線性超彈性鎳鈦合金絲材特性

黃陳兵（通訊作者），吳松柏，張 凱，陳慶福

（江陰法爾勝佩爾新材料科技有限公司 江蘇 江陰 214437）

1 引言

鎳鈦合金是一種形狀記憶合金，在奧氏體狀態(tài)下具有超彈性特性，具有良好的機械性能，優(yōu)良的耐腐蝕性及生物相容性，在工業(yè)自動化控制，醫(yī)療器械等領(lǐng)域有極其重要的應(yīng)用。傳統(tǒng)超彈性狀態(tài)的鎳鈦合金通過時效熱處理工藝進行制備，拉伸測試時可獲得“旗幟”狀態(tài)的應(yīng)力應(yīng)變曲線。在介入醫(yī)療器械領(lǐng)域，因為剛性不足，鎳鈦合金導(dǎo)絲在使用過程中存在對器械支持力不足的問題，限制了鎳鈦合金在介入醫(yī)療器械領(lǐng)域更進一步的廣泛應(yīng)用。近年來發(fā)展出一種區(qū)別于傳統(tǒng)制備方法的線性超彈性合金。本文對線性超彈鎳鈦合金和傳統(tǒng)超彈鎳鈦合金的性能差異作一綜述。

2 鎳鈦合金試樣的制備方法

2.1 鎳鈦合金的冶煉

鎳鈦合金的相變溫度對鎳含量的變化十分敏感，1%的鎳含量變化能夠引起相變溫度發(fā)生100℃的變化[1]，本實驗選用合金成分為Ni50.9at%-Ti的鎳鈦合金配比，經(jīng)真空感應(yīng)熔煉成合金鑄錠。

2.2 鎳鈦合金的熱加工

鎳鈦合金具有良好的高溫延展性，當(dāng)溫度超過400℃以后，拉伸強度下降，與此相反，延伸率迅速增加[2]。但當(dāng)材料加工溫度高于900℃時，合金表面將劇烈氧化，產(chǎn)生NiTi-Ti4Ni3低熔點混合物相，該相是間隙氧污染物質(zhì)，具有脆化合金的作用[3]。因此，熱加工會在800℃左右溫度條件下進行，直至線材外徑0.62mm。

2.3 鎳鈦合金的冷加工

由于鎳鈦合金具有很高的加工硬化率，需采用合適的道次變形量和變形速度[4]。因此，在潤滑液作用下，使用碳化鎢材質(zhì)拉絲模，將絲材從0.62mm依次拉拔至0.57-0.52-0.48mm，具體工藝參數(shù)見表1。

表1 冷拉工藝參數(shù)表Table.1 Process parameter of Cold drawing

2.4 超彈性處理

經(jīng)冶煉，冷熱加工等工序處理，可獲得化學(xué)成分為Ni50.9at%-Ti，直徑0.48mm的冷拉拔態(tài)線材。一組樣品使用傳統(tǒng)熱處理工藝（500℃×5min）進行時效處理，即傳統(tǒng)超彈性鎳鈦合金線材；另一組樣品使用線性超彈性處理工藝進行加工，即線性超彈性鎳鈦合金線材。

3 線性超彈性和傳統(tǒng)超彈性鎳鈦合金對比測試

3.1 三點彎曲測試

本實驗使用美特斯CMT6104型拉伸機進行測試，在壓縮模式下，按照GB/T 232金屬材料彎曲實驗方法進行測試，測試條件如下：環(huán)境溫度24℃，濕度55%，試樣跨距25mm，施力滾柱直徑10mm，支承滾珠直徑5mm。

圖1為傳統(tǒng)超彈性絲材(a)和線性超彈性絲材(b)的三點彎曲測試位移力值曲線，表2則為對應(yīng)的三點彎曲測試結(jié)果，從表2可見，在三點彎曲條件下，線性超彈性比傳統(tǒng)超彈性的彎曲彈性模量值低32.2%，這一特性會讓線性超彈性線材有更優(yōu)異的柔韌性。在介入醫(yī)療器械導(dǎo)絲應(yīng)用領(lǐng)域，低模量，高柔韌性可以使得導(dǎo)絲有更佳的通過病變的能力，即導(dǎo)絲會有更好的推送性[5]。同時，該特性也表明，線性鎳鈦合金線材有更優(yōu)異的柔順性，可以降低導(dǎo)絲與血管或腔道的接觸力，減輕導(dǎo)絲在通過時對組織產(chǎn)生的損傷。

表2 三點彎曲測試結(jié)果Table.2 Three point bending test results

圖1 傳統(tǒng)超彈性絲材(a)和線性超彈性絲材(b)的三點彎曲測試位移力值曲線Fig.1 Three point bending test displacement force value curve of Traditional superelastic wire (a) and Linear superelastic wire (b)

3.2 拉伸測試

本實驗使用美特斯CMT6104型拉伸機進行測試，按照ASTM F2516超彈性鎳鈦合金標(biāo)準(zhǔn)拉伸測試方法進行測試，測試條件如下：環(huán)境溫度24℃，濕度55%，試樣標(biāo)距500mm，第一循環(huán)周期加載/卸載速率為20mm/min，第二循環(huán)周期加載速率200mm/min。

圖2為傳統(tǒng)超彈性絲材(a)和線性超彈性絲材(b)的拉伸測試曲線，表3則為對應(yīng)的拉伸測試結(jié)果，從圖2及表3可見，在拉伸模式下，該組對比樣品在測試進入“屈服”階段后，線性超彈性絲材有更高的加載及卸載平臺應(yīng)力，在特征位置3%應(yīng)變處，上平臺應(yīng)力提高18.8%，下平臺應(yīng)力更是提高了233.8%。該數(shù)據(jù)表明，在進入大應(yīng)變區(qū)（應(yīng)變大于2%）之后，線性超彈性合金有更高的強度，絲材的支持力會更強。在介入醫(yī)療器械導(dǎo)絲應(yīng)用領(lǐng)域，高應(yīng)變條件下，更高的剛性支持力可以使得導(dǎo)絲可以協(xié)助器械通過病變的能力得到提高[5]。

表3 拉伸測試結(jié)果Table.3 Tensile test results

圖2 線性超彈性絲材(a)和傳統(tǒng)超彈性絲材(b)的拉伸測試曲線Fig.2 The tensile test curve of Linear superelastic wire (a)and Traditional superelastic wire (b)

4 結(jié)語

從上述三點彎曲測試及拉伸測試可知，線性超彈性鎳鈦合金相對于傳統(tǒng)鎳鈦合金有更優(yōu)異的推送性，柔順性，及支撐力。在導(dǎo)絲應(yīng)用領(lǐng)域，該特性可以幫助鎳鈦合金可以更容易的通過復(fù)雜的血管或腔道，進入病變區(qū)，并且能給器械的輸送提供更高的支持力，幫助器械到達病變區(qū)。相對于傳統(tǒng)的鎳鈦合金，線性超彈性合金在介入醫(yī)療器械導(dǎo)絲應(yīng)用領(lǐng)域有著極為廣闊的前景。