鎳鈦合金的一些特殊性質(zhì)及加工方法

金臬鈦合金的一些特殊性質(zhì)及加工方法-CAL-FENGHAI.-(YICAI)-CompanyOne1*銀鈦合金的一些特殊性質(zhì)及加工方法形狀記憶合金山（又稱為ShapeMemoryAlloys,簡稱為SMAs）存在兩種（有時(shí)具有兩種以上）晶相，這些晶相會(huì)通過無擴(kuò)散相轉(zhuǎn)變發(fā)生相互轉(zhuǎn)變.相轉(zhuǎn)變使合金表現(xiàn)出明顯的特征：超彈件和形狀記億效應(yīng)，所以其被譽(yù)為“跨世紀(jì)的新材料”利”智能合金”⑴。形狀記憶合金由美國的Olander最早開始研究，他在20世紀(jì)30年代首先發(fā)現(xiàn)馬氏體的雖隨著溫度的升高而減少，而隨著謐度降低又會(huì)增多0后來前蘇聯(lián)科學(xué)家KuMjumov等在Cu-Zn合金中也發(fā)現(xiàn)了這種現(xiàn)象并將之稱為熱彈性馬氏體相變。雖於后來科學(xué)家也發(fā)現(xiàn)了形狀記憶效應(yīng)，并證實(shí)形狀記憶效應(yīng)產(chǎn)生的原因是熱彈性馬氏體相變，但足這些發(fā)現(xiàn)并沒有引起人們對(duì)形狀記憶合金的的重視，直到20世紀(jì)60年代，Buehler等發(fā)現(xiàn)I變形的零原子比煤鈦合金在馬氏體狀態(tài)加熱能夠恢復(fù)到母相原來的形狀，至此人們才開始關(guān)注形狀記憶合金|嘰銀鈦合金由于具有較低的彈性模量〃形狀記憶效應(yīng)、超彈性、抗腐蝕性以及生物相容性而在航天，工程以及生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用［“】。在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，介入放射學(xué)、整形外科、神經(jīng)學(xué)和心臟病學(xué)等都會(huì)應(yīng)用銀鈦合金，最有代表性的就是銀欽合金支架，與傳統(tǒng)的316L不銹鋼支架相比，張鈦合金支架在抗血栓、抗腐蝕以及低彈性模量等方面表現(xiàn)優(yōu)異k6F，所以^鈦合金取代316L不銹鋼可以有效提高醫(yī)療效果。先物醫(yī)用銀欽合金支架包括絲編織支架和管切割支架，其中管切割支架的坯料為銀鈦合金管，其他醫(yī)療器械也有采用金臬鈦合金管，如導(dǎo)管利探針等。在航空領(lǐng)域，錦鈦合金管可以作為衛(wèi)星和戰(zhàn)斗機(jī)液壓系統(tǒng)的連接件，可以使運(yùn)行更穩(wěn)定和安全。塑性變形是加工銀鈦合金管的主要手段，主要工藝是擠壓利拉拔，擠壓工藝包括反擠壓、正擠壓以及可變形芯模擠壓，相比擠壓工藝，拉拔工藝制備的銀鈦合金管材可達(dá)到生物醫(yī)用級(jí)，拉拔工藝根據(jù)是否存在芯模分為四種，芯模拉拔，無芯模拉拔，浮動(dòng)芯拉拔以及固定芯拉拔，如果芯模拉拔的芯模能發(fā)生塑性變形，則芯模拉拔又稱為可變形芯模拉拔，相反芯模不發(fā)生塑性的芯模拉拔又稱為不可變形芯模拉拔口％植入人體的銀鈦合金管不僅要經(jīng)受數(shù)以百萬次的循環(huán)載荷，而且可能會(huì)有突發(fā)事件使鐮鈦合金管出現(xiàn)裂痕甚至完全斷裂〔⑴，在其他領(lǐng)域，％泉鈦合金管也需要有較高的力學(xué)性能，所以提高鎮(zhèn)鈦合金管力學(xué)性能有重要的現(xiàn)實(shí)意義。