基于等径角挤压的超细晶镍钛形状记忆合金管制备方法

摘要

本发明提供的是一种基于等径角挤压的超细晶镍钛形状记忆合金管制备方法。在所要成形的镍钛形状记忆合金管坯的内部塞入金属芯，然后将镍钛形状记忆合金管坯封闭在金属套中，在由凸模和凹模组成的ECAE工装中对金属套、镍钛形状记忆合金管坯和金属芯同时进行挤压、产生剪切塑性变形，实现镍钛形状记忆合金管坯的晶粒细化。本发明基于等径角挤压的基本原理，提出了一种制备超细晶镍钛形状记忆合金管材的方法，能生产出高质量超细晶镍钛形状记忆合金管材，并将显著降低超细晶镍钛形状记忆合金管材的生产成本。

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种超细晶管材制备方法，具体地说是一种基于等径角挤压技术制备超细晶镍钛形状记忆合金管材的方法。

背景技术

镍钛形状记忆合金管材自二十世纪九十年代问世以来，在医学应用领域日益得到人们的重视，尤其在介入内腔支架应用方面，因其能够承受更大的机械应力、具有更强的径向支撑力、经历更大的弯曲变形以及具有更大的回弹和形状恢复能力，因而表现出了很好的应用前景。虽然镍钛形状记忆合金管材可以采用多种加工手段进行制造，但不同的加工条件对于镍钛形状记忆合金管材的显微组织结构(如晶粒的大小、变形织构、形变孪晶等)会产生不同的影响，因而会进一步影响镍钛形状记忆合金管材的形状记忆效应和加载变形力学行为，尤其是合适的相变温度和良好的超弹性是镍钛形状记忆管材在生物医学领域得到应用的重要保证。

等径角挤压(ECAE或ECAP)技术是一种获得超细晶材料的先进技术，该技术是通过两个轴线相交且横截面尺寸相等的通道，将被加工材料挤出，通过转角作用使金属材料产生大的剪切应变来实现细化晶粒的目的。该技术目前也在镍钛形状记忆合金中得到了应用。文献Principles of equal-channel angular pressing as a processing tool for grain refinement(Ruslan Z.Valiev，Terence G.Langdon.《Progress in Materials Science》.2006，51：881-981)和Nanostructured TiNi-based shape memory alloys processed by severe plastic deformation(V.G.Pushin，V.V.Stolyarov，R.Z.Valiev et al.《Materials Science and Engineering A》.2005，410-411：386-389)中，报道了两种成分(分别为Ni_50.2Ti_49.8，Ni_50.6Ti_49.4)镍钛形状记忆合金块体材料的ECAE技术，可将经固溶处理后平均尺寸为80μm的晶粒细化为平均尺寸为250nm的超细晶粒，使合金的屈服强度提高了2倍，抗拉强度提高了30％，还显著提高了镍钛形状记忆合金的形状记忆效应和超弹性。但目前的ECAE技术一般只能用来制备具有超细晶粒的块体材料(圆形或矩形截面)，不能直接制备出具有超细晶粒的管材。虽然在公开号为CN2690068Y的专利文献中，提出了一种制备超细晶粒管材的装置，但由于其装置上带有芯棒，在具体实施时芯棒的固定很难实现，因而对设备的要求较高，必须在专用的挤压机上进行。而且由于等径角挤压时模具的内侧夹角φ和外侧夹角ψ不一致，一道次成形所得的管坯组织必然不均匀，必须进行多道次挤压成形才能均匀组织，但因该装置所用坯料的外表面为圆柱面，转换方向时各道次的位置难以精确确定，故很难保证获得均匀的组织。另外，由于镍钛形状记忆合金在较低温度下强度高、硬化能力强、塑性差，因此块体镍钛形状记忆合金材料的等径角挤压对设备的要求较高，所制造的超细晶镍钛形状记忆合金块体材料再用来制备超细晶镍钛形状记忆合金管材时，会使生产成本极大增加。

