極間距和拋光液溫度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

（山東理工大學機械工程學院，山東 淄博 255049）

心血管疾病作為頭號健康殺手，其患病率和死亡率居高不下，對其治療手段的研究越來越受到重視。介入手術(shù)具有對人體損傷小、安全性高、治療效果好等優(yōu)點，廣受醫(yī)生及研發(fā)人員的青睞。鎳鈦合金具有超彈性和良好的生物相容性，常被用作介入手術(shù)的首選材料[1-2]。但鎳鈦合金管需經(jīng)過激光切割、電解拋光等一系列處理方可植入人體。表面殘余壓應(yīng)力的存在有利于提高鎳鈦合金管的疲勞強度[3]，較低的表面粗粗度則可提高人體與血管內(nèi)壁的接觸穩(wěn)定性[4]。因此，通過電解拋光來降低工件表面粗糙度和增大殘余壓應(yīng)力對于增強鎳鈦合金管植入人體的穩(wěn)定性有重要意義。

電解拋光的主要影響因素有極間距、拋光液溫度、電流密度、拋光時間、電解液成分等?，F(xiàn)有文獻報道主要集中于研究上述因素對鎳鈦合金管電解拋光的影響，有關(guān)電化學拋光裝置的研究卻鮮少報道，往往存在裝置制作繁瑣、成本高等缺點[5]。前期已經(jīng)研究了電流密度和拋光時間對鎳鈦合金管電解拋光的影響，發(fā)現(xiàn)合適的電流密度和拋光時間對改善工件表面質(zhì)量起到積極的效果。本文采用自制拋光裝置對鎳鈦合金管進行電解拋光，選用高氯酸?冰醋酸基液，主要研究了極間距和拋光液溫度對拋光后鎳鈦合金管表面粗糙度、表面形貌和殘余應(yīng)力的影響，以尋求較優(yōu)的電解拋光參數(shù)，得到表面性能更好的鎳鈦合金。

1 實驗

1.1 工件的準備

選用Ti51.75Ni48.25(下標的數(shù)值表示原子分數(shù))鎳鈦合金管，外徑2.6 mm，壁厚0.2 mm，長度10 mm，初始外表面粗糙度1.5 μm，表面殘余壓應(yīng)力60 MPa。在電化學拋光前，先用體積比為5∶10∶35∶10的氫氟酸、鹽酸、硝酸和水的混合溶液超聲清洗30 s，以去除鎳鈦合金管表面雜質(zhì)，再用去離子水進行超聲清洗2 min。用鑷子夾出，小功率吹風機吹干后放入密封盒中。

1.2 電化學拋光裝置

電解拋光裝置如圖1所示，主要包含了RKS3003D型直流穩(wěn)壓電源(美瑞克公司)、85-2WS型加熱型磁力攪拌器(滬析公司)和電解液循環(huán)系統(tǒng)。以鎳鈦合金管作為陽極，內(nèi)徑為22.6、28.6、32.6、38.6、42.6、48.6或52.6 mm的不銹鋼管作為陰極。

圖1 電化學拋光裝置示意圖Figure 1 Schematic diagram of electrochemical polishing device

1.3 電化學拋光液的組成和工藝參數(shù)

電解拋光基液是體積比為1∶18的高氯酸和冰醋酸混合液，以9 mL/L三乙醇胺作為添加劑。工藝條件為：電流密度(JA)1.35 A/cm2，拋光時間(t)90 s，溫度(θ)10 ~ 35 °C，極間距(d)10 ~ 25 mm。

1.4 性能檢測

采用FEI Quanta250場發(fā)射環(huán)境掃描電鏡(FESEM)觀察鎳鈦合金管外表面的微觀形貌。采用OPTELICS C130型激光共聚焦顯微鏡(CLSM)測量鎳鈦合金管外表面的粗糙度(Ra)。

采用芬蘭Stresstech Xstress 3000 G2R殘余應(yīng)力儀測量鎳鈦合金管的殘余應(yīng)力，有效待測對象為鎳原子，測量靶材為Cr靶。具體測量參數(shù)如下：工作電壓30 kV，曝光時間60 s，工作電流7 mA，泊松比0.31，彈性模量212 GPa，2θ角133.7°，米勒指數(shù)220，Ψ角±40°，Ψ搖擺角±5°。殘余應(yīng)力為正值代表殘余拉應(yīng)力，負值代表殘余壓應(yīng)力。

