記憶合金材料加工性研究及其在星載領(lǐng)域的應(yīng)用

□ 申志剛

南京電子技術(shù)研究所 南京 210039

1 記憶合金材料概述

顧名思義，記憶合金材料具有形狀記憶效應(yīng)［1-2］。當(dāng)前，記憶合金材料在我國(guó)工程、民用和醫(yī)用等領(lǐng)域的應(yīng)用已相當(dāng)廣泛，但與發(fā)達(dá)國(guó)家相比，我國(guó)在原材料制備、技術(shù)含量等方面尚存不小的差距。同時(shí)，我國(guó)對(duì)記憶合金材料加工性能方面的研究也不夠深入，這直接限制了記憶合金材料進(jìn)一步在航空航天及軍工高端工程領(lǐng)域的應(yīng)用。

根據(jù)目前報(bào)道，記憶合金材料在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用主要包括可展開天線、特種管接頭、非火工分離機(jī)構(gòu)、超彈性防松構(gòu)件和智能結(jié)構(gòu)控制件等。筆者所在單位在星載合成孔徑雷達(dá)等產(chǎn)品研制中，發(fā)現(xiàn)記憶合金材料在星載雷達(dá)天線的在軌熱控制、主動(dòng)精度控制應(yīng)用方面具有巨大優(yōu)勢(shì)，具體包括可展開天線驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、展開機(jī)構(gòu)、分離機(jī)構(gòu)、網(wǎng)面精度調(diào)整機(jī)構(gòu)等。

材料應(yīng)用首先面臨的是加工性問題，良好的機(jī)加工、焊接等性能可以為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師提供較大的設(shè)計(jì)空間。根據(jù)現(xiàn)狀調(diào)研，在記憶合金材料的制備加工方面，目前醫(yī)用、民用產(chǎn)品已較為成熟，相應(yīng)的原料制備冶煉、半成品和成品加工等技術(shù)已相對(duì)完善。在原理研究方面，對(duì)記憶合金材料基本記憶效應(yīng)的研究已具備一定基礎(chǔ)，關(guān)于合金內(nèi)部組織成分和晶體結(jié)構(gòu)等對(duì)材料轉(zhuǎn)變溫度、記憶效應(yīng)變形等的影響，研究也在深入開展［3-4］。

針對(duì)記憶合金材料在可展開天線在軌精度控制方面的應(yīng)用，研究記憶合金材料的材料特性和加工性能，包括材料的熔煉制備、冷熱成型、切削加工性、可焊接性等，獲取這些工藝信息對(duì)各種機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以及加工工藝方式和參數(shù)的選擇具有指導(dǎo)意義。

2 記憶合金材料基本特性

記憶合金材料的形狀記憶效應(yīng)于1963年由美國(guó)海軍軍械實(shí)驗(yàn)室首次發(fā)現(xiàn)。在傳統(tǒng)材料的彈塑性變形和熱變形之外，記憶合金材料具備與上述變形都不同，而與記憶相關(guān)的變形特性，具有在一定的轉(zhuǎn)變溫度下記憶并恢復(fù)至母相時(shí)形狀的能力。形狀記憶效應(yīng)主要有三種：?jiǎn)纬逃洃浶?yīng)、雙程記憶效應(yīng)和超彈性效應(yīng)。根據(jù)不同的溫度和應(yīng)力狀況，三種效應(yīng)會(huì)單獨(dú)或同時(shí)出現(xiàn)。形狀記憶效應(yīng)的實(shí)質(zhì)是熱彈性馬氏體的轉(zhuǎn)變，通常這種轉(zhuǎn)變與冷卻時(shí)間及原子擴(kuò)散沒有依賴關(guān)系。形狀記憶效應(yīng)是否能夠顯現(xiàn)還取決于合金化學(xué)成分、晶體結(jié)構(gòu)參數(shù)及顯微組織。

目前發(fā)現(xiàn)的記憶合金材料很多，但其中大多數(shù)并不能滿足工業(yè)應(yīng)用的需求，主要可使用的記憶合金材料有鈦鎳系、銅基和鐵基。通過對(duì)轉(zhuǎn)變溫度、最大單雙程記憶效應(yīng)和最大彈性變形等的比較，鈦鎳系記憶合金材料擁有最適宜的轉(zhuǎn)變溫度范圍和最佳的形狀記憶效應(yīng)，目前得到了最廣泛的研究和應(yīng)用［5］。