最早引起人們關(guān)注且應(yīng)用最廣泛的形狀記憶合金是近等原子比^泉鈦合金(48次％~52at%Ni)。圖11為NiTi?元合金相圖，左高溫時(shí)，近等原子比操欽合金的母相為體心立方結(jié)構(gòu)(bcc)的"相晶體結(jié)構(gòu)隨著溫度的降低發(fā)生轉(zhuǎn)變，當(dāng)溫度降至1090'C時(shí)，體心立方結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)锽2結(jié)構(gòu)(bcc-*B2),B2為CsCl型超點(diǎn)陣，點(diǎn)陣常數(shù)ao=0.301nm0銀鐵合金能在650°C發(fā)生共析轉(zhuǎn)變，低于650°C左右時(shí)，B2單相區(qū)很狹窄，僅在50.0at.%-505a〔％Ni之間存在，偏離該區(qū)域時(shí)，銀欽合金將析出gNi或lATi,而這些析出物會(huì)改變銀鈦合金的Ni的含量，由于銀鈦合金的相變溫度對(duì)Ni的含毫墩感，所以這些析出物會(huì)使相變溢度會(huì)發(fā)牛:大幅變化。1曲。1020M40507090W1S0102030405060XISOW100圖卜1NiTi二元合金相圖鎮(zhèn)鈦合金高溫時(shí)奧氏體胃相為B2晶體結(jié)構(gòu)，馬氏體晶體結(jié)構(gòu)為B19,單斜晶，如圖1-2。B2奧氏體轉(zhuǎn)變成B19嗎氏體存在兩種路徑叫一種為一種為B2—R-B19\英中R相為菱方結(jié)構(gòu)(RhombohcdraD。與B2和相比，食鈦合金的R相和B19廂的晶體學(xué)對(duì)稱性明顯隆低，這是由于R相微觀結(jié)構(gòu)為(110)利(100戊合李晶，相微觀結(jié)構(gòu)也為攣晶結(jié)構(gòu)，失去的晶體學(xué)對(duì)稱性全部轉(zhuǎn)化為攣晶對(duì)稱關(guān)系1憶罔。彳桀鈦合金的馬氏體相變是一級(jí)相變，相變發(fā)生的特征包括幸艮鈦合金的畿面有浮凸出現(xiàn)，電阻率下降，產(chǎn)生熱效應(yīng)，電子衍射花樣和X射線衍射譜出現(xiàn)突變等口民根據(jù)熱力學(xué)得知，熱彈性馬氏體相變除了存在相變阻力，還有表面能和化學(xué)自由能的變化，而且相變的發(fā)生在某一特定溫度，英中M$和Mf分別為馬氏體開始轉(zhuǎn)變和轉(zhuǎn)變結(jié)束的溫度，A,和九分別為奧土體開始轉(zhuǎn)變和轉(zhuǎn)變結(jié)束的溫度。圖1-2像飲合金的晶體緒構(gòu)；（1）奧氏體B2結(jié)構(gòu)；（2?馬氏體結(jié)構(gòu)1.2.2銀鈦合金管的應(yīng)用謀鈦合金由于具有校低的彈性楝量，形狀記憶效應(yīng)、超彈性、抗腐蝕性以及生物相容性而在航天，工程以及生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用【可口20世紀(jì)go年代問世以來，金臬鈦合金管首先用于研制腹腔鏡，由于腹腔鏡自由度較高，操作性較好，人們才開始逐步推廣該合金管在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用，8,0在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，彳桀鈦合金管主要用于支架、導(dǎo)管和探針，其直徑尺寸必須小于或等于2n）m,而衛(wèi)內(nèi)外衷向具有較小的粗糙廈。