高应变率下不同初始相变温度NiTi合金的力学响应

为获得高应变率下不同初始相变温度NiTi合金的屈服应力等基本物理特性和力学响应规律,采用10^(−3)s^(−1)应变率下准静态压缩与拉伸、10^(5)s^(−1)应变率下准等熵压缩及10^(7)s^(−1)应变率下冲击加载实现跨量级的不同应变率加载,高应变率加载实验中通过控制样品初始温度实现不同初始相态NiTi合金的力学响应测量。结果显示,初始马氏体相和初始奥氏体相NiTi合金的准静态加载应力-应变曲线中均出现2次模量变化,初始马氏体相中的模量变化由晶体重定向和马氏体相塑性变形引起,初始奥氏体相中的模量变化由马氏体相变和相变后塑性变形引起。准等熵加载下,初始马氏体相NiTi合金的Lagrangian声速随粒子速度增大而增大,未观察到间断等非线性变化;而初始奥氏体相中声速曲线存在间断,声速由初始横波值间断减小至体波声速后再随粒子速度线性增大。冲击实验中,初始马氏体相NiTi合金后自由面速度约34 m/s处出现双波结构,而将样品初始温度升至402 K后再冲击加载,则在约100 m/s处出现双波结构,二者速度曲线拐点分别由马氏体相弹塑性屈服和奥氏体相塑性屈服引起;在初始奥氏体相NiTi合金冲击实验中,在样品后自由面速度达到220~260 m/s时才出现显著的奥氏体相弹塑性转变。随着应变率从约105 s^(−1)升高至10^(7) s^(−1),相同组分奥氏体相NiTi合金的弹性极限由约2 GPa增大至约4 GPa,10^(7) s^(−1)应变率下,随着初始样品温度升至402 K,弹性极限降至1.7 GPa,表明NiTi合金的弹性极限存在显著的温度和应变率效应。

电化学抛光工艺参数对医用NiTi合金表面粗糙度的影响

为了获得优质表面质量的医用NiTi合金,探究了电流密度,抛光温度,极间距以及抛光时间对合金表面粗糙度的影响,试验结果表明,电流密度较小时试样表面残存较深的划痕,适当增大电流密度,表面粗糙度明显下降。电流密度过大时,发生过度腐蚀。随着抛光温度的升高,合金表面质量先降低后升高。极间距较小,使抛光液温度上升,出现过腐蚀坑,极间距离过大时,电流密度降低,抛光效果变差。抛光时间较短时,合金表面存在未完全抛光的划痕,当适当延长抛光时间,获得了光洁的表面,继续增加抛光时间合金表面出现过腐蚀坑,表面质量下降。

NiTi合金强冲击荷载下微孔洞演化行为的分子动力学研究

本工作采用分子动力学模型研究了多晶NiTi合金在强冲击载荷作用下微孔洞的演化行为。为定量确定材料内部的孔洞体积分数,在后处理中采用PYTHON代码编程来统计孔洞体积。分子动力学的模拟结果很好地揭示了NiTi合金在不同冲击速度、冲击持时和晶粒尺寸下的孔洞演化机制和微观损伤机理。结果表明冲击速度的增大会导致冲击熔化效应,从而显著增加孔洞体积分数,并促使损伤行为从经典层裂向微层裂转变。在经典层裂中,冲击持时的增加不会影响孔洞的演化速率,但会延迟初始损伤时刻并使孔洞分布更靠近加载边界。而在微层裂行为下,缩短冲击持时将使损伤行为从微层裂退化为经典层裂,并降低孔洞的体积分数。此外,在数值模型中还研究了晶粒尺寸对孔洞演化的影响。在经典层裂情况下,由于晶粒间相互作用对孔洞生长的抑制作用,随着晶粒尺寸的减小,孔洞体积的增长速率会受到抑制。然而,当冲击速度增大到3 km/s时,冲击熔化行为会弱化晶粒尺寸的强化效果。在本工作中,分子动力学模拟对NiTi合金在不同参数下的损伤演化过程进行了很好的微观表征并揭示了相应的微观机理,其相应的数值结果可以为NiTi合金抗冲击结构设计提供理论参考,并为NiTi合金的制备优化提供了数值依据。

