電流密度和拋光時間對鎳鈦合金管電解拋光的影響

李越，李志永，柴明霞，宋山，黃朝霞，張杰翔

（山東理工大學機械工程學院，山東 淄博 255049）

我國老年人口比例越來越大，老年人是心血管疾病的高發人群[1]，對血管支架的需求量不斷提升。鎳鈦合金因具有密度低、無磁性等功能而成為血管支架的首選材料[2-4]。但支架在植入人體后會受到不同程度的腐蝕，較差的表面質量會影響其使用性能，較低的表面粗糙度有利于提高血液相容性[5]。但鎳鈦合金管在成形加工過程中，表面質量和粗糙度都難以滿足使用要求，并且會產生殘余應力，影響鎳鈦合金管的疲勞強度，進而影響其服役壽命。故通過電解拋光降低鎳鈦合金的表面粗糙度和殘余應力，對于鎳鈦合金能否滿足作為支架材料的要求具有重要的參考意義。

Palmaz等[6]的研究表明，未經拋光的鎳鈦合金植入血管后，內壁和鎳鈦合金之間的相對移動增大了2倍以上。黃朝霞等[7]研究了電解拋光對鎳鈦合金表面粗糙度的影響，發現拋光后鎳鈦合金表面粗糙度最低可降至51.1 nm。近5年內國內學者對電解拋光鎳鈦合金的研究較少，且鎳鈦合金管的表面粗糙度很難降到80 nm以下[8-9]，而國外最新研究成果已突破30 nm[10]。A.Schiavone等[11]研究了鎳鈦合金管在前期成形加工中產生的殘余應力對支架服役性能的影響，發現表面殘余壓應力的存在使支架的力學性能更穩定，且金屬表面殘余壓應力較高時，抗疲勞強度也會提高[12]。本文采用自主設計的電解拋光裝置，選用高氯酸-冰醋酸體系對鎳鈦合金管電解拋光，探究了拋光時間和電流密度對鎳鈦合金管表面粗糙度、表面形貌和殘余應力的影響，以獲得合適的電解拋光參數，提高拋光效果。

1 實驗

1.1 電解拋光工藝

選用江陰法爾勝佩爾新材料科技有限公司生產的鎳鈦合金(Ti的原子分數為44.7%)管(見圖1)，外徑2.6 mm，內徑2.2 mm，表面粗糙度(Ra)1.5 μm。電解拋光前采用600#至2000#砂紙逐級打磨，再依次用丙酮、去離子水超聲清洗，干燥后密封備用[13]。

圖1 鎳鈦合金管 Figure 1 Ni-Ti alloy tubes to be electropolished

圖2是電解拋光裝置，采用無錫安耐斯電子科技有限公司生產的MS1003D型直流穩壓電源。基于前期試驗結果[13]，選用體積比為1∶18的高氯酸-冰醋酸體系作為電解拋光基液。采用304不銹鋼管作為陰極，鎳鈦合金管外壁為陽極進行電解拋光，拋光溫度25 °C，拋光間隙15 mm，電流密度0.75～1.75 A/cm2，拋光時間60～120 s。電解完畢，用丙酮、無水乙醇和蒸餾水分別超聲清洗10min，最后用吹風機吹干。

圖2 電解拋光裝置示意圖 Figure 2 Sketch of electropolishing device

1.2 性能檢測

采用德國Micro XAM-100型白光干涉儀測量鎳鈦合金管的表面粗糙度。采用德國Axio Scope A1金相顯微鏡分析表面形貌。采用芬蘭Stresstech Xstress 3000 G2R殘余應力儀測量殘余應力，以鎳原子作為測量對象，靶材為Cr靶，具體參數為：工作電壓30 kV，工作電流7 mA，曝光時間60 s，泊松比0.31，彈性模量212 GPa，2θ= 133.7°，米勒指數220，Ψ角± 40°，Ψ搖擺角± 5°。殘余應力為正值代表殘余拉應力，負值代表殘余壓應力。

2 結果與討論

2.1 拋光時間和電流密度對表面粗糙度的影響

拋光后的表面質量與拋光時間密切相關。拋光時間過長會導致工件被過度拋光而損壞；拋光時間不足，則表面粗糙的金屬層未能被完全去除，拋光效果不佳。電流密度同樣對拋光后的表面質量有重要影響。當電流密度過低時，鎳鈦合金表面始終處于溶解狀態，拋光后的殘渣得不到快速去除，導致表面粗糙度較大；當電流密度過高時，反應劇烈，表面析出較多氣體，氣體析出過程中會使局部拋光液流動不均，進而導致拋光不均，達不到理想效果。

