記憶合金材料加工性研究及其在星載領域的應用

□ 申志剛

南京電子技術研究所 南京 210039

1 記憶合金材料概述

顧名思義，記憶合金材料具有形狀記憶效應［1-2］。當前，記憶合金材料在我國工程、民用和醫用等領域的應用已相當廣泛，但與發達國家相比，我國在原材料制備、技術含量等方面尚存不小的差距。同時，我國對記憶合金材料加工性能方面的研究也不夠深入，這直接限制了記憶合金材料進一步在航空航天及軍工高端工程領域的應用。

根據目前報道，記憶合金材料在航空航天領域的應用主要包括可展開天線、特種管接頭、非火工分離機構、超彈性防松構件和智能結構控制件等。筆者所在單位在星載合成孔徑雷達等產品研制中，發現記憶合金材料在星載雷達天線的在軌熱控制、主動精度控制應用方面具有巨大優勢，具體包括可展開天線驅動機構、展開機構、分離機構、網面精度調整機構等。

材料應用首先面臨的是加工性問題，良好的機加工、焊接等性能可以為結構設計師提供較大的設計空間。根據現狀調研，在記憶合金材料的制備加工方面，目前醫用、民用產品已較為成熟，相應的原料制備冶煉、半成品和成品加工等技術已相對完善。在原理研究方面，對記憶合金材料基本記憶效應的研究已具備一定基礎，關于合金內部組織成分和晶體結構等對材料轉變溫度、記憶效應變形等的影響，研究也在深入開展［3-4］。

針對記憶合金材料在可展開天線在軌精度控制方面的應用，研究記憶合金材料的材料特性和加工性能，包括材料的熔煉制備、冷熱成型、切削加工性、可焊接性等，獲取這些工藝信息對各種機構的結構設計，以及加工工藝方式和參數的選擇具有指導意義。

2 記憶合金材料基本特性

記憶合金材料的形狀記憶效應于1963年由美國海軍軍械實驗室首次發現。在傳統材料的彈塑性變形和熱變形之外，記憶合金材料具備與上述變形都不同，而與記憶相關的變形特性，具有在一定的轉變溫度下記憶并恢復至母相時形狀的能力。形狀記憶效應主要有三種：單程記憶效應、雙程記憶效應和超彈性效應。根據不同的溫度和應力狀況，三種效應會單獨或同時出現。形狀記憶效應的實質是熱彈性馬氏體的轉變，通常這種轉變與冷卻時間及原子擴散沒有依賴關系。形狀記憶效應是否能夠顯現還取決于合金化學成分、晶體結構參數及顯微組織。

目前發現的記憶合金材料很多，但其中大多數并不能滿足工業應用的需求，主要可使用的記憶合金材料有鈦鎳系、銅基和鐵基。通過對轉變溫度、最大單雙程記憶效應和最大彈性變形等的比較，鈦鎳系記憶合金材料擁有最適宜的轉變溫度范圍和最佳的形狀記憶效應，目前得到了最廣泛的研究和應用［5］。

表1給出了一種典型鈦鎳系記憶合金材料的主要性能。

3 記憶合金材料在星載領域的應用

記憶合金材料問世后，受到了廣泛關注和應用，其中鈦鎳系記憶合金材料因具有優異的形狀記憶效應和超彈性，加之比強度高、抗腐蝕和生物相容性好等特點，廣泛應用于航空航天、電子、能源、民用和醫療器械等領域。

表1 鈦鎳系記憶合金材料主要性能

記憶合金材料在航空航天領域的應用主要包括可展開天線、管接頭、非火工分離機構、超彈性防松構件和智能結構控制件［5］。1969年，鈦鎳系記憶合金材料管接頭用于F-14飛機油路連接系統［6］，此種管道連接方式安全、可靠、快捷，遠勝于焊接。鈦鎳系記憶合金材料管接頭最大直徑可達150 mm，可用于海底管道。在航天領域，美國在1970年首先將鈦鎳系記憶合金材料用于制造阿波羅宇宙飛船的天線，天線發射前折成直徑5 cm的球狀，飛船進入太空后，通過加熱將鈦鎳系記憶合金絲升溫至轉變溫度，天線恢復展開為原先設定的拋物面形狀。

