醫用鎳鈦形狀記憶合金管材旋鍛的有限元模擬*

□ 劉漢源 □ 麻西群 □ 蘇連朋，2 □ 程 軍 □ 何衛敏 □ 王 云

1.西北有色金屬研究院陜西省醫用金屬材料重點實驗室 西安 710016

2.太原理工大學材料科學與工程學院 太原 030024

1 研究背景

鎳鈦形狀記憶合金憑借獨特的形狀記憶效果及良好的超彈性，在機械、醫學、土木、航空航天等領域有十分廣闊的應用前景［1-2］。尤其在醫學領域，鎳鈦形狀記憶合金具有良好的生物相容性，被廣泛用作血管支架、微創醫療器械、矯形外科器械、腦外科器械、口腔醫療器械的原材料［3-5］。鎳鈦形狀記憶合金作為制備血管支架的原材料，傳統的軋制、擠壓、拉拔等加工手段并不能滿足制備需求，目前僅有少數公司可以制備鎳鈦形狀記憶合金細徑薄壁管材，這也強烈地驅動著人們不斷探究鎳鈦形狀記憶合金細徑薄壁管材制備的新工藝。

旋轉鍛造是利用沿坯料周圍對稱分布的一對或多對錘頭繞中心旋轉，同時以高頻率將制件鍛造成型的方式，常用于航空航天空心軸類零件、非回轉類零件的高效精密制造［6］。旋鍛加工時，材料變形受三向壓應力作用，可增加零件的抗彎強度及塑韌性，提高表面尺寸精度，這為鎳鈦形狀記憶合金細徑薄壁管材的制備提供了更加多元的方向。

筆者應用有限元法對鎳鈦形狀記憶合金細徑薄壁管材的旋鍛成型進行有限元模擬，研究鎳鈦形狀記憶合金在不同工藝條件下的應力、應變、溫度等各項參數分布，確定旋鍛鎳鈦形狀記憶合金細徑薄壁管材的最優方案。

2 旋鍛模型

2.1 熱壓縮試驗及本構方程

試驗采用鎳原子數百分比含量為50.5%的鎳鈦形狀記憶合金，經650℃、2 h固溶處理后，制備成φ8 mm×12 mm的熱壓縮試樣。采用Gleeble3800熱模擬試驗機進行熱模擬壓縮試驗，獲得鎳鈦形狀記憶合金真實應力-應變曲線。試驗溫度依次設定為650℃、750℃、850℃、950℃、1 050℃， 升溫速率為10℃/s，保溫時間為 300 s，應變速率為 1 s-1、0.1 s-1、0.01s-1， 壓縮變形程度設定為60%。

采用阿倫尼烏斯本構模型，根據鎳鈦形狀記憶合金熱模擬壓縮試驗生成的真實應力-應變曲線，應用線性擬合等計算，建立鎳鈦形狀記憶合金本構方程［7］，具體參數見表 1。

2.2 旋鍛有限元建模

應用Deform-3D有限元模擬軟件，建立鎳鈦形狀記憶合金管材旋鍛模型。整個模型均質且各向同性，體積力為0，介質連續，材料滿足米澤斯屈服準則，初始應力為0，在外力作用下變形體保持平衡狀態。

應用Pro/E繪圖軟件，根據管坯、芯桿、模具的實際尺寸參數（表2），建立旋鍛三維幾何模型，并進行裝配，以.stl文件格式保存。在Deform-Mo前處理器的模型導入窗口，將管坯、芯桿、模具依次導入，管坯定義為塑性體，芯桿及模具定義為剛性體。旋鍛有限元模型如圖1所示。

表1 鎳鈦形狀記憶合金本構方程參數

▲圖1 旋鍛有限元模型

3 結果與討論

3.1 旋鍛溫度的影響

圖2為其它參數相同時，不同溫度下管坯旋鍛的最大主應力分布云圖。由圖2可知，模擬溫度依次為550℃、650℃、750℃時，管坯主變形區對應的最大壓應力依次為958 MPa、714 MPa、543 MPa，對應的最大拉應力依次為912 MPa、685 MPa、554 MPa，說明隨著旋鍛模擬溫度的升高，管坯主變形區的最大拉應力、壓應力均有明顯降低，管坯更容易成型。造成此現象的主要原因是隨著模擬過程不斷進行，材料組織結構出現大量位錯，位錯之間的相互作用導致加工硬化，同時在外載荷及熱激活能的共同作用下，位錯通過滑移、攀移、重組、合并，以及動態再結晶使材料發生動態軟化。溫度高，管坯材料的動態軟化效果明顯強于加工硬化效果，使管坯主變形區的最大拉應力、最大壓應力明顯降低。

