線性超彈性鎳鈦合金絲材特性

黃陳兵（通訊作者），吳松柏，張 凱，陳慶福

（江陰法爾勝佩爾新材料科技有限公司 江蘇 江陰 214437）

1 引言

鎳鈦合金是一種形狀記憶合金，在奧氏體狀態下具有超彈性特性，具有良好的機械性能，優良的耐腐蝕性及生物相容性，在工業自動化控制，醫療器械等領域有極其重要的應用。傳統超彈性狀態的鎳鈦合金通過時效熱處理工藝進行制備，拉伸測試時可獲得“旗幟”狀態的應力應變曲線。在介入醫療器械領域，因為剛性不足，鎳鈦合金導絲在使用過程中存在對器械支持力不足的問題，限制了鎳鈦合金在介入醫療器械領域更進一步的廣泛應用。近年來發展出一種區別于傳統制備方法的線性超彈性合金。本文對線性超彈鎳鈦合金和傳統超彈鎳鈦合金的性能差異作一綜述。

2 鎳鈦合金試樣的制備方法

2.1 鎳鈦合金的冶煉

鎳鈦合金的相變溫度對鎳含量的變化十分敏感，1%的鎳含量變化能夠引起相變溫度發生100℃的變化[1]，本實驗選用合金成分為Ni50.9at%-Ti的鎳鈦合金配比，經真空感應熔煉成合金鑄錠。

2.2 鎳鈦合金的熱加工

鎳鈦合金具有良好的高溫延展性，當溫度超過400℃以后，拉伸強度下降，與此相反，延伸率迅速增加[2]。但當材料加工溫度高于900℃時，合金表面將劇烈氧化，產生NiTi-Ti4Ni3低熔點混合物相，該相是間隙氧污染物質，具有脆化合金的作用[3]。因此，熱加工會在800℃左右溫度條件下進行，直至線材外徑0.62mm。

2.3 鎳鈦合金的冷加工

由于鎳鈦合金具有很高的加工硬化率，需采用合適的道次變形量和變形速度[4]。因此，在潤滑液作用下，使用碳化鎢材質拉絲模，將絲材從0.62mm依次拉拔至0.57-0.52-0.48mm，具體工藝參數見表1。

表1 冷拉工藝參數表Table.1 Process parameter of Cold drawing

2.4 超彈性處理

經冶煉，冷熱加工等工序處理，可獲得化學成分為Ni50.9at%-Ti，直徑0.48mm的冷拉拔態線材。一組樣品使用傳統熱處理工藝（500℃×5min）進行時效處理，即傳統超彈性鎳鈦合金線材；另一組樣品使用線性超彈性處理工藝進行加工，即線性超彈性鎳鈦合金線材。

3 線性超彈性和傳統超彈性鎳鈦合金對比測試

3.1 三點彎曲測試

本實驗使用美特斯CMT6104型拉伸機進行測試，在壓縮模式下，按照GB/T 232金屬材料彎曲實驗方法進行測試，測試條件如下：環境溫度24℃，濕度55%，試樣跨距25mm，施力滾柱直徑10mm，支承滾珠直徑5mm。

圖1為傳統超彈性絲材(a)和線性超彈性絲材(b)的三點彎曲測試位移力值曲線，表2則為對應的三點彎曲測試結果，從表2可見，在三點彎曲條件下，線性超彈性比傳統超彈性的彎曲彈性模量值低32.2%，這一特性會讓線性超彈性線材有更優異的柔韌性。在介入醫療器械導絲應用領域，低模量，高柔韌性可以使得導絲有更佳的通過病變的能力，即導絲會有更好的推送性[5]。同時，該特性也表明，線性鎳鈦合金線材有更優異的柔順性，可以降低導絲與血管或腔道的接觸力，減輕導絲在通過時對組織產生的損傷。

表2 三點彎曲測試結果Table.2 Three point bending test results

圖1 傳統超彈性絲材(a)和線性超彈性絲材(b)的三點彎曲測試位移力值曲線Fig.1 Three point bending test displacement force value curve of Traditional superelastic wire (a) and Linear superelastic wire (b)

3.2 拉伸測試

本實驗使用美特斯CMT6104型拉伸機進行測試，按照ASTM F2516超彈性鎳鈦合金標準拉伸測試方法進行測試，測試條件如下：環境溫度24℃，濕度55%，試樣標距500mm，第一循環周期加載/卸載速率為20mm/min，第二循環周期加載速率200mm/min。

圖2為傳統超彈性絲材(a)和線性超彈性絲材(b)的拉伸測試曲線，表3則為對應的拉伸測試結果，從圖2及表3可見，在拉伸模式下，該組對比樣品在測試進入“屈服”階段后，線性超彈性絲材有更高的加載及卸載平臺應力，在特征位置3%應變處，上平臺應力提高18.8%，下平臺應力更是提高了233.8%。該數據表明，在進入大應變區（應變大于2%）之后，線性超彈性合金有更高的強度，絲材的支持力會更強。在介入醫療器械導絲應用領域，高應變條件下，更高的剛性支持力可以使得導絲可以協助器械通過病變的能力得到提高[5]。

表3 拉伸測試結果Table.3 Tensile test results

圖2 線性超彈性絲材(a)和傳統超彈性絲材(b)的拉伸測試曲線Fig.2 The tensile test curve of Linear superelastic wire (a)and Traditional superelastic wire (b)

4 結語

從上述三點彎曲測試及拉伸測試可知，線性超彈性鎳鈦合金相對于傳統鎳鈦合金有更優異的推送性，柔順性，及支撐力。在導絲應用領域，該特性可以幫助鎳鈦合金可以更容易的通過復雜的血管或腔道，進入病變區，并且能給器械的輸送提供更高的支持力，幫助器械到達病變區。相對于傳統的鎳鈦合金，線性超彈性合金在介入醫療器械導絲應用領域有著極為廣闊的前景。