生物醫(yī)用彳桀鈦合金支架包藉山合金絲制成的絲編織支架和由合金管制成的管切劄支架。銀鈦合金支架按膨脹方式可分為球囊擴(kuò)彳爰型支架和自膨脹型支架。自膨脹型支架在植入人體前需要被壓縮放入在輸送鞘管內(nèi)，此肘的支架只發(fā)生彈性變形，支架隨同輸送鞘管被輸送到合適位置，然后彳散出輸送^管，約束力消失，支架自行恢復(fù)至原有形狀：球愛擴(kuò)張型支架首-先任體外被壓縮包蓑在球羹上，此時(shí)球囊未充氣，當(dāng)支架被輸送至患者合適位置后，對(duì)球曩充氣使其膨脹，此時(shí)支架會(huì)由于球囊膨脹而發(fā)生塑性變形，支架達(dá)到合適尺寸后撤出球黃”鐵彳生航空領(lǐng)域，衛(wèi)星和戰(zhàn)斗機(jī)重要部位的連接件也采用銀欽合金管P123銀鈦合金管的塑性加工方法銀鈦合金管材之所以廣泛應(yīng)用于航天、工程和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域是因?yàn)椋海?）較高的抗疲勞性、柔韌性以及抗彎折能力；（2）較大的徑向支撐力和變形恢復(fù)能力；（3）在體溫附近，超彈性表現(xiàn)優(yōu)異【⑼。塑性變形是加丁彳堇鈦合金管的主要手段，主要工藝是擠壓和拉拔，擠壓工藝包括反擠壓、正擠壓以及可變形芯模擠壓，拉拔工藝根據(jù)是否存在芯模分為四種：芯模拉拔，無芯模拉拔，浮動(dòng)芯槍撥以及固定芯拉拔，如果芯模拉拔的芯模能發(fā)生塑性變形，則芯模拉拔又稱為可變形芯模拉拔，相反芯模不發(fā)生羯性的芯模拉拔又稱為不可變形芯模拉拔（四）。I）銀鈦合金管的擠壓成形擠壓工藝主要分為反擠壓、正擠壓以及可變形芯模擠壓。在正擠壓前，銀鈦合金材料需加工出一定的預(yù)制孔，然后被固定在擠壓針上，在外力作用下，擠壓墊開始運(yùn)動(dòng)，銀鈦合金運(yùn)動(dòng)的方向與擠壓墊運(yùn)動(dòng)方向相同，最終制備出一定直徑的銀鈦合金管，如圖13。在正擠壓中，由于擠壓針過長會(huì)使管材祠軸度變差，管壁厚度不均，所以正擠壓適于擠壓較短的管材。在反擠壓前，銀鈦合金材料也需要加工出一定的預(yù)制孔，然后被固定在擠壓針上。在外力作用下，擠壓墊開始運(yùn)動(dòng)，銀鈦合金運(yùn)動(dòng)的方向與擠壓墊運(yùn)動(dòng)方向相反，如圖14。因?yàn)樵诜磾D壓中坯料與擠壓筒的摩擦力減小，金屬的流動(dòng)比正擠斥更加均勻，擠用載荷更小I叫在可變形芯欖擠壓之前，將其他金屬材料填充到銀欽合金材料的預(yù)制孔中，然后對(duì)躁鈦合金材料進(jìn)行正擠壓或反擠壓，最后采用化學(xué)方法除去填充金屬，得到一定尺寸的鐮鈦合金管，如圖1-5?在擠壓過程中，鐮鈦合金所受應(yīng)力為三向壓應(yīng)力，壓應(yīng)力狀態(tài)近似于靜水壓力，有利于提鬲其塑性。在可變形芯模擠壓之前，銀鈦合金坯料表面需涂抹一層銅，目的是避免其表面與擠壓針發(fā)生焊合。擠!