'air à haute température pour former un oxyde volatil, et l'oxyde quitte la surface et ne reste pas sur celle-ci comme une couche protectrice. La conséquence pour une pièce en platine-iridium est une perte lente d'iridium de la couche superficielle à des températures supérieures à environ 1 000 °C dans une atmosphère oxydante, ce qui modifie à la fois la composition et les dimensions d'une section mince.

C'est la raison pour laquelle une électrode en platine-iridium est utilisée dans une application d'allumage et non comme élément de four, et la raison pour laquelle l'alliage est spécifié pour des conditions de vide, d'atmosphère inerte ou réductrice lorsqu'il fonctionne à chaud. À l'air à température, le métal ne se dégrade pas par un mécanisme spectaculaire. Il devient simplement plus mince, et l'iridium qui lui a donné sa dureté est la partie qui part.

Deux conséquences pratiques en découlent. Un fil fin ou une pointe de sonde fine à l'air au-dessus de 1 000 °C doit être traité comme un consommable avec une durée de vie limitée et non comme un composant permanent. Et une pièce qui a été utilisée dans ce service doit être vérifiée par poids et par dimension et non par apparence, car la perte est suffisamment uniforme pour être invisible jusqu'à ce que la section soit disparue.

Le platine-iridium écrouit rapidement, et la fenêtre de travail se rétrécit à mesure que la teneur en iridium augmente. La séquence pratique pour le fil est de partir d'un lingot coulé ou fritté, de le travailler à chaud en barre, puis de l'étirer avec un recuit entre les passes. Le nombre de passes entre les recuits diminue à mesure que la teneur en iridium augmente, et au sommet de la gamme, le matériau est difficile à étirer du tout.

La conséquence commerciale est que le prix d'une pièce en platine-iridium est déterminé par le rendement de la voie de travail autant que par le métal lui-même. Une spécification qui demande un diamètre et une tolérance difficiles à étirer entraînera un coût qui n'a rien à voir avec la teneur en iridium, et un acheteur comparant deux devis pour le même alliage nominal peut comparer deux rendements différents.

Six éléments décident d'un devis de platine-iridium, et le premier est l'élément que la plupart des demandes laissent vague.

DLX fournit du platine-iridium à Changzhou, Jiangsu, sous forme de fil, tube, anneau, bande et barre, dans les grades 5, 10 et 15 % d'iridium en standard et dans des teneurs plus élevées sur commande. Les formes comprennent le fil fin pour les électrodes et les sondes, le tube pour les bandes de marquage, l'anneau pour les pièces d'instruments et le fil à ressort pour les mécanismes de précision.

Le matériau est fourni conformément à la composition indiquée sur la commande, avec un certificat EN 10204 3.1 sur demande et le numéro de lot traçable aux résultats des tests. La question qui détermine un devis est la teneur en iridium ainsi que la forme, car ces deux éléments définissent la voie de travail et le rendement avant toute discussion sur le prix.

Cela signifie généralement 10 %, et parfois 5 ou 15 %. L'expression est utilisée car l'addition d'iridium est faible par rapport à la teneur en platine, mais la différence entre 5 % et 15 % est la différence entre un fil facile à étirer et un matériau qui nécessite un programme de travail minutieux. Une spécification doit indiquer le pourcentage et non l'adjectif.

Parce qu'il capture la majeure partie du bénéfice de dureté de l'iridium tout en restant un matériau qui peut être étiré et formé avec des outils normaux. Il résiste à la corrosion sous des cycles de charge répétés, il conserve sa forme lors du sertissage et de l'insertion, et il peut être fabriqué sous les formes de fil, d'anneau et usinée dont un implant a besoin. Des teneurs plus élevées en iridium sont de plus en plus difficiles à travailler, ce qui augmente le coût d'une pièce généralement petite.

Il est utilisé dans les composants d'allumage tels que les électrodes de bougies d'allumage et les pointes d'allumeurs, et non comme matériau structurel pour une chambre ou une tuyère. Ces pièces plus grandes sont construites à partir d'alliages de nickel, d'alliages de cuivre ou de composites de carbone en fonction de la stratégie de refroidissement. Une demande de matériel moteur en platine-iridium est généralement une demande d'électrode.

Suffisamment bien pour une électrode et pas suffisamment bien pour être choisi pour sa conductivité. Le platine a une résistivité environ six fois supérieure à celle du cuivre, et l'addition d'iridium ne l'améliore pas. L'alliage est sélectionné pour sa stabilité chimique, sa dureté et sa résistance à l'usure, et la conductivité est une propriété qui se trouve être adéquate et n'est pas la raison du choix.