激光选区熔化技术制备NiTi合金的研究进展与应用

NiTi合金作为一种典型的形状记忆合金,除了具有独特的形状记忆效应,还拥有优异的超弹性、生物相容性和力学性能,广泛应用于医学、机械、微电子等领域。然而,由于该合金延展性过高、加工硬化、低热导等问题,传统的切削方法加工工艺复杂、成本高,限制了其工程化应用。增材制造技术(Additive manufacturing, AM)又称3D打印技术,以其独特的一体化成形的技术优势,有效地改善了传统加工方法存在的问题。对此,国内外学者对激光选区熔化(SLM) 3D打印镍钛合金成形工艺进行了大量研究,并取得了丰硕成果。综述了近年来选区激光熔化镍钛的研究进展,简述了选区激光熔化和热处理工艺与镍钛合金的相变温度、组织结构、力学性能等映射关系,着重分析了SLM工艺参数对镍钛合金超弹性的影响规律,揭示了其影响机制,介绍了激光选区熔化镍钛合金的在医学领域的应用,并对未来NiTi合金的增材制造技术的发展提出了展望。

选区激光熔化成形NiTi合金工艺参数对表面粗糙度的影响规律

目的针对选区激光熔化(SLM)制备NiTi形状记忆合金表面粗糙度难以满足实际应用要求,通过优化工艺参数(激光功率、扫描速度、扫描间距)以有效地降低表面粗糙度以及研究各工艺参数对表面粗糙度的影响规律。方法采用L16正交阵列的田口模型设计选区激光熔化制备NiTi样品的工艺参数,通过对表面粗糙度信噪比值进行统计方法分析以及样品表面形貌的表征,研究不同工艺参数对表面粗糙度的影响程度以及影响机理,最终优化出制备低表面粗糙度的工艺参数组合。结果在激光功率为20 W和30 W时,NiTi粉末不能够充分熔化造成熔道不连续,使得样品表面起伏增大,粗糙度值最大到7.8μm;增大激光功率到40W和50W时,粉末充分熔化,样品表面形貌明显改善;在相同功率下,扫描速度从200mm/s增加到500mm/s时,样品的粗糙度值也随之增大。结论工艺参数对表面粗糙度影响的重要性顺序依次为激光功率、扫描速度、扫描间距;最终优化出的工艺参数组合为激光功率50W、扫描速度200mm/s、扫描间距0.07mm,并在该工艺参数下制备的样品表面粗糙度值为1.38μm,与模型预测的值1.43μm接近,相差仅为9.97%。

激光选区熔化制备NiTi合金显微组织与压缩性能研究

采用激光选区熔化技术进行不同能量密度下的高致密NiTi合金制备,研究了基体相与沉淀相等显微组织特性对静态压缩与高应力超弹性性能的影响规律。结果表明,在55.56~66.67J/mm3能量密度下可获得高质量沉积表面,且随能量密度递增而趋于平整。沉淀相显微组织均为粗大柱状B2奥氏体晶粒内分布着细小致密的B19'马氏体,纳米级颗粒状Ti2Ni沉淀相在B19'马氏体晶界及晶内呈弥散态析出。在细晶强化与弥散强化共同作用下获得了较高的压缩强度,失效模式为快速剪切断裂。合金在压缩卸载阶段因存在纯弹性回弹与马氏体变体回弹而具有较好超弹性功能。NiTi合金SLM件在合适的可变工艺窗口下表现出良好的显微组织与压缩性能稳定性。

