王臻等：医用镍钛合金的制备与热压缩变形行为 ·239· 镍钛形状记忆合金兼有优异的形状记忆功能与 碳、氢、氧成分采用G8 GALILEO氧氨氢分析仪分 超弹性行为、优良的耐磨耐腐蚀性能、良好的储能减 析.表1为Ni-Ti合金铸锭的化学成分，其中C含 震功能等，在国民经济、国防军工和高新技术等领域 量略有偏高，这是由于采用石墨坩埚制备合金时，微 应用广泛，已成为形状记忆合金家族中极为重要的 量C进入合金熔体的原因.在850℃下对合金铸锭 一员[.等原子比的Ni-Ti合金是一种典型的Ni- 进行均匀化热处理，保温时间为6h(850℃/6h),以 Ti合金，其中轻微富Ni合金中的Ni原子数分数为 改善合金铸锭的组织和性能 50.1%~52%,高富的Ni原子数分数为52%~ 对合金铸锭经粗磨、细磨和抛光后，采用以5 57%.Ni-Ti形状记忆合金的马氏体相变温度受其 mL硝酸、2mL氢氟酸和10mL蒸馏水制备的溶液进 成分、热处理和加工工艺的影响显著，其中Ni含量 行浸蚀，然后进行金相组织观察：采用差示扫描量热 对合金相变温度的影响最大，因此，通过调整N含 法(DSC)测定Ni-Ti合金的相变温度.采用HXD- 量可有效控制合金的马氏体相变温度[2-) 1000T型维氏硬度仪对沿合金铸锭直径方向不同位 轻富Ni的镍钛形状记忆合金因其在人体体温 置的硬度进行测试，载荷50g,保持时间为15s,每组 下具有良好的生物相容性和较好的超弹性.目前， 试样测量5个点，取平均值 已经在口腔科（牙齿矫正用唇弓丝）、整形外科（人 采用线切割法将经过均匀化热处理的合金进行 工关节)、神经外科（弧形钉）等领域得以应用4-]. 加工，制备中10mm×15mm的圆柱形试样.采用 然而，镍钛形状记忆合金是一种典型的难加工金属， Gleeble-3800热模拟机对圆柱试样进行热压缩实 一般采用真空感应熔炼工艺制备镍钛合金锭坯，然后 验，实验条件如下：变形温度分别为750、800、850、 将锭坯进行均匀化热处理和热加工成形0].研究镍 900和950℃，应变速率分别为0.001、0.010、0.100和 钛形状记忆合金热变形行为，获得变形温度、变形速率 1.000s1,总压缩应变量为0.5（真应变）.实验数据由 和变形程度之间的本构关系以及热加工图，对于合理 热模拟试验机的计算机系统自动采集.根据真应力- 设计和制定加工工艺具有重要的指导意义2] 真应变曲线，选取不同变形温度、应变速率和应变量下 为此，本文采用真空感应熔炼方法制备了成分 的流动应力值，采用MATLAB软件模拟计算Ni-Ti合 为Ti-50.7%Ni(原子数分数)(Ti-55.76%Ni(质量 金的热加工图，确定有利的热变形工艺参数范围 分数)的医用镍钛形状记忆合金，通过高温均匀化 热处理进一步改善铸锭性能.采用Gleeble--3800热 表1本文医用Ni-Ti合金铸锭的化学成分（质量分数） 模拟机对均匀化热处理的镍钛合金进行热压缩实 Table 1 Chemical compositions of the medical Ni-Ti alloy in this study % 验，研究其热压缩变形行为，建立高温变形本构关系 N H Ti 和热加工图，为医用镍钛形状记忆合金的轧制工艺 55.69 0.0690.0100.0010.045 余量 制定提供理论参考 1材料及方法 2结果与分析 采用真空感应熔炼炉（内置石墨坩埚）制备了2.1铸态N-Ti合金的组织与相变温度 Ni-Ti合金，其主要成分采用直流光谱仪测试，其中 图1为Ni-Ti合金铸锭边缘和中心部位的金相 (a) 0.8mm 0.8mm 图1Ni-Ti铸锭的铸态组织.(a)边缘部位：(b)中心部位 Fig.1 As-cast microstructure of the Ni-Ti ingot:(a)at the edge;(b)at the center王 臻等: 医用镍钛合金的制备与热压缩变形行为 镍钛形状记忆合金兼有优异的形状记忆功能与 超弹性行为、优良的耐磨耐腐蚀性能、良好的储能减 震功能等,在国民经济、国防军工和高新技术等领域 应用广泛,已成为形状记忆合金家族中极为重要的 一员[1] . 