L'iridium forme un oxyde volatil qui quitte la surface au lieu de construire une couche protectrice, de sorte que l'alliage perd lentement de l'iridium de la couche superficielle. Dans une section mince, cela se traduit par une réduction des dimensions et un changement de composition. L'alliage est utilisé à chaud sous vide, sous gaz inerte ou dans des conditions réductrices, et une pièce qui fonctionne à chaud à l'air doit être traitée comme un consommable.

Pour deux raisons qui se cumulent. L'iridium est beaucoup plus cher que le platine, donc le coût du métal augmente avec le pourcentage. Et la fenêtre de travail se rétrécit à mesure que l'iridium augmente, donc le nombre de passes d'étirage entre les recuits diminue et le rendement du fil fini chute. Le second effet est souvent plus important que le premier pour un fil fin.

Le platine-iridium est un alliage de platine dont la spécification est sa teneur en iridium. À 10 %, il est suffisamment dur pour résister à l'usure et suffisamment ductile pour être étiré en fil et formé en anneaux dont les travaux médicaux et instrumentaux ont besoin. À 20 % et plus, il résiste davantage à l'érosion par arc et à l'usure, au prix d'une fenêtre de travail qui se rétrécit jusqu'à ce que le travail à chaud devienne la seule voie.

Deux limites appartiennent à la spécification et non à la brochure. L'alliage perd de l'iridium sous forme d'oxyde volatil à l'air au-dessus d'environ 1 000 °C, donc une pièce chaude nécessite un vide, un gaz inerte ou une durée de vie consommable. Et sa conductivité est adéquate et non exceptionnelle, donc une conception qui le sélectionne pour ses performances électriques l'a sélectionné pour la mauvaise raison.

Données de propriété publiées pour les alliages de platine-iridium, donnant une densité de 21,56 g/cm3 pour le grade à 10 % d'iridium, 21,61 pour 20 %, et 21,69 pour 30 %, et un point de fusion d'environ 1 800 °C pour le grade à 10 %.

Données de fournisseur publiées pour platine 90 iridium 10, donnant une dureté Brinell de 130 à 190, une résistance à la traction de 380 à 620 MPa, une densité de 21,56 g/cm3, et un point de fusion d'environ 1 800 °C.

Données de référence publiées pour le système platine-iridium, donnant une dureté Vickers d'environ 56 pour le platine pur, les compositions courantes 90:10 et 70:30, et l'augmentation de dureté que produit l'addition d'iridium.

Données de matériaux publiées pour l'iridium, donnant une densité de 22,56 g/cm3 et un point de fusion d'environ 2 446 °C, comme base de la tendance de densité dans la série d'alliages.

Études d'oxydation publiées sur l'iridium et les alliages contenant de l'iridium, rapportant une perte de poids due à l'oxydation à l'air à 1 000 °C et identifiant l'oxyde volatil comme le mécanisme par lequel l'iridium quitte la surface.

Données publiées sur la pression de vapeur du platine, de l'iridium et du rhodium dans la plage de 1 000 à 1 750 °C, comme base de la déclaration de perte à haute température.

Documents ISO 5832 et ASTM F75 famille pour les matériaux implantables, comme cadre général dans lequel un matériau d'électrode médicale est qualifié, notant qu'un grade spécifique de platine-iridium est qualifié par le fabricant du dispositif selon la norme applicable.

EN 10204, documents d'inspection, pour la définition du certificat 3.1 comme document portant les résultats de tests réels et approuvé par le représentant indépendant de l'inspection du fabricant.

Les compositions et les valeurs de propriétés ci-dessus sont des valeurs publiées pour les grades nommés, et ne sont pas des limites d'acceptation pour un lot livré. Les propriétés de dureté et de traction dépendent de la quantité de travail à froid et du traitement de recuit, donc une valeur citée pour un tempérament ne décrit pas un autre. La densité est une propriété de la composition et est utilisée ici pour montrer la tendance à travers la série. Le comportement d'oxydation décrit s'applique à l'air à température, et le taux dépend de la température, du débit de gaz et du rapport surface/volume de la pièce, donc une application à chaud doit être qualifiée par test et non par une seule limite de température. Les grades de platine-iridium à usage médical sont qualifiés par le fabricant du dispositif selon la norme applicable, et la fourniture de l'alliage ne constitue pas en soi cette qualification. Les spécifications produit sont révisées, et l'édition nommée sur le bon de commande fait foi. Rien dans cette page ne remplace une approbation technique ou les tests de qualification convenus entre l'acheteur et le fournisseur.