线性超弹性镍钛合金丝材特性

1、引言

镍钛合金是一种形状记忆合金，在奥氏体状态下具有超弹性特性，具有良好的机械性能，优良的耐腐蚀性及生物相容性，在工业自动化控制，医疗器械等领域有极其重要的应用。传统超弹性状态的镍钛合金通过时效热处理工艺进行制备，拉伸测试时可获得“旗帜”状态的应力应变曲线。在介入医疗器械领域，因为刚性不足，镍钛合金导丝在使用过程中存在对器械支持力不足的问题，限制了镍钛合金在介入医疗器械领域更进一步的广泛应用。近年来发展出一种区别于传统制备方法的线性超弹性合金。本文对线性超弹镍钛合金和传统超弹镍钛合金的性能差异作一综述。

2、 镍钛合金试样的制备方法

2.1 镍钛合金的冶炼

镍钛合金的相变温度对镍含量的变化十分敏感，1% 的镍含量变化能够引起相变温度发生100℃的变化[1]，本实验选用合金成分为Ni50.9at%-Ti的镍钛合金配比，经真空感应熔炼成合金铸锭。

2.2 镍钛合金的热加工

镍钛合金具有良好的高温延展性， 当温度超过400℃以后，拉伸强度下降，与此相反，延伸率迅速增加[2]。但当材料加工温度高于900℃时，合金表面将剧烈氧化，产生NiTi-Ti4Ni3 低熔点混合物相，该相是间隙氧污染物质，具有脆化合金的作用[3]。因此，热加工会在800℃左右温度条件下进行，直至线材外径0.62mm。

2.3 镍钛合金的冷加工

由于镍钛合金具有很高的加工硬化率，需采用合适的道次变形量和变形速度[4]。因此，在润滑液作用下，使用碳化钨材质拉丝模，将丝材从0.62m m 依次拉拔至0.57-0.52-0.48mm，具体工艺参数见表1。

2.4 超弹性处理

经冶炼，冷热加工等工序处理，可获得化学成分为Ni50.9at%-Ti，直径0.48mm的冷拉拔态线材。一组样品使用传统热处理工艺（500℃ ×5min）进行时效处理，即传统超弹性镍钛合金线材；另一组样品使用线性超弹性处理工艺进行加工，即线性超弹性镍钛合金线材。

3、 线性超弹性和传统超弹性镍钛合金对比测试

3.1 三点弯曲测试

本实验使用美特斯CMT 6104 型拉伸机进行测试，在压缩模式下，按照GB/T 232 金属材料弯曲实验方法进行测试，测试条件如下：环境温度24℃，湿度55%，试样跨距25mm，施力滚柱直径10m m，支承滚珠直径5mm。

图1 为传统超弹性丝材(a) 和线性超弹性丝材(b) 的三点弯曲测试位移力值曲线，表2 则为对应的三点弯曲测试结果，从表2 可见，在三点弯曲条件下，线性超弹性比传统超弹性的弯曲弹性模量值低32.2%，这一特性会让线性超弹性线材有更优异的柔韧性。在介入医疗器械导丝应用领域，低模量，高柔韧性可以使得导丝有更佳的通过病变的能力，即导丝会有更好的推送性[5]。同时，该特性也表明，线性镍钛合金线材有更优异的柔顺性，可以降低导丝与血管或腔道的接触力，减轻导丝在通过时对组织产生的损伤。

3.2 拉伸测试

本实验使用美特斯CMT 6104 型拉伸机进行测试，按照ASTMF 2516 超弹性镍钛合金标准拉伸测试方法进行测试，测试条件如下：环境温度24℃，湿度55%，试样标距500mm，第一循环周期加载/ 卸载速率为20mm/min，第二循环周期加载速率200mm/min。

图2 为传统超弹性丝材(a) 和线性超弹性丝材(b) 的拉伸测试曲线，表3 则为对应的拉伸测试结果，从图2 及表3 可见，在拉伸模式下，该组对比样品在测试进入“屈服”阶段后，线性超弹性丝材有更高的加载及卸载平台应力，在特征位置3% 应变处，上平台应力提高18.8%，下平台应力更是提高了233.8%。该数据表明，在进入大应变区（应变大于2%）之后，线性超弹性合金有更高的强度，丝材的支持力会更强。在介入医疗器械导丝应用领域，高应变条件下，更高的刚性支持力可以使得导丝可以协助器械通过病变的能力得到提高[5]。

4 、结语

从上述三点弯曲测试及拉伸测试可知，线性超弹性镍钛合金相对于传统镍钛合金有更优异的推送性，柔顺性，及支撑力。在导丝应用领域，该特性可以帮助镍钛合金可以更容易的通过复杂的血管或腔道，进入病变区，并且能给器械的输送提供更高的支持力，帮助器械到达病变区。

相对于传统的镍钛合金，线性超弹性合金在介入医疗器械导丝应用领域有着极为广阔的前景。

【参考文献】

[1] 郑玉峰， 赵连成. 生物医用镍钛合金. 科学出版社.2004.

[2] 杜忠权.NiTi 形状记忆合金的发展. 国外金属加工.1991(3)：56-60.

[3] 尚彦凌. N i T i 形状记忆合金的加工方法. 金属成形工艺.2000(3)：3-4.

[4] 袁志山，王江波，李崇剑，等. 镍钛形状记忆合金丝材加工工艺及其影响因素. 热加工工艺.2008（5）：111-115.

[5] 王铭，张东惠. 医用介入器械钛合金导丝的开发与应用. 生物医学工程与临床.2010(9)：453-455.

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