金屬加工技術拓展高性能合金的應用Metalworking Techniques Unlock a Unique Alloy

金屬加工技術拓展高性能合金的應用
Metalworking Techniques Unlock a Unique Alloy

鎳鈦合金60應用于國際空間站上的水處理系統

半個多世紀以前，美國海軍軍械實驗室發現了一種性能優異的合金材料——鎳鈦合金60。該合金材料含60%鎳和40%鈦，能夠耐受飛行器再入大氣層時的嚴酷環境，可用于制造火箭的鼻錐。之后，海軍軍械實驗室在火箭和地雷探測器等領域中對該合金材料進行了多次試驗。試驗結果表明，該合金材料的加工非常困難，不具備實用價值。

最后，海軍軍械實驗室在發表了該項研究成果后，放棄了對該合金材料的應用研究。雖然從那時起，鎳鈦合金60已被業界所熟知，但在接下來的50多年里對該材料的研究一直處于沉睡狀態，直到一位滾珠軸承工程師與美國國家航空航天局（NASA）技術專家合作找出了一種簡單的方法，可將其加工成有用的部件。否則，鎳鈦合金60的應用潛力可能還要繼續被埋沒。

2000年，位于美國康涅狄格州西哈特福市的艾伯特?鮑爾（Abbot Ball）公司的工程師Glenn Glennon認為，鎳鈦合金60可能是解決長期困擾滾珠軸承行業的一個問題的有效方案。他說：“通常情況下，軸承都是由硬度較高的不銹鋼制作而成的。但不銹鋼的成本很高，且不能夠長期耐受腐蝕環境的侵蝕。經過了解，我們認為，這種狀況可能可通過使用性能更好的鎳鈦合金60來改變。”

然而，Abbot Ball公司是一家小企業，沒有充足的資源開展這項研發工作，因此，Glenn Glennon獨自承擔了大量的研究工作。在研究過程中，為了推動鎳鈦合金60的應用技術研究，他向NASA格倫研究中心尋求幫助，但是最初遭到了回絕。格倫研究中心的高級技術專家Christopher DellaCorte說：“由于多種原因，我對開展鎳鈦合金60測試的想法一點都不感興趣。首先，我們不愿做類似于對產品進行認證的事情。另外，我對將鎳鈦合金60用作軸承材料的想法也持懷疑態度，因為該材料中含有大量的鈦。鈦憑借較高的強度和輕質特性在航天工程領域備受青睞，但由于鈦具有較高的反應活性，油性潤滑劑應用于鈦部件時很快就會分解，導致較為嚴重的磨損。”面對這種情況，Glenn Glennon仍堅持鎳鈦合金60在軸承中具有特殊應用前景，并強調不會利用NASA的參與和支持開展宣傳。這種執著最終打動了Christopher DellaCorte。最后雙方約定，如果Abbott Ball公司能夠提供小部分的零件，格倫研究中心就將為其提供一系列的標準測試。

將鎳鈦合金60加工制造成高質量零件是其應用首先要克服的難題。此前，Abbott Ball公司一直采用鑄造成形技術，但這種制造工藝非常粗糙，不僅不能制造出足夠光滑的軸承滾珠，而且鈦一旦融化，就非常容易吸收碳或氧等污染物，最終導致產品產生缺陷。Christopher DellaCorte建議Abbott Ball公司采用粉末冶金技術。通過粉末冶金，粉末狀的材料粒子相結合，壓縮在容器中，然后將混合物加熱至接近材料熔點的溫度，混合物中的原子相互擴散以固態形式結合。粉末冶金不僅能夠降低產品制造的溫度，還能夠減少污染物，避免對合金材料的性能產生影響。通過此方法，Abbott Ball公司制作出了光滑的滾珠軸承。NASA格倫研究中心的技術專家對這些樣品進行了測試。測試結果表明，鎳鈦合金60擁有軸承材料所需的所有強度性能，以及良好的耐腐蝕性能和潤滑性能，性能可與最好的軸承鋼相媲美。

Glenn Glennon復興鎳鈦合金60的努力最終取得了成效。Abbott Ball公司與格倫研究中心合作，進一步優化了鎳鈦合金60的粉末冶金加工工藝，并共同申請了專利。

軸承材料需具有硬度高、耐腐蝕、重量輕、無磁性或彈性大等特性，而這些特性通常不能同時獲得，因此，工程師在為特殊應用選擇軸承時需要綜合考慮多種因素，對某些性能進行折中考慮。而鎳鈦合金60擁有所要求的全部特性，是制造軸承的理想材料。不過，鎳鈦合金60的生產成本較高，因此，目前主要應用于航天領域，應用市場較小。Abbott Ball公司正在為新產品開拓其它應用領域，如利用該材料的硬度和耐腐蝕性制作廚房刀具等。美國海軍已授出了2項小企業創新研究（SBIR）計劃合同，共同探討該材料在多種國防部件中的應用。同時，Abbott Ball公司還在探索鎳鈦合金60在手術刀等醫療器械中的應用。

格倫研究中心的工程師也在不斷測試和改進該合金材料，并已申請了幾項專利技術。例如，工程師通過在該合金材料中添加少量其它成分，在不影響其質量性能的前提下降低了加工溫度，提高了加工性能。格倫研究中心還與Abbott Ball公司合作為國際空間站的污水處理系統提供了采用鎳鈦合金60制造的軸承。

從某種意義上來說，格倫研究中心與Abbott Ball公司的合作，造就了鎳鈦合金60在太空和地球上應用的光明前景。Glenn Glennon非常感謝Abbott Ball公司在沒有任何確定回報的情況下對此項目的資金支持。而Christopher DellaCorte則希望人們能記得，正是Glenn Glennon的執著，才使鎳鈦合金60在沉睡50多年后獲得了成功應用。 (甜 譯)

▲ 鎳鈦合金60可用于制造滾珠軸承