激光焊接NiTi合金的性能研究

【摘要】： NiTi形状记忆合金集形状记忆效应、超弹性、良好的生物相容性于一体，使它成为理想的医用材料，成功地应用于介入医疗领域中各种支架的制作。目前对于直径较小、厚度较薄的血管支架的需求量日益增加。但是，现有的加工技术，激光雕刻或手工编织，成本高且难以加工此类支架。另外，手工编织的大尺寸外周管腔支架，接头部分目前往往用套管来连接，寻求更好的连接方法也是所面临的难题之一。激光微焊接被认为是解决这些难题适合的、有希望的方法之一。 本论文系统地研究了超弹性Ti-50.6at．％Ni合金丝脉冲激光焊接接头的组织和性能，目的在于揭示用激光焊接方法加工微小医疗器械的可行性。主要结论如下： NiTi合金细丝激光点焊时需选择小电流、大脉宽、负离焦量，同时采用Ar气保护；激光点焊接头的熔化区由树枝晶组成，热影响区靠近熔池的部分为粗大等轴晶，靠近母材的部分为细小等轴晶；激光焊接会影响到NiTi合金丝的相变行为，使NiTi合金丝的相变过程由B2-R-B19′转变为B2-B19′且相变温度发生变化；接头中碳化物的数量明显少于母材；接头的抗拉强度和延伸率低于母材。在37℃时，接头的抗拉强度可达母材的60％，加载到应变为7％后卸载，接头和母材的残余应变为分别为1.06％和0.45％，接头性能降低的原因是由于激光焊接所形成的树枝晶。 NiTi合金激光焊接组织的耐蚀性和血液相容性比母材好。由于激光焊接组织中夹杂物的数量较少，表面易形成均匀、连续的钝化膜，从而提高了NiTi合金的耐蚀性和血液相容性。在相同条件下，NiTi合金激光焊接组织的钝化电位区间比母材的大，击穿电位比母材的高，凝血时间较长，血小板粘附量较少，变形小。 热循环和退火会对NiTi合金激光点焊接头的相变行为产生影响。热循环后接头中出现R相变，随着热循环次数的增加，R相变向高温方向移动，M相变向低温方向移动，R相存在的温度区间变宽，其主要原因是热循环在基体中引入位错。激光焊接NiTi合金经退火后，也出现R相变，随着退火温度的升高，R相变峰向低温方向移动，M相变峰也向低温方向移动，但移动的非常小，R相变和M相变之间的距离缩小，其主要原因是退火过程中产生了Ti_3Ni_4析出相。 NiTi合金激光点焊接头具有较好的超弹性疲劳性能。在加载卸载循环时，尽管开始时接头的残余应变比母材的大，但随着循环次数的增加，残余应变趋向稳定。在旋转弯曲疲劳中，当应变量大于0.4％时，在相同的应变下，接头的旋转弯曲疲劳寿命低于母材；当应变量小于0.4％，接头和母材的疲劳寿命都超过100万次。溶液中Cl~-浓度和溶液的pH值对NiTi合金丝的旋转弯曲疲劳性能没有显著的影响。 退火温度对激光点焊接头的性能有影响。焊接状态的NiTi合金在退火的过程中会析出Ti_3Ni_4相。400℃退火时，析出的Ti_3Ni_4相呈细小的圆形颗粒状，平均直径为10nm，弥散分布，对基体强化作用很大，能提高NiTi合金激光点焊接头的性能；而退火温度较高时，析出的Ti_3Ni_4相粗化，弥散度大幅度下降，对基体的强化作用很弱，接头的性能降低。