筆者以下從無動力驅動器、分離機構介紹記憶合金材料在星載領域的典型應用［7］。

3.1 無動力驅動器

記憶合金材料在形狀恢復過程中會產生巨大的力，能量密度高，可作為驅動機構的動力源。將記憶合金材料制作成隨溫度變化的自適應無動力驅動器，適用于開啟、閉合這樣的簡單動作場合。記憶合金材料無動力驅動器在航空航天領域已取得實際應用，如“火星探路者”號太空船測試單元防護罩的打開動作器、驅動衛星的太陽能帆板等［8］。

記憶合金材料無動力驅動器與磁致伸縮驅動器、壓電驅動器相比較，具有很多優點，如因強變形能力而具備較大驅動行程，因高工作和斷裂應力而可用于強度要求高的驅動元件和結構，高能量密度和材料強度可提供較大驅動力等。記憶合金材料無動力驅動器的主要缺點是工作頻率較低，目前最高工作頻率只能達到4 Hz，提高記憶合金材料的響應頻率是拓展其應用前景的一個重要研究方向。

當前在航天應用中，無動力驅動器的質量大，價格高昂，且需維護。而理想的無動力驅動器應當具有能量密度高、不受自帶大能量源影響、價格便宜等優點。太空中太陽輻射能量充足，因此使用太陽能的記憶合金材料無動力驅動器具有很大應用前景。新型太陽能記憶合金材料無動力驅動器可以直接利用太陽輻射能來改變溫度場，利用記憶合金材料的相變記憶效應，獲得所需的驅動力和位移量［9］。圖1所示為太陽能記憶合金材料無動力驅動器。

▲圖1 太陽能記憶合金材料無動力驅動器

3.2 分離機構

記憶合金材料在航天器分離機構等場合因自身所具有的可重復使用和低沖擊優點而受到青睞。美國研制的記憶合金材料作動器成功解決了響應速度慢的問題，已在衛星的分離機構上得以應用［10］。目前，國內也開始進行此方面的研究，一些產品已進入工程驗證階段，記憶合金材料作動器未來在小微型航天飛行器分離機構上有廣闊的應用前景。

圖2所示是一種可替代爆炸螺栓的連接螺栓分離機構。連接螺栓分離部位預先進行削弱處理，螺栓穿過記憶合金管中心。記憶合金管外有絕熱層和加熱裝置，通電對記憶合金管加熱，在達到轉變溫度后，記憶合金管伸長產生應力，使螺栓在分離點斷裂。這一分離機構曾用于衛星太陽帆板的展開機構。

▲圖2 連接螺栓分離機構

直接采用記憶合金材料分離機構的缺點是作用時間長、供電功率大，因此記憶合金絲和記憶合金彈簧的應用成為了重點。圖3所示為采用了記憶合金彈簧的分離螺母，由于采用了復位彈簧，分離螺母不需要拆卸即可多次重復使用。圖4所示為記憶合金材料無沖擊螺母，采用記憶合金絲作為觸發元件，利用內部的飛輪裝置儲能，工作時通過飛輪旋轉釋放機構，分離沖擊力很小。無沖擊螺母分離機構曾于2000年成功用于太空船釋放。

4 記憶合金材料的加工性能

記憶合金材料有較大應用潛力，其加工性能需要重點研究。可加工制造出何種形狀和復雜程度的結構制件，以及加工制造可實現的難易程度和成本因素，是某種材料能否取得工程實際應用的關鍵。

毛坯件形狀直接影響最終零件的加工制造，合理地選擇不同形狀的毛坯件匹配不同結構的零件，不但使加工制造方便、簡捷，而且能充分發揮記憶合金材料的特性［11］。常用記憶合金材料毛坯件形狀可分為絲狀、棒狀和帶狀等。記憶合金絲材結構簡單，可充分利用材料，并具有較小的截面，制造成本經濟，且適用范圍廣，因此尤其適用于驅動器。棒狀、梁狀、帶狀等記憶合金材料作為補充，可滿足各種不同的需求。