表1給出了一種典型鈦鎳系記憶合金材料的主要性能。

3 記憶合金材料在星載領(lǐng)域的應(yīng)用

記憶合金材料問世后，受到了廣泛關(guān)注和應(yīng)用，其中鈦鎳系記憶合金材料因具有優(yōu)異的形狀記憶效應(yīng)和超彈性，加之比強(qiáng)度高、抗腐蝕和生物相容性好等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于航空航天、電子、能源、民用和醫(yī)療器械等領(lǐng)域。

表1 鈦鎳系記憶合金材料主要性能

記憶合金材料在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用主要包括可展開天線、管接頭、非火工分離機(jī)構(gòu)、超彈性防松構(gòu)件和智能結(jié)構(gòu)控制件［5］。1969年，鈦鎳系記憶合金材料管接頭用于F-14飛機(jī)油路連接系統(tǒng)［6］，此種管道連接方式安全、可靠、快捷，遠(yuǎn)勝于焊接。鈦鎳系記憶合金材料管接頭最大直徑可達(dá)150 mm，可用于海底管道。在航天領(lǐng)域，美國(guó)在1970年首先將鈦鎳系記憶合金材料用于制造阿波羅宇宙飛船的天線，天線發(fā)射前折成直徑5 cm的球狀，飛船進(jìn)入太空后，通過加熱將鈦鎳系記憶合金絲升溫至轉(zhuǎn)變溫度，天線恢復(fù)展開為原先設(shè)定的拋物面形狀。

筆者以下從無動(dòng)力驅(qū)動(dòng)器、分離機(jī)構(gòu)介紹記憶合金材料在星載領(lǐng)域的典型應(yīng)用［7］。

3.1 無動(dòng)力驅(qū)動(dòng)器

記憶合金材料在形狀恢復(fù)過程中會(huì)產(chǎn)生巨大的力，能量密度高，可作為驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的動(dòng)力源。將記憶合金材料制作成隨溫度變化的自適應(yīng)無動(dòng)力驅(qū)動(dòng)器，適用于開啟、閉合這樣的簡(jiǎn)單動(dòng)作場(chǎng)合。記憶合金材料無動(dòng)力驅(qū)動(dòng)器在航空航天領(lǐng)域已取得實(shí)際應(yīng)用，如“火星探路者”號(hào)太空船測(cè)試單元防護(hù)罩的打開動(dòng)作器、驅(qū)動(dòng)衛(wèi)星的太陽能帆板等［8］。

記憶合金材料無動(dòng)力驅(qū)動(dòng)器與磁致伸縮驅(qū)動(dòng)器、壓電驅(qū)動(dòng)器相比較，具有很多優(yōu)點(diǎn)，如因強(qiáng)變形能力而具備較大驅(qū)動(dòng)行程，因高工作和斷裂應(yīng)力而可用于強(qiáng)度要求高的驅(qū)動(dòng)元件和結(jié)構(gòu)，高能量密度和材料強(qiáng)度可提供較大驅(qū)動(dòng)力等。記憶合金材料無動(dòng)力驅(qū)動(dòng)器的主要缺點(diǎn)是工作頻率較低，目前最高工作頻率只能達(dá)到4 Hz，提高記憶合金材料的響應(yīng)頻率是拓展其應(yīng)用前景的一個(gè)重要研究方向。

當(dāng)前在航天應(yīng)用中，無動(dòng)力驅(qū)動(dòng)器的質(zhì)量大，價(jià)格高昂，且需維護(hù)。而理想的無動(dòng)力驅(qū)動(dòng)器應(yīng)當(dāng)具有能量密度高、不受自帶大能量源影響、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)。太空中太陽輻射能量充足，因此使用太陽能的記憶合金材料無動(dòng)力驅(qū)動(dòng)器具有很大應(yīng)用前景。新型太陽能記憶合金材料無動(dòng)力驅(qū)動(dòng)器可以直接利用太陽輻射能來改變溫度場(chǎng)，利用記憶合金材料的相變記憶效應(yīng)，獲得所需的驅(qū)動(dòng)力和位移量［9］。圖1所示為太陽能記憶合金材料無動(dòng)力驅(qū)動(dòng)器。

▲圖1 太陽能記憶合金材料無動(dòng)力驅(qū)動(dòng)器

3.2 分離機(jī)構(gòu)

