醫(yī)用鎳鈦形狀記憶合金管材旋鍛的有限元模擬*

□ 劉漢源 □ 麻西群 □ 蘇連朋，2 □ 程 軍 □ 何衛(wèi)敏 □ 王 云

1.西北有色金屬研究院陜西省醫(yī)用金屬材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 西安 710016

2.太原理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 太原 030024

1 研究背景

鎳鈦形狀記憶合金憑借獨(dú)特的形狀記憶效果及良好的超彈性，在機(jī)械、醫(yī)學(xué)、土木、航空航天等領(lǐng)域有十分廣闊的應(yīng)用前景［1-2］。尤其在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，鎳鈦形狀記憶合金具有良好的生物相容性，被廣泛用作血管支架、微創(chuàng)醫(yī)療器械、矯形外科器械、腦外科器械、口腔醫(yī)療器械的原材料［3-5］。鎳鈦形狀記憶合金作為制備血管支架的原材料，傳統(tǒng)的軋制、擠壓、拉拔等加工手段并不能滿足制備需求，目前僅有少數(shù)公司可以制備鎳鈦形狀記憶合金細(xì)徑薄壁管材，這也強(qiáng)烈地驅(qū)動(dòng)著人們不斷探究鎳鈦形狀記憶合金細(xì)徑薄壁管材制備的新工藝。

旋轉(zhuǎn)鍛造是利用沿坯料周圍對(duì)稱分布的一對(duì)或多對(duì)錘頭繞中心旋轉(zhuǎn)，同時(shí)以高頻率將制件鍛造成型的方式，常用于航空航天空心軸類零件、非回轉(zhuǎn)類零件的高效精密制造［6］。旋鍛加工時(shí)，材料變形受三向壓應(yīng)力作用，可增加零件的抗彎強(qiáng)度及塑韌性，提高表面尺寸精度，這為鎳鈦形狀記憶合金細(xì)徑薄壁管材的制備提供了更加多元的方向。

筆者應(yīng)用有限元法對(duì)鎳鈦形狀記憶合金細(xì)徑薄壁管材的旋鍛成型進(jìn)行有限元模擬，研究鎳鈦形狀記憶合金在不同工藝條件下的應(yīng)力、應(yīng)變、溫度等各項(xiàng)參數(shù)分布，確定旋鍛鎳鈦形狀記憶合金細(xì)徑薄壁管材的最優(yōu)方案。

2 旋鍛模型

2.1 熱壓縮試驗(yàn)及本構(gòu)方程

試驗(yàn)采用鎳原子數(shù)百分比含量為50.5%的鎳鈦形狀記憶合金，經(jīng)650℃、2 h固溶處理后，制備成φ8 mm×12 mm的熱壓縮試樣。采用Gleeble3800熱模擬試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行熱模擬壓縮試驗(yàn)，獲得鎳鈦形狀記憶合金真實(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線。試驗(yàn)溫度依次設(shè)定為650℃、750℃、850℃、950℃、1 050℃， 升溫速率為10℃/s，保溫時(shí)間為 300 s，應(yīng)變速率為 1 s-1、0.1 s-1、0.01s-1， 壓縮變形程度設(shè)定為60%。

采用阿倫尼烏斯本構(gòu)模型，根據(jù)鎳鈦形狀記憶合金熱模擬壓縮試驗(yàn)生成的真實(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線，應(yīng)用線性擬合等計(jì)算，建立鎳鈦形狀記憶合金本構(gòu)方程［7］，具體參數(shù)見表 1。

2.2 旋鍛有限元建模

應(yīng)用Deform-3D有限元模擬軟件，建立鎳鈦形狀記憶合金管材旋鍛模型。整個(gè)模型均質(zhì)且各向同性，體積力為0，介質(zhì)連續(xù)，材料滿足米澤斯屈服準(zhǔn)則，初始應(yīng)力為0，在外力作用下變形體保持平衡狀態(tài)。

應(yīng)用Pro/E繪圖軟件，根據(jù)管坯、芯桿、模具的實(shí)際尺寸參數(shù)（表2），建立旋鍛三維幾何模型，并進(jìn)行裝配，以.stl文件格式保存。在Deform-Mo前處理器的模型導(dǎo)入窗口，將管坯、芯桿、模具依次導(dǎo)入，管坯定義為塑性體，芯桿及模具定義為剛性體。旋鍛有限元模型如圖1所示。

表1 鎳鈦形狀記憶合金本構(gòu)方程參數(shù)