壬模擠止墊圖1-3正擠壓原理圖才施模圖M反擠壓原理圖擠壓筒反擠醫(yī)圖1-5可變形芯模擠壓甌理圖如果為了獲得醫(yī)用毛細(xì)管材，銀鈦合金坯料在進(jìn)行擠壓時(shí)可采用靜液擠壓，因?yàn)橐话銛D壓方法只能獲得大尺寸的管材，而且靜液擠壓可利用其高壓潤滑性能和三向等靜水壓力獲得良好的組織結(jié)構(gòu)利內(nèi)外表:面質(zhì)量□鐵Muller運(yùn)用反擠壓法制備出不同尺寸的管材，就是將擠壓變細(xì)后的復(fù)合型坯料加入到大尺寸的合金坯料中，然后進(jìn)行擠壓，在運(yùn)用化學(xué)方法把填充材料清洗掉，即可得到兩種不同尺寸的管材。對(duì)于填充材料既要有和銀鈦合金相似的變形抗力，又要有不同的抗腐蝕能力，通過實(shí)驗(yàn)證明最合適的填充材料是CuCr合金〔日。2）銀鈦合金管的拉拔成形拉拔除了可以獲得絲材外，還可以制造管材。拉拔工藝根據(jù)是否存在芯模分為四種：無芯模拉拔，浮動(dòng)芯頭拉拔、固定芯頭拉拔以及芯模拉拔，而不可變形芯模拉拔和可變形芯模拉拔屬于芯模拉拔，二者的區(qū)別在于芯模是否變形。無芯拉拔如圖16所示。無芯模拉拔可以減少管坯的內(nèi)徑與外徑，而且沒與有芯頭的摩擦，減少了拉拔應(yīng)力，從而減少了斷裂幾率。但由于管內(nèi)表面沒有支推物，所以內(nèi)表面比校粗糙，甚至超過管坯，而且管壁會(huì)增厚（，5-，6]0.打腳圖1?7為固定芯拉拔原理圖。因定芯拉拔不僅能夠減小管材的內(nèi)徑和外徑尺寸，減薄壁黑，控制管材精度，而且能提升管材的內(nèi)外表面的質(zhì)量。但是固定芯拉拔同時(shí)受到模具和芯頭的縻擦，提高了拉拔應(yīng)力，使管材易于斷裂，而且其拉拔極限較低，也不能生產(chǎn)長的管材，其中球形芯頭拉拔應(yīng)力比普通芯頭拉拔小化圖1$為浮動(dòng)芯拉拔原理圖。與固定芯頭拉拔相比，浮動(dòng)芯拉拔可以加工更長的管材，而且加工效率更高P嘰但是浮動(dòng)芯拉拔絲內(nèi)外表面的質(zhì)蜃與固定芯拉拔相比較羌。管坯與模具利芯頭的摩擦力彩響浮動(dòng)芯拉拔的加工效果，摩擦系數(shù)太高會(huì)導(dǎo)致芯頭無法移動(dòng)，甚至?xí)构懿臄嗔?問。圖1?9為芯模拉拔原理圖。不可變形芯模拉拔、可變形芯模拉拔都屬于芯欖拉拔，二者的區(qū)別在于芯模是否發(fā)生塑性變形。管材經(jīng)過芯模拉拔，其拉拔極限得到明顯提離。小^徑長薄壁管材的唯一制備工藝是可變形芯橄拉拔。芯模材料決定了芯模拉拔能否順利進(jìn)行，芯模材料需要符合兩個(gè)條件：（1）屈服強(qiáng)度和塑性要與拉拔材料相似，（2）變形后要便于與母管分離。低焰點(diǎn)金屬符合條件，能夠作為芯模材料，在最后采用化學(xué)或物理方法將其與母晉分離，此外形狀記憶合金喪形后也使于與母管分離，也可作為芯模叫在不可變形芯模拉拔過程中，管材與芯模以用同速度同向運(yùn)動(dòng),可以忽略芯模與營坯內(nèi)壁之間的摩擦力，因此拉應(yīng)力校小。因?yàn)椴豢勺冃涡灸＠喂に囍苽涞墓懿牡某叽缇容^高，所以管材同軸度和骨壁厚度的均勻性較好I⑼。襟鈦合金管主契用于支架、導(dǎo)管和探針，兵直徑尺寸必須小于或等于2mm。由于固定芯拉拔只能用于制備尺寸大于4mm的管材，芯模拉拔可以制備更小尺寸的管材，但是芯模拉拔的管材內(nèi)外表面質(zhì)量低于固定芯拉