60NiTi合金的热压缩变形与显微组织演变

采用Gleeble-3500热模拟试验机对在变形温度500~650℃和应变速率0.001~1 s^(-1)条件下的60NiTi合金进行热压缩变形,分析其热变形行为和显微组织,建立变形本构模型,绘制热加工图。结果表明,当压缩温度升高或应变速率降低时,峰值应力减小。合金的热变形激活能为327.89 k J/mol,热加工工艺参数为变形温度600~650℃和应变速率0.005~0.05 s^(-1)。当变形温度升高时,合金的再结晶程度增大;当应变速率增大时,位错密度和孪晶数量增大,Ni3Ti相易于聚集;Ni3Ti析出相有利于诱发合金基体的动态再结晶。动态回复、动态再结晶和孪生是60NiTi合金热变形的主要机制。

NiTi合金激光熔凝处理及其生物腐蚀性能研究

目的通过对NiTi合金表面进行激光熔凝处理,从而提高Ni Ti合金的耐腐蚀性能。方法利用紫外激光器对NiTi合金进行表面熔凝处理,借助扫描电子显微镜(SEM)、光学显微镜(OM)、能量色散X射线光谱仪(EDX)和X射线衍射仪(XRD)等技术手段,研究了激光熔凝处理前后Ni Ti合金的表面显微组织、成分和相结构。测试了激光熔凝处理前后NiTi合金表面与模拟体液(SBF)的接触角、熔凝层的显微硬度等表面性能。通过全浸腐蚀试验和电化学测试,研究了熔凝层在SBF溶液中的生物腐蚀性能,并分析了腐蚀机理。结果NiTi合金经过激光熔凝处理后,在合金的表层形成了厚度为90~150μm的熔凝层,熔凝层主要由TiO_(2)、β相以及少量的Ti O相组成。合金表面的平均显微硬度提高了153~279HV,合金的表面接触角增大,由亲水性转为疏水性。相较于未处理的样品,熔凝处理后的样品在SBF溶液中的腐蚀电位分别正移了435 mV和413 mV,腐蚀电流密度分别下降了83%、62%左右。熔凝处理后的样品在SBF溶液浸泡168 h后,SBF溶液中的Ni2+浓度下降了约1/3。结论以适当的激光加工参数对NiTi合金进行激光熔凝处理,可在NiTi合金表面形成致密的氧化膜,这层氧化膜和熔凝层可以有效地抑制NiTi合金在SBF溶液中的点腐蚀行为。

渗硼对60NiTi合金表面组织与性能的影响

60NiTi合金具有高硬度、低弹性模量、耐腐蚀等优点,被认为是极具应用潜力的新型航空航天轴承材料。为了进一步提升60NiTi合金的耐磨特性,本文利用固相渗硼技术对其进行了表面改性处理,研究了改性层的显微结构特征及其相结构的热力学形成机理,分析了表面改性对合金力学与摩擦学性能的影响规律。结果表明,60NiTi经1000℃-5 h渗硼处理后形成了TiB_(2)/NiTi_(2)+TiB_(2)/Ni_(3)Ti的梯度涂层结构,整体厚度约20μm。渗硼后样品的表面硬度从420 HV_(0.2)提升至2600 HV_(0.2),20 N外加载荷作用下的平均摩擦系数和磨损率分别降低了约39%和92%。由于摩擦热的作用,渗硼样品表面会生成具有润滑作用的氧化硼相,因此呈现出良好的减摩耐磨特性。

工艺参数对SLM成形NiTi合金致密度与裂纹缺陷的影响

文章通过全因素试验探究了激光选区熔化技术(SLM)中激光功率和扫描速度对NiTi合金试样致密度及裂纹缺陷的影响规律,通过体能量密度综合评判了工艺参数对成形质量的影响。结果表明,随着体能量密度增大,致密度呈先增后减的趋势,试样表面出现由微观裂纹缺陷到无缺陷再到宏观裂纹缺陷的变化。当体能量密度处于75 J/mm^(3)至95 J/mm^(3)之间时,致密度维持在99.7%以上;随着激光功率的增大或扫描速度减小,试样致密度整体呈先增后减趋势;通过探究体能量密度相同时激光功率和扫描速度对样件成形质量的影响,发现激光功率大于等于270 W、扫描速度大于等于900 mm/s或激光功率小于等于90 W、扫描速度小于等于300 mm/s时,试样致密度均低于99.5%,出现匙孔和微裂纹;激光功率为180 W,扫描速度为600 mm/s时致密度则高于99.5%,无明显缺陷。