▲圖1 旋鍛有限元模型

3 結(jié)果與討論

3.1 旋鍛溫度的影響

圖2為其它參數(shù)相同時(shí)，不同溫度下管坯旋鍛的最大主應(yīng)力分布云圖。由圖2可知，模擬溫度依次為550℃、650℃、750℃時(shí)，管坯主變形區(qū)對(duì)應(yīng)的最大壓應(yīng)力依次為958 MPa、714 MPa、543 MPa，對(duì)應(yīng)的最大拉應(yīng)力依次為912 MPa、685 MPa、554 MPa，說(shuō)明隨著旋鍛模擬溫度的升高，管坯主變形區(qū)的最大拉應(yīng)力、壓應(yīng)力均有明顯降低，管坯更容易成型。造成此現(xiàn)象的主要原因是隨著模擬過(guò)程不斷進(jìn)行，材料組織結(jié)構(gòu)出現(xiàn)大量位錯(cuò)，位錯(cuò)之間的相互作用導(dǎo)致加工硬化，同時(shí)在外載荷及熱激活能的共同作用下，位錯(cuò)通過(guò)滑移、攀移、重組、合并，以及動(dòng)態(tài)再結(jié)晶使材料發(fā)生動(dòng)態(tài)軟化。溫度高，管坯材料的動(dòng)態(tài)軟化效果明顯強(qiáng)于加工硬化效果，使管坯主變形區(qū)的最大拉應(yīng)力、最大壓應(yīng)力明顯降低。

表2 旋鍛有限元模型參數(shù) mm

管坯主變形區(qū)溫度變化主要是管坯塑性變形功產(chǎn)生的熱量與管坯通過(guò)模具及周圍環(huán)境耗散的熱量共同作用的結(jié)果。

圖3為不同溫度下旋鍛模擬時(shí)管坯主變形區(qū)的溫度分布曲線。由圖3可以看出，管坯在旋鍛過(guò)程中縱向溫度分布不均勻，與模具接觸部位由于熱傳遞而溫降較大，兩模具之間的縫隙則由于熱量損失較小而溫度升高。在650℃旋鍛時(shí)，主變形區(qū)最高溫度為644℃，最低溫度為582℃，溫差達(dá)到62℃，這是由于在主變形區(qū)內(nèi)塑性變形功產(chǎn)生了熱量。在靠近模具且變形較小的區(qū)域中，溫度較初始溫度略有降低，這是由于管坯的變形熱不足以彌補(bǔ)管坯和空氣之間熱傳遞損失而引起的［8］。可見，旋鍛溫度為650℃時(shí)，管坯主變形區(qū)塑性變形功產(chǎn)生的熱量與管坯通過(guò)模具及周圍環(huán)境耗散的熱量基本達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，這一溫度可以作為旋鍛的最優(yōu)控制溫度。

3.2 進(jìn)料速度的影響

設(shè)定管坯初始溫度為650℃，變形程度為23%，進(jìn)料速度依次為 3 mm/s、5 mm/s、8 mm/s時(shí)，管坯主變形區(qū)最大主應(yīng)力云圖如圖4所示。由圖4可知，進(jìn)料速度依次為3 mm/s、5 mm/s、8 mm/s時(shí)，管坯主變形區(qū)對(duì)應(yīng)的最大壓應(yīng)力依次為 1 040 MPa、714 MPa、464 MPa，對(duì)應(yīng)的最大拉應(yīng)力依次為912 MPa、685 MPa、640 MPa。管坯進(jìn)料相同位移時(shí)，隨著進(jìn)料速度的加快，管坯主變形區(qū)的最大壓應(yīng)力絕對(duì)值明顯降低。這是由于進(jìn)料速度較慢時(shí)，管坯與外界環(huán)境接觸所耗散的能量較多，管坯溫降較快，材料變形抗力增大，管坯主變形區(qū)的最大主應(yīng)力相對(duì)增大。

圖5為在不同進(jìn)料速度下旋鍛模擬時(shí)，管坯主變形區(qū)的溫度分布曲線。由圖5可見，管坯進(jìn)料速度依次為3 mm/s、5 mm/s、8 mm/s時(shí)，管坯主變形區(qū)對(duì)應(yīng)的最低溫度依次為516℃、582℃、602℃。進(jìn)料速度越慢，管坯主變形區(qū)溫度降低越明顯，這是由于進(jìn)料速度加快時(shí)，管坯與外界環(huán)境接觸所耗散的能量減少，單位時(shí)間內(nèi)塑性變形的體積增大，產(chǎn)生的熱量增多，主變形區(qū)溫度升高［9］。因此，在保證管坯有良好塑性變形的同時(shí)，要提高旋鍛效率，選擇進(jìn)料速度5 mm/s較為適宜。

▲圖3 不同溫度下管坯旋鍛主變形區(qū)溫度分布曲線

3.3 變形程度的影響

▲圖4 不同進(jìn)料速度下管坯旋鍛最大主應(yīng)力云圖

設(shè)定管坯初始溫度為650℃，進(jìn)料速度為5 mm/s，變形程度分別為23%和38%，管坯主變形區(qū)最大主應(yīng)力云圖如圖6所示。由圖6可知，變形程度分別為23%、38%時(shí)，管坯主變形區(qū)對(duì)應(yīng)的最大壓應(yīng)力分別為714 MPa、742 MPa，對(duì)應(yīng)的最大拉應(yīng)力分別為 685 MPa、786 MPa。管坯主變形區(qū)的不同區(qū)域最大主應(yīng)力值差別較大，管坯進(jìn)入模具口發(fā)生塑性變形處最大，說(shuō)明隨著旋鍛模擬變形程度增大，管坯主變形區(qū)的最大拉應(yīng)力、壓應(yīng)力均有明顯增大。變形程度越大，管坯表面質(zhì)量越好；變形程度越小，管坯主變形區(qū)最大主應(yīng)力越小，管坯越容易成型。造成以上現(xiàn)象的主要原因是隨著模擬過(guò)程不斷進(jìn)行，變形程度較大的管坯加工硬化程度增大，材料的變形抗力增大，因此在圖中表現(xiàn)為變形區(qū)主應(yīng)力增大［10-11］。