4.1 熔煉制備

目前工程應用的鈦鎳系記憶合金材料均采取熔煉法制備。以鈦和鎳兩種合金成分為主，形成鈦鎳系金屬間化合物，可通過添加少量的鐵、鈷、銅合金元素，調節其相變溫度范圍。

▲圖3 分離螺母

▲圖4 無沖擊螺母

熔煉工藝是獲得合金成分均勻、材質優良的關鍵。真空感應一次熔煉工藝成本最低，但雜質碳含量最高。真空自耗加真空感應重熔工藝碳含量引入小，鑄錠質量較好，但爐容量較小，限制了批量生產。真空凝殼加真空自耗重熔工藝成分均勻，沒有碳引入，且兩次熔煉具有成分的可調性，便于獲得理想的合金組成，適合工業規模生產。真空凝殼一次熔煉工藝是一種速度快但有待開發和完善的鈦鎳系記憶合金材料生產新工藝，可直接精鑄為熱軋坯料，省去鑄錠開坯工序，有利于提高成材率，降低成本［12］。上述四種熔煉工藝是當今國內外鈦鎳系記憶合金材料生產的主要方法。

4.2 壓力成型加工

由于鈦鎳系記憶合金材料冷加工性能較差，易加工硬化，因此必須嚴格控制加工變形量以防止材料發生斷裂。熱加工是目前鈦鎳系記憶合金材料壓力成型的主要方法，加熱壓力成型的關鍵在于溫度、變形速度和變形程度的合理控制。以最常見的絲材、棒材和板材的成型加工為例，一般均以熱加工為粗加工手段，中間退火熱處理，然后再經過冷軋或冷拔精加工成型，這樣既可以獲得較高的加工效率，又可以獲得良好的最終加工表面質量。

除絲材、棒材成型和板材成型外，記憶合金帶材的軋制目前多采用可逆式溫軋機進行，其工藝實施的關鍵在于與合金連接可靠的牽引帶及其所施加的合適張力。自由鍛一般適用于小型制件的毛坯制備，熱模鍛造的生產效率高，另外通過控制溫度、擠壓速度，合理選擇潤滑劑，可以獲得較高的加工精度。

4.3 機械加工

實際使用的機械零件，其質量和精度要求高，一般需經機械加工才能達到，如記憶合金管接頭就需要通過精密機械加工。記憶合金材料由于導熱系數小，僅為45號鋼的1/9，因此切削加工時切削熱難以快速導出，切削區溫度較高，導致刀具磨損快，刀具不耐用。可以通過優選刀具材料、切削參數和冷卻方式來改善切削性能，例如，可以使用具備特殊表面鍍層處理的硬質合金刀具來提高刀具的耐用性，選用高速銑削方式來減少切削熱的積累，減小加工變形。同時，切削液和冷卻方式的選擇也是關鍵因素，微量潤滑冷卻技術在記憶合金材料的加工性能改善方面效果較好。銅基記憶合金材料相比鈦鎳系記憶合金材料，脆性更強，在進給速度、切削深度等切削參數的選擇上應進行區別。

4.4 焊接

當前記憶合金零件主要為絲、片和彈簧等簡單結構零件，將其焊接成更復雜的形狀，可大大拓展應用范圍。記憶合金材料的焊接，除應滿足一般焊接的低缺陷率和焊縫力學性能要求外，還必須保證形狀記憶的功能要求，因此比一般材料的焊接工藝難度大、受限多［13］。

記憶合金材料的焊接方法，如等離子束流焊、氬弧焊、惰性氣體保護鎢極電弧焊、擴散焊、電阻焊、激光焊等，在國內外文獻中已有報道。其中，激光焊具有能量高度集中、焊縫熱影響區小、焊接變形小等諸多優勢，可實現良好的成形焊縫和較高的焊接質量，非常適合焊接記憶合金材料［14］。記憶合金材料由于在延伸率方面與普通金屬差別較大，因此與其它金屬的焊接性差，目前的研究也主要是同種材料的焊接，對于記憶合金材料與異種材料焊接的研究則較少。

5 結束語

記憶合金材料在星載天線的在軌熱控制、主動精度控制方面具有一定優勢，在星載雷達可展開天線上的多種結構中有較大應用前景，如驅動裝置、展開機構、分離機構、網面精度調整機構等［15-16］。

對于記憶合金材料制備、加工性能方面的研究，需進一步深入，以提高原材料成分的均勻性、一致性和質量［17］。在材料的切削加工性、焊接性等加工特性方面，研究也需更加緊密貼合工程實際應用。材料的冷熱加工性能均需進一步提高。

針對記憶合金材料在星載領域的應用，研究記憶合金材料的材料特性和加工性能，包括切削加工性、可焊接性等，可以為記憶合金材料在星載領域的應用積累工藝基礎，對未來產品的研制具有一定的參考價值和積極意義。