金屬加工技術(shù)拓展高性能合金的應(yīng)用Metalworking Techniques Unlock a Unique Alloy

金屬加工技術(shù)拓展高性能合金的應(yīng)用
Metalworking Techniques Unlock a Unique Alloy

鎳鈦合金60應(yīng)用于國(guó)際空間站上的水處理系統(tǒng)

半個(gè)多世紀(jì)以前，美國(guó)海軍軍械實(shí)驗(yàn)室發(fā)現(xiàn)了一種性能優(yōu)異的合金材料——鎳鈦合金60。該合金材料含60%鎳和40%鈦，能夠耐受飛行器再入大氣層時(shí)的嚴(yán)酷環(huán)境，可用于制造火箭的鼻錐。之后，海軍軍械實(shí)驗(yàn)室在火箭和地雷探測(cè)器等領(lǐng)域中對(duì)該合金材料進(jìn)行了多次試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，該合金材料的加工非常困難，不具備實(shí)用價(jià)值。

最后，海軍軍械實(shí)驗(yàn)室在發(fā)表了該項(xiàng)研究成果后，放棄了對(duì)該合金材料的應(yīng)用研究。雖然從那時(shí)起，鎳鈦合金60已被業(yè)界所熟知，但在接下來(lái)的50多年里對(duì)該材料的研究一直處于沉睡狀態(tài)，直到一位滾珠軸承工程師與美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）技術(shù)專(zhuān)家合作找出了一種簡(jiǎn)單的方法，可將其加工成有用的部件。否則，鎳鈦合金60的應(yīng)用潛力可能還要繼續(xù)被埋沒(méi)。

2000年，位于美國(guó)康涅狄格州西哈特福市的艾伯特?鮑爾（Abbot Ball）公司的工程師Glenn Glennon認(rèn)為，鎳鈦合金60可能是解決長(zhǎng)期困擾滾珠軸承行業(yè)的一個(gè)問(wèn)題的有效方案。他說(shuō)：“通常情況下，軸承都是由硬度較高的不銹鋼制作而成的。但不銹鋼的成本很高，且不能夠長(zhǎng)期耐受腐蝕環(huán)境的侵蝕。經(jīng)過(guò)了解，我們認(rèn)為，這種狀況可能可通過(guò)使用性能更好的鎳鈦合金60來(lái)改變。”

然而，Abbot Ball公司是一家小企業(yè)，沒(méi)有充足的資源開(kāi)展這項(xiàng)研發(fā)工作，因此，Glenn Glennon獨(dú)自承擔(dān)了大量的研究工作。在研究過(guò)程中，為了推動(dòng)鎳鈦合金60的應(yīng)用技術(shù)研究，他向NASA格倫研究中心尋求幫助，但是最初遭到了回絕。格倫研究中心的高級(jí)技術(shù)專(zhuān)家Christopher DellaCorte說(shuō)：“由于多種原因，我對(duì)開(kāi)展鎳鈦合金60測(cè)試的想法一點(diǎn)都不感興趣。首先，我們不愿做類(lèi)似于對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行認(rèn)證的事情。另外，我對(duì)將鎳鈦合金60用作軸承材料的想法也持懷疑態(tài)度，因?yàn)樵摬牧现泻写罅康拟仭ｂ亼{借較高的強(qiáng)度和輕質(zhì)特性在航天工程領(lǐng)域備受青睞，但由于鈦具有較高的反應(yīng)活性，油性潤(rùn)滑劑應(yīng)用于鈦部件時(shí)很快就會(huì)分解，導(dǎo)致較為嚴(yán)重的磨損。”面對(duì)這種情況，Glenn Glennon仍堅(jiān)持鎳鈦合金60在軸承中具有特殊應(yīng)用前景，并強(qiáng)調(diào)不會(huì)利用NASA的參與和支持開(kāi)展宣傳。這種執(zhí)著最終打動(dòng)了Christopher DellaCorte。最后雙方約定，如果Abbott Ball公司能夠提供小部分的零件，格倫研究中心就將為其提供一系列的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試。