記憶合金材料在航天器分離機(jī)構(gòu)等場(chǎng)合因自身所具有的可重復(fù)使用和低沖擊優(yōu)點(diǎn)而受到青睞。美國(guó)研制的記憶合金材料作動(dòng)器成功解決了響應(yīng)速度慢的問題，已在衛(wèi)星的分離機(jī)構(gòu)上得以應(yīng)用［10］。目前，國(guó)內(nèi)也開始進(jìn)行此方面的研究，一些產(chǎn)品已進(jìn)入工程驗(yàn)證階段，記憶合金材料作動(dòng)器未來在小微型航天飛行器分離機(jī)構(gòu)上有廣闊的應(yīng)用前景。

圖2所示是一種可替代爆炸螺栓的連接螺栓分離機(jī)構(gòu)。連接螺栓分離部位預(yù)先進(jìn)行削弱處理，螺栓穿過記憶合金管中心。記憶合金管外有絕熱層和加熱裝置，通電對(duì)記憶合金管加熱，在達(dá)到轉(zhuǎn)變溫度后，記憶合金管伸長(zhǎng)產(chǎn)生應(yīng)力，使螺栓在分離點(diǎn)斷裂。這一分離機(jī)構(gòu)曾用于衛(wèi)星太陽帆板的展開機(jī)構(gòu)。

▲圖2 連接螺栓分離機(jī)構(gòu)

直接采用記憶合金材料分離機(jī)構(gòu)的缺點(diǎn)是作用時(shí)間長(zhǎng)、供電功率大，因此記憶合金絲和記憶合金彈簧的應(yīng)用成為了重點(diǎn)。圖3所示為采用了記憶合金彈簧的分離螺母，由于采用了復(fù)位彈簧，分離螺母不需要拆卸即可多次重復(fù)使用。圖4所示為記憶合金材料無沖擊螺母，采用記憶合金絲作為觸發(fā)元件，利用內(nèi)部的飛輪裝置儲(chǔ)能，工作時(shí)通過飛輪旋轉(zhuǎn)釋放機(jī)構(gòu)，分離沖擊力很小。無沖擊螺母分離機(jī)構(gòu)曾于2000年成功用于太空船釋放。

4 記憶合金材料的加工性能

記憶合金材料有較大應(yīng)用潛力，其加工性能需要重點(diǎn)研究。可加工制造出何種形狀和復(fù)雜程度的結(jié)構(gòu)制件，以及加工制造可實(shí)現(xiàn)的難易程度和成本因素，是某種材料能否取得工程實(shí)際應(yīng)用的關(guān)鍵。

毛坯件形狀直接影響最終零件的加工制造，合理地選擇不同形狀的毛坯件匹配不同結(jié)構(gòu)的零件，不但使加工制造方便、簡(jiǎn)捷，而且能充分發(fā)揮記憶合金材料的特性［11］。常用記憶合金材料毛坯件形狀可分為絲狀、棒狀和帶狀等。記憶合金絲材結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可充分利用材料，并具有較小的截面，制造成本經(jīng)濟(jì)，且適用范圍廣，因此尤其適用于驅(qū)動(dòng)器。棒狀、梁狀、帶狀等記憶合金材料作為補(bǔ)充，可滿足各種不同的需求。

4.1 熔煉制備

目前工程應(yīng)用的鈦鎳系記憶合金材料均采取熔煉法制備。以鈦和鎳兩種合金成分為主，形成鈦鎳系金屬間化合物，可通過添加少量的鐵、鈷、銅合金元素，調(diào)節(jié)其相變溫度范圍。

▲圖3 分離螺母

▲圖4 無沖擊螺母

熔煉工藝是獲得合金成分均勻、材質(zhì)優(yōu)良的關(guān)鍵。真空感應(yīng)一次熔煉工藝成本最低，但雜質(zhì)碳含量最高。真空自耗加真空感應(yīng)重熔工藝碳含量引入小，鑄錠質(zhì)量較好，但爐容量較小，限制了批量生產(chǎn)。真空凝殼加真空自耗重熔工藝成分均勻，沒有碳引入，且兩次熔煉具有成分的可調(diào)性，便于獲得理想的合金組成，適合工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)。真空凝殼一次熔煉工藝是一種速度快但有待開發(fā)和完善的鈦鎳系記憶合金材料生產(chǎn)新工藝，可直接精鑄為熱軋坯料，省去鑄錠開坯工序，有利于提高成材率，降低成本［12］。上述四種熔煉工藝是當(dāng)今國(guó)內(nèi)外鈦鎳系記憶合金材料生產(chǎn)的主要方法。