表2 旋鍛有限元模型參數 mm

管坯主變形區溫度變化主要是管坯塑性變形功產生的熱量與管坯通過模具及周圍環境耗散的熱量共同作用的結果。

圖3為不同溫度下旋鍛模擬時管坯主變形區的溫度分布曲線。由圖3可以看出，管坯在旋鍛過程中縱向溫度分布不均勻，與模具接觸部位由于熱傳遞而溫降較大，兩模具之間的縫隙則由于熱量損失較小而溫度升高。在650℃旋鍛時，主變形區最高溫度為644℃，最低溫度為582℃，溫差達到62℃，這是由于在主變形區內塑性變形功產生了熱量。在靠近模具且變形較小的區域中，溫度較初始溫度略有降低，這是由于管坯的變形熱不足以彌補管坯和空氣之間熱傳遞損失而引起的［8］。可見，旋鍛溫度為650℃時，管坯主變形區塑性變形功產生的熱量與管坯通過模具及周圍環境耗散的熱量基本達到動態平衡，這一溫度可以作為旋鍛的最優控制溫度。

3.2 進料速度的影響

設定管坯初始溫度為650℃，變形程度為23%，進料速度依次為 3 mm/s、5 mm/s、8 mm/s時，管坯主變形區最大主應力云圖如圖4所示。由圖4可知，進料速度依次為3 mm/s、5 mm/s、8 mm/s時，管坯主變形區對應的最大壓應力依次為 1 040 MPa、714 MPa、464 MPa，對應的最大拉應力依次為912 MPa、685 MPa、640 MPa。管坯進料相同位移時，隨著進料速度的加快，管坯主變形區的最大壓應力絕對值明顯降低。這是由于進料速度較慢時，管坯與外界環境接觸所耗散的能量較多，管坯溫降較快，材料變形抗力增大，管坯主變形區的最大主應力相對增大。

圖5為在不同進料速度下旋鍛模擬時，管坯主變形區的溫度分布曲線。由圖5可見，管坯進料速度依次為3 mm/s、5 mm/s、8 mm/s時，管坯主變形區對應的最低溫度依次為516℃、582℃、602℃。進料速度越慢，管坯主變形區溫度降低越明顯，這是由于進料速度加快時，管坯與外界環境接觸所耗散的能量減少，單位時間內塑性變形的體積增大，產生的熱量增多，主變形區溫度升高［9］。因此，在保證管坯有良好塑性變形的同時，要提高旋鍛效率，選擇進料速度5 mm/s較為適宜。

▲圖3 不同溫度下管坯旋鍛主變形區溫度分布曲線

3.3 變形程度的影響

▲圖4 不同進料速度下管坯旋鍛最大主應力云圖

設定管坯初始溫度為650℃，進料速度為5 mm/s，變形程度分別為23%和38%，管坯主變形區最大主應力云圖如圖6所示。由圖6可知，變形程度分別為23%、38%時，管坯主變形區對應的最大壓應力分別為714 MPa、742 MPa，對應的最大拉應力分別為 685 MPa、786 MPa。管坯主變形區的不同區域最大主應力值差別較大，管坯進入模具口發生塑性變形處最大，說明隨著旋鍛模擬變形程度增大，管坯主變形區的最大拉應力、壓應力均有明顯增大。變形程度越大，管坯表面質量越好；變形程度越小，管坯主變形區最大主應力越小，管坯越容易成型。造成以上現象的主要原因是隨著模擬過程不斷進行，變形程度較大的管坯加工硬化程度增大，材料的變形抗力增大，因此在圖中表現為變形區主應力增大［10-11］。

設定管坯初始溫度為650℃，進料速度為5 mm/s，變形程度分別為23%、38%，管坯主變形區的溫度分布曲線如圖7所示。由圖7可知，變形程度為23%時，管坯主變形區溫度主要集中在582～644℃間；變形程度為38%時，管坯主變形區溫度主要集中在649～752℃間；變形程度越大，管坯塑性變形功產生的熱量就越大，管坯主變形區溫升也就越大。

▲圖5 不同進料速度下管坯旋鍛主變形區溫度分布曲線

▲圖6 不同變形程度下管坯旋鍛最大主應力云圖

▲圖7 不同變形程度下管坯旋鍛主變形區溫度分布曲線

3.4 鎳鈦形狀記憶合金管材旋鍛

圖 8、圖 9分別為溫度 650℃、進料速度5 mm/s、兩次旋鍛之間變形量20%的條件下旋鍛制備φ7 mm×0.3 mm鎳鈦形狀記憶合金管材的金相組織和室溫拉伸曲線。由圖可知，在此旋鍛工藝下制備的鎳鈦形狀記憶合金管材金相組織為均勻的等軸晶組織，力學性能良好。

4 結論

（1）管坯初始溫度越高、進料速度越快、變形程度越小，管坯主變形區的最大主應力絕對值就越小。

▲圖8 φ7 mm×0.3 mm鎳鈦形狀記憶合金管材金相組織

▲圖9 φ7 mm×0.3 mm鎳鈦形狀記憶合金管材室溫拉伸曲線

（2）通過有限元模擬獲得的鎳鈦形狀記憶合金管材旋鍛最優工藝參數為溫度650～750℃、進料速度5.0 mm/s、變形量 20%～25%。

（3）按所述最優工藝制備的鎳鈦形狀記憶合金管材，微觀組織為均勻等軸晶，平均晶粒尺寸為30 μm左右，力學性能良好。

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