NiTi合金表面改性及其微动磨损性能研究

采用多弧离子镀技术在NiTi形状记忆合金表面制备TiN涂层。利用SRVⅢ摩擦磨损试验机研究NiTi合金表面改性后在37℃Hank’s模拟体液中微动磨损性能,分析法向载荷对TiN合金磨损机制的影响规律。利用SEM扫描电镜及能谱考察磨损表面形貌,结果表明:制备的TiN涂层表面致密均匀,无明显缺陷。说明TiN涂层可有效提高基体的耐磨性能,其磨损机制主要表现为剥落损伤与磨粒磨损并存。TiN涂层显微硬度为784 HV,远高于基体,TiN/NiTi膜基硬度比缓慢下降,涂层与基体结合强度高。

相变伪弹性对NiTi合金多相流损伤的影响

在旋转圆盘仪多相流损伤实验中，ＮｉＴｉ合金表现出十分良好的抗冲刷磨损及空蚀和冲刷磨损联合作用性能，拉伸和循环应力－应变力学测量表明，ＮｉＴｉ合金具有类橡皮弹性吸收能量的相变伪弹性特点 ，分析认为，相变伪弹性是该合金表现出良好抗损伤性能的主要原因．

离子束合成TiO_2薄膜对医用NiTi合金表面的改性

采用离子束增强沉积法制备ＴｉＯ２薄膜，对医用ＮｉＴｉ合金进行表面改性处理．系统研究了薄膜的表面组成、结构、形貌及耐蚀性、亲水性等与血液相容性相关的表面性质．ＮｉＴｉ合金表面沉积ＴｉＯ２薄膜后、抗模拟体液的腐蚀性提高，凝血时间延长．为进一步提高ＴｉＯ２薄膜的抗凝血性，对ＴｉＯ２薄膜的进一步表面改性－表面结合肝素分子进行了初步尝试，结果表明，薄膜表面组成发生变化，表面亲水性进一步提高。

NiTi合金表面化学沉积羟基磷灰石生物活性层机理的研究

用化学方法对ＮｉＴｉ合金表面进行处理，用 ＳＥＭ观察了表面形貌，测定了表面Ｃａ／Ｐ层的成分。用热力学方法对可能获得表面结构进行了推算，表明表面结构可能为羟基磷灰石。

NiTi合金血管内支架表面改性及其生物相容性研究

为了更有利于血管内支架表面的药物涂层和内皮细胞的粘附,采用化学腐蚀后溶胶-凝胶法涂覆TiO_2薄膜和等离子体沉积的方法对血管内支架表面进行粗糙化表面改性。并对这两种改性方法的生物相容性进行评价,结果表明,改性后支架的粗糙度增大,提高了抗凝血性和亲水性,但抗腐蚀性的增加不显著。

316L不锈钢和NiTi合金血管支架的血液相容性

学术背景:临床广泛使用的316L不锈钢、NiTi合金血管支架,有较好的耐腐蚀性和血液相容性。但随着人们对这两种材料血液相容性的深入研究,也发现了它们在血液中有离子渗出、表面血栓等问题,如何提高316L、NiTi合金血管支架的血液相容性已成为人们研究的重要课题。目的:介绍316L不锈钢、NiTi合金血管支架血液相容性研究现状,探讨金属支架表面生物化处理的方向。检索策略:应用计算机检索PubMed数据库、Science Direct数据库和中文科技期刊CNKI数据库1996-01/2007-09的相关文章,检索词为"NiTi合金血管支架、316L血管支架、表面改性、血液相容性",限定文章语言种类为中文和英文。共检索到论文1759篇,其中英文909篇,中文850篇。纳入标准:①与NiTi合金、316L不锈钢有关的表面改性、血液相容性研究。②材料表面因素与蛋白吸附、血液相容性关系。剔除内容重复性的研究,并以近3年文献为主,最终确定了33篇。文献评价:在确定的文献中,关于316L、NiTi合金血管支架应用中存在血栓问题的文献6篇,腐蚀问题的文献6篇,影响材料抗凝血性表面因素的文献8篇,提高316L、NiTi合金支架血液相容性途径的文献13篇。资料综合:现用的血管支架材料316L、NiTi合金在血液中仍有离子析出、血栓产生。通过降低材料表面的粗糙度,改变生物材料表面化学成分和化学组成,使材料表面呈负电性,降低材料表面的张力与表面能几方面因素提高血管支架材料316L、NiTi合金的血液相容性。结论:在没有开发出新的血管支架材料前,对现有支架材料316L、NiTi合金表面进行生物化改性处理是提高支架血液相容性的一条途径。