4.2 壓力成型加工

由于鈦鎳系記憶合金材料冷加工性能較差，易加工硬化，因此必須嚴(yán)格控制加工變形量以防止材料發(fā)生斷裂。熱加工是目前鈦鎳系記憶合金材料壓力成型的主要方法，加熱壓力成型的關(guān)鍵在于溫度、變形速度和變形程度的合理控制。以最常見的絲材、棒材和板材的成型加工為例，一般均以熱加工為粗加工手段，中間退火熱處理，然后再經(jīng)過冷軋或冷拔精加工成型，這樣既可以獲得較高的加工效率，又可以獲得良好的最終加工表面質(zhì)量。

除絲材、棒材成型和板材成型外，記憶合金帶材的軋制目前多采用可逆式溫軋機(jī)進(jìn)行，其工藝實(shí)施的關(guān)鍵在于與合金連接可靠的牽引帶及其所施加的合適張力。自由鍛一般適用于小型制件的毛坯制備，熱模鍛造的生產(chǎn)效率高，另外通過控制溫度、擠壓速度，合理選擇潤(rùn)滑劑，可以獲得較高的加工精度。

4.3 機(jī)械加工

實(shí)際使用的機(jī)械零件，其質(zhì)量和精度要求高，一般需經(jīng)機(jī)械加工才能達(dá)到，如記憶合金管接頭就需要通過精密機(jī)械加工。記憶合金材料由于導(dǎo)熱系數(shù)小，僅為45號(hào)鋼的1/9，因此切削加工時(shí)切削熱難以快速導(dǎo)出，切削區(qū)溫度較高，導(dǎo)致刀具磨損快，刀具不耐用。可以通過優(yōu)選刀具材料、切削參數(shù)和冷卻方式來改善切削性能，例如，可以使用具備特殊表面鍍層處理的硬質(zhì)合金刀具來提高刀具的耐用性，選用高速銑削方式來減少切削熱的積累，減小加工變形。同時(shí)，切削液和冷卻方式的選擇也是關(guān)鍵因素，微量潤(rùn)滑冷卻技術(shù)在記憶合金材料的加工性能改善方面效果較好。銅基記憶合金材料相比鈦鎳系記憶合金材料，脆性更強(qiáng)，在進(jìn)給速度、切削深度等切削參數(shù)的選擇上應(yīng)進(jìn)行區(qū)別。

4.4 焊接

當(dāng)前記憶合金零件主要為絲、片和彈簧等簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)零件，將其焊接成更復(fù)雜的形狀，可大大拓展應(yīng)用范圍。記憶合金材料的焊接，除應(yīng)滿足一般焊接的低缺陷率和焊縫力學(xué)性能要求外，還必須保證形狀記憶的功能要求，因此比一般材料的焊接工藝難度大、受限多［13］。

記憶合金材料的焊接方法，如等離子束流焊、氬弧焊、惰性氣體保護(hù)鎢極電弧焊、擴(kuò)散焊、電阻焊、激光焊等，在國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)中已有報(bào)道。其中，激光焊具有能量高度集中、焊縫熱影響區(qū)小、焊接變形小等諸多優(yōu)勢(shì)，可實(shí)現(xiàn)良好的成形焊縫和較高的焊接質(zhì)量，非常適合焊接記憶合金材料［14］。記憶合金材料由于在延伸率方面與普通金屬差別較大，因此與其它金屬的焊接性差，目前的研究也主要是同種材料的焊接，對(duì)于記憶合金材料與異種材料焊接的研究則較少。

5 結(jié)束語

記憶合金材料在星載天線的在軌熱控制、主動(dòng)精度控制方面具有一定優(yōu)勢(shì)，在星載雷達(dá)可展開天線上的多種結(jié)構(gòu)中有較大應(yīng)用前景，如驅(qū)動(dòng)裝置、展開機(jī)構(gòu)、分離機(jī)構(gòu)、網(wǎng)面精度調(diào)整機(jī)構(gòu)等［15-16］。

對(duì)于記憶合金材料制備、加工性能方面的研究，需進(jìn)一步深入，以提高原材料成分的均勻性、一致性和質(zhì)量［17］。在材料的切削加工性、焊接性等加工特性方面，研究也需更加緊密貼合工程實(shí)際應(yīng)用。材料的冷熱加工性能均需進(jìn)一步提高。

針對(duì)記憶合金材料在星載領(lǐng)域的應(yīng)用，研究記憶合金材料的材料特性和加工性能，包括切削加工性、可焊接性等，可以為記憶合金材料在星載領(lǐng)域的應(yīng)用積累工藝基礎(chǔ)，對(duì)未來產(chǎn)品的研制具有一定的參考價(jià)值和積極意義。