從圖3a可知，在電流密度1.15 A/cm2下電解拋光時，鎳鈦合金管的Ra隨著拋光時間的延長呈現先減小后增大的趨勢。電解拋光90 s時鎳鈦合金管的Ra最小，為53.8 nm。如圖3b所示，在不同電流密度下電解拋光90 s時，隨電流密度增大，鎳鈦合金管的Ra也呈現先降低后增大的趨勢。當電流密度為1.15 A/cm2時，Ra最小。

圖3 拋光時間(a)和電流密度(b)對鎳鈦合金管表面粗糙度的影響 Figure 3 Effects of electropolishing time (a)and current density (b)on roughness of Ni-Ti alloy tube surface

2.2 拋光時間和電流密度對表面形貌的影響

從圖4可知，拋光時間過短或過長都不能獲得較好的表面形貌。拋光60 s時，鎳鈦合金管表面有部分氧化膜殘留及未完全溶解的凸起。隨著拋光時間從60 s延長到90 s時，鎳鈦合金管表面凹坑逐漸減小；當拋光時間為90 s時效果最好，表面平整光亮，凹坑最少。繼續延長拋光時間，鎳鈦合金表面的凹坑逐漸增大，表面形貌變差。當拋光120 s時，由于拋光時間過長，鎳鈦合金表面出現過腐蝕甚至損壞現象，未達到預期的效果。

圖4 在電流密度1.15 A/cm2下拋光不同時間后鎳鈦合金管的表面形貌 Figure 4 Surface morphologies of Ni-Ti alloy tube after being electropolished at a current density of 1.15 A/cm2 for different time

如圖5所示，電流密度為0.75 A/cm2時，鎳鈦合金管表面粗糙，并伴有許多較小的凸起。這是因為電流密度較低時，鎳鈦合金表面處于活化狀態，無法均勻溶解，造成凸起等缺陷，整體暗淡無光。隨著電流密度的增大，鎳鈦合金管的表面形貌逐漸改善。當電流密度為1.15 A/cm2時，鎳鈦合金管表面凸起等缺陷大幅減少，表面形貌最佳，整體光亮。繼續增大電流密度，鎳鈦合金表面出現拋光過度的跡象，形貌變差。當電流密度為1.75 A/cm2時，鎳鈦合金表面出現若干小孔，過度拋光現象嚴重。

圖5 在不同電流密度下拋光90 s后鎳鈦合金管的表面形貌 Figure 5 Surface morphologies of Ni-Ti alloy tube after being electropolished at different current densities for 90 seconds

2.3 拋光時間和電流密度對殘余應力分布的影響

在試樣表面選取便于測量的最高點，采用X射線衍射儀測量殘余應力，結果見圖6。

圖6 拋光時間(a)和電流密度(b)對鎳鈦合金管表面殘余應力的影響 Figure 6 Effects of electropolishing time (a)and current density (b)on residual stress of Ni-Ti alloy tube surface

從圖6a可知，在電流密度為1.15 A/cm2時，隨拋光時間延長，鎳鈦合金表面的殘余壓應力呈現先增大后減小的趨勢。電解拋光90 s時，鎳鈦合金的殘余壓應力最高，為175.8 MPa。拋光時間超過90 s時，殘余壓應力逐漸減小，最后變為殘余拉應力。究其原因，在電解拋光的開始階段，鎳鈦合金管表面附著氧化膜，殘余應力變化并不明顯，拋光時間從80 s延長到90 s時，鎳鈦合金管表面的凹坑減小，不規則排列的鎳原子金屬層顯現出來，殘余應力顯著增大，使得鎳鈦合金管具有較高的疲勞強度，提升了鎳鈦合金的表面力學性能；繼續延長拋光時間，殘余壓應力減小，進而導致鎳鈦合金管的疲勞強度降低。可見拋光時間為90 s時，鎳鈦合金管可獲得最大殘余壓應力狀態的表面。

如圖6b所示，在電解拋光90 s的情況下，隨電流密度增大，鎳鈦合金管的表面殘余壓應力也呈現先增大后減小的趨勢。當電流密度增大到1.15 A/cm2時，鎳鈦合金管的殘余壓應力最高。繼續增大電流密度，殘余壓應力逐漸減小至61.1 MPa。究其原因，當電流密度超過1.15 A/cm2時，拋光電流強度過大導致拋光過腐蝕現象，不規則排列的鎳原子金屬層逐漸被蝕除，鎳鈦合金管的表面殘余壓應力相應減小。

3 結論

在拋光溫度25 °C、拋光間隙15 mm、電流密度1.15 A/cm2的條件下拋光90 s時，鎳鈦合金管表面粗糙度Ra降為53.8 nm，拋光效果最佳，表面質量最好，同時表面殘余壓應力達到最大的175.8 MPa，疲勞強度得到了有效提高。