NiTi合金的生物医用性能及其在医学领域的应用

介绍NiTi合金作为医用材料的主要性能特点：良好的形状记忆效应最大可恢复应变达9％～10％，独特的超弹性使NiTi合金制成的医疗器件如NiTi丝等具有良好的柔顺性；较低的弹性模量弥补了传统医用金属材料作为骨植入物时容易出现应力遮挡现象从而造成骨质疏松的缺点；除此以外，NiTi合金还具有良好的抗疲劳、耐磨损和耐腐蚀性能；讨论了NITi合金的血液相容性和Ni^2＋离子毒性问题。总结了NiTi合金在医学领域的应用现状以及在新兴医学领域的发展，最后给出了一些NiTi医用性能改良的途径。

医用NiTi合金的表面改性研究进展

近等原子比的NiTi合金作为生物医用材料,以其优异的特性而在医学各科临床得到广泛应用。但由于Ni离子释放而引起的潜在毒性和无生物活性问题,抑制了NiTi合金在生物医用领域的进一步发展。对医用NiTi合金进行表面改性是解决上述问题的有效途径,并成为近年国内外研究的热点。本文全面阐述了近几年来国内外对医用NiTi合金的表面改性方法的研究进展,并对各种方法可能出现的问题进行了分析;提出了采用微弧氧化技术对NiTi合金表面改性的可行性。

NiTi合金热压缩实验数据的修正及其本构方程

对NiTi合金热压缩实验的结果进行了分析,修正了实验中由于摩擦和变形热效应引起的流变应力的误差,由实验机给出的NiTi合金在700—1000℃下．应变速率为0．01—7．8s^(-1)条件下的载荷-行程曲线得到了真应力-真应变曲线．通过对曲线的回归建立了NiTi合金高温宏观应力的本构模型,计算所得载荷-行程曲线与实验结果相符,为NiTi合金高温塑性成形过程的数值模拟提供了准确的材料模型．

医用NiTi合金表面溶胶-凝胶法制备TiO_2-SiO_2薄膜

采用溶胶－凝胶法在ＮｉＴｉ形状记忆合金表面制备了ＴｉＯ２－ＳｉＯ２复合薄膜，在提高医用ＮｉＴｉ合金的抗腐蚀性方面，收到了显著的效果．运用电化学方法对不同组成的ＴｉＯ２－ＳｉＯ２薄膜在模拟体液中的腐蚀行为进行了研究，结果表明，随薄膜中 Ｔｉ／Ｓｉ比的增加，ＴｉＯ２－ＳｉＯ２薄膜的抗腐蚀性增强．划痕试验表明 ＴｉＯ２－ＳｉＯ２（Ｔｉ／Ｓｉ＝４：１）膜与ＮｉＴｉ合金基体具有较高的界面结合强度．用原子力显微镜（ＡＦＭ）对ＴｉＯ２－ＳｉＯ２薄膜的表面形貌及表面粗糙度进行观察和分析，解释并讨论了ＴｉＯ２－ＳｉＯ２薄膜的配方组成与其抗腐蚀性的关系，ＳｉＯ２含量较少时，薄膜结构致密，膜层均匀平滑，且膜基结合力好，作为医用ＮｉＴｉ合金的表面保护层，可以使其耐腐蚀性有显著提高．