2 結(jié)果與討論

2.1 極間距和拋光液溫度對表面粗糙度的影響

由圖2a可知，當溫度為25 °C時，隨極間距從10 mm增大到15 mm，鎳鈦合金管的表面粗糙度顯著下降。極間距為15 mm時，工件表面粗糙度降至54.8 nm。繼續(xù)增大極間距，鎳鈦合金管的表面粗糙度反而上升。由圖2b可知，在極間距為15 mm時，隨拋光液溫度升高，鎳鈦合金管的表面粗糙度呈先減小后增大的趨勢。當拋光液溫度為25 °C時，鎳鈦合金管外表面的粗糙度最小。

圖2 極間距(a)和溫度(b)對鎳鈦合金管表面粗糙度的影響Figure 2 Effects of interelectrode distance (a) and temperature (b) on surface roughness of Ni–Ti alloy tube

2.2 極間距和拋光液溫度對表面形貌的影響

由圖3可以看出，極間距過小(10 mm)時，電解液中金屬陽離子的自由運動受到限制，不能進行快速擴散，導致拋光過程遲緩，氧化膜和表面雜質(zhì)難以去除。適當增大極間距時，鎳鈦合金管表面的突起減少，平整性得到改善。極間距為15 mm時，鎳鈦合金管表面光亮、整潔，電蝕坑和突起最少。繼續(xù)增大極間距，電壓保持不變，但電解液中的電流密度會下降，拋光效果不佳。

圖3 在不同極間距下拋光后鈦合金管的表面形貌(溫度25 °C)Figure 3 Surface morphologies of Ni–Ti alloy tube after being electropolished at 25 °C and different interelectrode distances

由圖4可知，隨著拋光液溫度升高，鎳鈦合金管的表面質(zhì)量先變好后變差。究其原因為：溫度較低時，電解液的流動性較差，鎳鈦合金管表面的電極反應(yīng)緩慢，鎳鈦合金管表面的氧化膜難以去除，導致拋光不均。拋光液溫度升高時，電解液的黏度降低，有利于金屬陽離子電解后的游離擴散，促進了拋光的進行，改善了鎳鈦合金管的表面質(zhì)量。溫度過高時，析氧現(xiàn)象加劇，使得鎳鈦合金管表面蝕除過快，從而導致表面去除速率分布不均，出現(xiàn)許多溝槽，拋光效果不好。

圖4 在不同溫度下拋光后鈦合金管的表面形貌(極間距15 mm)Figure 4 Surface morphologies of Ni–Ti alloy tube after being electropolished at different temperatures and an interelectrode distances of 15 mm

2.3 極間距和拋光液溫度對殘余應(yīng)力分布的影響

從圖5a可知，溫度為25 °C時，隨極間距增大，鎳鈦合金管表面殘余壓應(yīng)力呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。當極間距為15 mm時，殘余壓應(yīng)力最大，為191.7 MPa。分析原因為極間距較小時，電解液流動慢，拋光速率低，鎳鈦合金管表面的氧化膜難以去除，殘余應(yīng)力與拋光前的?60 MPa相比變化不大。增大極間距，拋光速率穩(wěn)步提升，電解使得鎳鈦合金管表面金屬層得以穩(wěn)步去除。由于不同深度金屬層的鎳原子排列規(guī)則不同[6]，而鎳原子的排列規(guī)則與殘余應(yīng)力的大小直接相關(guān)，因此鎳鈦合金的殘余壓應(yīng)力變大，抗疲勞強度升高。繼續(xù)增大極間距，電解液中的電流密度變小，殘余壓應(yīng)力同時減小，鎳鈦合金的抗疲勞強度降低?？梢?，當極間距為15 mm時，可以獲得抗疲勞強度高的工件表面。

從圖5b可知，極間距為15 mm時，隨著拋光液溫度升高，鎳鈦合金管的表面殘余壓應(yīng)力呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。當拋光液溫度為25 °C時，工件表面的殘余壓應(yīng)力達到最大。究其原因：拋光液溫度的變化影響電解液的流動性和陽離子的活動速率。溫度過低，電解液流動慢，電解反應(yīng)慢；溫度過高，反應(yīng)劇烈，導致產(chǎn)生拋光過腐蝕現(xiàn)象，工件表面質(zhì)量變差。

圖5 極間距(a)和溫度(b)對鎳鈦合金管表面殘余應(yīng)力的影響Figure 5 Effects of interelectrode distance (a) and temperature (b) on residual stress of Ni–Ti alloy tube surface

3 結(jié)論

在電流密度1.35 A/cm2、溫度25 °C、極間距15 mm的條件下對鎳鈦合金管電解拋光90 s時，拋光效果最佳。在該條件下拋光后，鎳鈦合金管表面光亮整潔，電蝕坑和突起最少，表面粗糙度為54.8 nm，表面殘余壓應(yīng)力達到最大(191.7 MPa)，抗疲勞強度得到有效提高。