將鎳鈦合金60加工制造成高質(zhì)量零件是其應(yīng)用首先要克服的難題。此前，Abbott Ball公司一直采用鑄造成形技術(shù)，但這種制造工藝非常粗糙，不僅不能制造出足夠光滑的軸承滾珠，而且鈦一旦融化，就非常容易吸收碳或氧等污染物，最終導(dǎo)致產(chǎn)品產(chǎn)生缺陷。Christopher DellaCorte建議Abbott Ball公司采用粉末冶金技術(shù)。通過(guò)粉末冶金，粉末狀的材料粒子相結(jié)合，壓縮在容器中，然后將混合物加熱至接近材料熔點(diǎn)的溫度，混合物中的原子相互擴(kuò)散以固態(tài)形式結(jié)合。粉末冶金不僅能夠降低產(chǎn)品制造的溫度，還能夠減少污染物，避免對(duì)合金材料的性能產(chǎn)生影響。通過(guò)此方法，Abbott Ball公司制作出了光滑的滾珠軸承。NASA格倫研究中心的技術(shù)專(zhuān)家對(duì)這些樣品進(jìn)行了測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明，鎳鈦合金60擁有軸承材料所需的所有強(qiáng)度性能，以及良好的耐腐蝕性能和潤(rùn)滑性能，性能可與最好的軸承鋼相媲美。

Glenn Glennon復(fù)興鎳鈦合金60的努力最終取得了成效。Abbott Ball公司與格倫研究中心合作，進(jìn)一步優(yōu)化了鎳鈦合金60的粉末冶金加工工藝，并共同申請(qǐng)了專(zhuān)利。

軸承材料需具有硬度高、耐腐蝕、重量輕、無(wú)磁性或彈性大等特性，而這些特性通常不能同時(shí)獲得，因此，工程師在為特殊應(yīng)用選擇軸承時(shí)需要綜合考慮多種因素，對(duì)某些性能進(jìn)行折中考慮。而鎳鈦合金60擁有所要求的全部特性，是制造軸承的理想材料。不過(guò)，鎳鈦合金60的生產(chǎn)成本較高，因此，目前主要應(yīng)用于航天領(lǐng)域，應(yīng)用市場(chǎng)較小。Abbott Ball公司正在為新產(chǎn)品開(kāi)拓其它應(yīng)用領(lǐng)域，如利用該材料的硬度和耐腐蝕性制作廚房刀具等。美國(guó)海軍已授出了2項(xiàng)小企業(yè)創(chuàng)新研究（SBIR）計(jì)劃合同，共同探討該材料在多種國(guó)防部件中的應(yīng)用。同時(shí)，Abbott Ball公司還在探索鎳鈦合金60在手術(shù)刀等醫(yī)療器械中的應(yīng)用。

格倫研究中心的工程師也在不斷測(cè)試和改進(jìn)該合金材料，并已申請(qǐng)了幾項(xiàng)專(zhuān)利技術(shù)。例如，工程師通過(guò)在該合金材料中添加少量其它成分，在不影響其質(zhì)量性能的前提下降低了加工溫度，提高了加工性能。格倫研究中心還與Abbott Ball公司合作為國(guó)際空間站的污水處理系統(tǒng)提供了采用鎳鈦合金60制造的軸承。

從某種意義上來(lái)說(shuō)，格倫研究中心與Abbott Ball公司的合作，造就了鎳鈦合金60在太空和地球上應(yīng)用的光明前景。Glenn Glennon非常感謝Abbott Ball公司在沒(méi)有任何確定回報(bào)的情況下對(duì)此項(xiàng)目的資金支持。而Christopher DellaCorte則希望人們能記得，正是Glenn Glennon的執(zhí)著，才使鎳鈦合金60在沉睡50多年后獲得了成功應(yīng)用。 (甜 譯)

▲ 鎳鈦合金60可用于制造滾珠軸承