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激光焊接NiTi合金的性能研究

阎小军  
【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。


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