設(shè)定管坯初始溫度為650℃，進(jìn)料速度為5 mm/s，變形程度分別為23%、38%，管坯主變形區(qū)的溫度分布曲線如圖7所示。由圖7可知，變形程度為23%時(shí)，管坯主變形區(qū)溫度主要集中在582～644℃間；變形程度為38%時(shí)，管坯主變形區(qū)溫度主要集中在649～752℃間；變形程度越大，管坯塑性變形功產(chǎn)生的熱量就越大，管坯主變形區(qū)溫升也就越大。

▲圖5 不同進(jìn)料速度下管坯旋鍛主變形區(qū)溫度分布曲線

▲圖6 不同變形程度下管坯旋鍛最大主應(yīng)力云圖

▲圖7 不同變形程度下管坯旋鍛主變形區(qū)溫度分布曲線

3.4 鎳鈦形狀記憶合金管材旋鍛

圖 8、圖 9分別為溫度 650℃、進(jìn)料速度5 mm/s、兩次旋鍛之間變形量20%的條件下旋鍛制備φ7 mm×0.3 mm鎳鈦形狀記憶合金管材的金相組織和室溫拉伸曲線。由圖可知，在此旋鍛工藝下制備的鎳鈦形狀記憶合金管材金相組織為均勻的等軸晶組織，力學(xué)性能良好。

4 結(jié)論

（1）管坯初始溫度越高、進(jìn)料速度越快、變形程度越小，管坯主變形區(qū)的最大主應(yīng)力絕對(duì)值就越小。

▲圖8 φ7 mm×0.3 mm鎳鈦形狀記憶合金管材金相組織

▲圖9 φ7 mm×0.3 mm鎳鈦形狀記憶合金管材室溫拉伸曲線

（2）通過(guò)有限元模擬獲得的鎳鈦形狀記憶合金管材旋鍛最優(yōu)工藝參數(shù)為溫度650～750℃、進(jìn)料速度5.0 mm/s、變形量 20%～25%。

（3）按所述最優(yōu)工藝制備的鎳鈦形狀記憶合金管材，微觀組織為均勻等軸晶，平均晶粒尺寸為30 μm左右，力學(xué)性能良好。

［1］OTSUKA K， REN X.Physical Metallurgy of Ti-Ni-based Shape Memory Alloys ［J］.Progress in Materials Science，2005， 50（5）：511-678.

［2］NIINOMI M.Recent Research and Development in Metallic Materials for Biomedical，Dental and Healthcare Products Applications［J］.Materials Science Forum， 2007， 539-543：193-200.

［3］FENG P， SUN Q P.In Situ Profilometry for Non-uniform Strain Field Measurement of NiTi Shape Memory Alloy Microtubing under Complex Stress States［J］.Smart Materials and Structures， 2007， 16（1）：S179-S186.

［4］ROBERTSON S W，RITCHIE R O.In Vitro Fatigue-crack Growth and Fracture Toughness Behavior of Thin-walled Superelastic Nitinol Tube for Endovascular Stents：A Basis for Defining the Effect of Crack-like Defects［J］.Biomaterials， 2007， 28（4）：700-709.

［5］LI Z Q.Simulation of Initial Formation and Growth of Martensitic Band in NiTi Micro-tube under Tension ［J］.International Journal of Solids and Structures， 2010， 47（1）：113-125.

［6］張琦，母東，靳凱強(qiáng)，等.旋轉(zhuǎn)鍛造成形技術(shù)研究現(xiàn)狀［J］.鍛壓技術(shù)， 2015， 40（1）：1-6.

［7］MORAKABATI M， KHEIRANDISH S， ABOUTALEBI M，et al.A Study on the Hot Workability of Wrought NiTi Shape Memory Alloy［J］.Materials Science and Engineering：A，2011， 528（18）：5656-5663.

［8］孫繼旺，付建華，李永堂，等.基于Deform-3D的后橋半軸擺輾新工藝分析［J］.鍛壓技術(shù)， 2009， 34（3）：160-163.

［9］尹冠人，胡成亮，趙震.薄壁管旋轉(zhuǎn)鍛造3D數(shù)值模擬［J］.鍛壓技術(shù)， 2009， 34（3）：13-17.

［10］江樹勇，張艷秋，趙立紅，等.基于不同減薄量的縱向內(nèi)筋薄壁筒反向滾珠旋壓分析［J］.應(yīng)用科技， 2012，39（5）：1-6.

［11］JIANG S Y， ZHANG Y Q， ZHAO Y N， et al.Finite Element Simulation of Ball Spinning of NiTi Shape Memory Alloy Tube Based on Variable Temperature Field ［J］.Transactions of Nonferrous Metals Society of China， 2013，23（3）：781-787.