等原子比的 Ni鄄鄄 Ti 合金是一种典型的 Ni鄄鄄 Ti 合金,其中轻微富 Ni 合金中的 Ni 原子数分数为 50郾 1% ~ 52% ,高富的 Ni 原 子 数 分 数 为 52% ~ 57% . Ni鄄鄄Ti 形状记忆合金的马氏体相变温度受其 成分、热处理和加工工艺的影响显著,其中 Ni 含量 对合金相变温度的影响最大,因此,通过调整 Ni 含 量可有效控制合金的马氏体相变温度[2鄄鄄3] . 轻富 Ni 的镍钛形状记忆合金因其在人体体温 下具有良好的生物相容性和较好的超弹性. 目前, 已经在口腔科(牙齿矫正用唇弓丝)、整形外科(人 工关节)、神经外科(弧形钉)等领域得以应用[4鄄鄄8] . 然而,镍钛形状记忆合金是一种典型的难加工金属, 一般采用真空感应熔炼工艺制备镍钛合金锭坯,然后 将锭坯进行均匀化热处理和热加工成形[9鄄鄄10] . 研究镍 钛形状记忆合金热变形行为,获得变形温度、变形速率 和变形程度之间的本构关系以及热加工图,对于合理 设计和制定加工工艺具有重要的指导意义[11鄄鄄12] . 为此,本文采用真空感应熔炼方法制备了成分 为 Ti鄄鄄50郾 7% Ni(原子数分数)(Ti鄄鄄55郾 76% Ni(质量 分数))的医用镍钛形状记忆合金,通过高温均匀化 热处理进一步改善铸锭性能. 采用 Gleeble鄄鄄3800 热 模拟机对均匀化热处理的镍钛合金进行热压缩实 验,研究其热压缩变形行为,建立高温变形本构关系 和热加工图,为医用镍钛形状记忆合金的轧制工艺 制定提供理论参考. 图 1 Ni鄄鄄Ti 铸锭的铸态组织. (a) 边缘部位; (b) 中心部位 Fig. 1 As鄄cast microstructure of the Ni鄄鄄Ti ingot: (a) at the edge; (b) at the center 1 材料及方法 采用真空感应熔炼炉(内置石墨坩埚) 制备了 Ni鄄鄄Ti 合金,其主要成分采用直流光谱仪测试,其中 碳、氢、氧成分采用 G8GALILEO 氧氮氢分析仪分 析. 表 1 为 Ni鄄鄄 Ti 合金铸锭的化学成分,其中 C 含 量略有偏高,这是由于采用石墨坩埚制备合金时,微 量 C 进入合金熔体的原因. 在 850 益 下对合金铸锭 进行均匀化热处理,保温时间为 6 h(850 益 / 6 h),以 改善合金铸锭的组织和性能. 对合金铸锭经粗磨、细磨和抛光后,采用以 5 mL 硝酸、2 mL 氢氟酸和 10 mL 蒸馏水制备的溶液进 行浸蚀,然后进行金相组织观察;采用差示扫描量热 法(DSC)测定 Ni鄄鄄 Ti 合金的相变温度. 采用 HXD鄄鄄 1000T 型维氏硬度仪对沿合金铸锭直径方向不同位 置的硬度进行测试,载荷 50 g,保持时间为 15 s,每组 试样测量 5 个点,取平均值. 采用线切割法将经过均匀化热处理的合金进行 加工,制备 准10 mm 伊 15 mm 的圆柱形试样. 采用 Gleeble鄄鄄3800 热模拟机对圆柱试样进行热压缩实 验,实验条件如下:变形温度分别为 750、800、850、 900 和 950 益,应变速率分别为 0郾 001、0郾 010、0郾 100 和 1郾 000 s -1 ,总压缩应变量为 0郾 5(真应变). 实验数据由 热模拟试验机的计算机系统自动采集. 根据真应力鄄鄄 真应变曲线,选取不同变形温度、应变速率和应变量下 的流动应力值,采用 MATLAB 软件模拟计算 Ni鄄鄄 Ti 合 金的热加工图,确定有利的热变形工艺参数范围. 表 1 本文医用 Ni鄄鄄Ti 合金铸锭的化学成分(质量分数) Table 1 Chemical compositions of the medical Ni鄄鄄Ti alloy in this study % Ni C N H O Ti 55郾 69 0郾 069 0郾 010 0郾 001 0郾 045 余量 2 结果与分析 2郾 1 铸态 Ni鄄鄄Ti 合金的组织与相变温度 图 1 为 Ni鄄鄄Ti 合金铸锭边缘和中心部位的金相 ·239·