发明内容

本发明的目的是提供一种能够制备出均匀超细晶粒镍钛形状记忆合金管材，并能显著降低超细晶镍钛形状记忆合金管材的生产成本的基于等径角挤压的超细晶镍钛形状记忆合金管制备方法。

本发明的目的是这样实现的：

在所要成形的镍钛形状记忆合金管坯的内部塞入金属芯，然后将镍钛形状记忆合金管坯封闭在金属套中，在由凸模和凹模组成的ECAE工装中对金属套、镍钛形状记忆合金管坯和金属芯同时进行挤压、产生剪切塑性变形，实现镍钛形状记忆合金管坯的晶粒细化。

所述金属套的外表面呈正多边形，金属套、镍钛形状记忆合金管坯和金属芯完成一个道次挤压变形后，转换一定的角度进行多道次挤压变形。

所述正多边形是正方形、正六边形、正八边形或正十二边形中的一种。

本发明的优点在于：

1.该方法只需简单的模具在普通的液压机上即可实现直接将管坯制成内部组织为超细晶粒的管材，且管材内部的组织均匀一致。

2.通过设定包套截面形状来设定每道次挤压时坯料的转动角度，并可通过包套外表面的平面进行精确定位，从而实现整个坯料的均匀变形，保证了管坯内部组织的均匀性。

3.通过剧烈的剪切变形，可实现镍钛形状记忆合金管材内部微观组织晶粒度的超细化，大大提高管材的力学性能和形状记忆效应及超弹性。

4.采用本发明方法制备镍钛形状记忆合金管材时，管坯内部的填充金属和外部的包套金属均采用高塑性和低强度的金属材料，相对于难变形的块体镍钛形状记忆合金等径角挤压而言，会显著降低变形抗力，同时镍钛形状记忆合金管处于三向压应力状态，有利于提高材料的塑性，因此可以获得更大的变形，且管坯不易破裂。

本发明基于等径角挤压的基本原理，提出了一种制备超细晶镍钛形状记忆合金管材的方法，能生产出高质量超细晶镍钛形状记忆合金管材，并将显著降低超细晶镍钛形状记忆合金管材的生产成本。

附图说明

图1采用等径角挤压技术包套制备超细晶粒镍钛形状记忆合金管材方法的基本原理示意图。

图2a-图2d金属套可采用的截面形状。

图3包套结构示意图。

图4挤压变形过程示意图。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细的描述：

结合图1，本发明的基于等径角挤压技术包套制备超细晶粒镍钛形状记忆合金管材方法的基本原理是：在所要成形镍钛形状记忆合金管坯4的内部塞入金属芯5，然后将其封闭在金属套3中，利用ECAE工装(由凸模1和凹模6组成)对金属套3及其内部的金属管坯4和填充金属5同时进行大剪切塑性变形，实现镍钛形状记忆合金管坯的晶粒细化。由于金属管坯内部的金属芯和外部的包套金属均采用高塑性和低强度的金属材料，相对于难变形的块体镍钛形状记忆合金ECAE而言，会显著降低其变形抗力，同时镍钛形状记忆合金管处于三向压应力状态，有利于提高材料的塑性，因此可以获得更大的变形，且管坯不易破裂。

由图1所示的超细晶粒镍钛形状记忆合金管材制备原理图可知，由于等径角挤压时模具的内侧夹角φ和外侧夹角ψ不一致，会导致各处所受剪切力大小不均匀，从而使得一次挤压成形所得的坯料组织不均匀。因此，为了获得具有均匀超细晶粒的管材，必须将坯料转换一定的角度进行多道次挤压变形。为了精确定位坯料所转换的角度，本发明提出的采用等径角挤压技术包套制备超细晶粒镍钛形状记忆合金管材方法所用的包套可采用多种正多边形的截面形状(如图2a-图2d所示)，具体选择哪种截面的包套，要根据材料晶粒的细化程度来确定，如需较少道次，可选用正方形或正六边形截面，如需较多道次，可选用正八边形或正十二边形截面，这样可使管坯的更多部位获得最大的剪切应变，从而实现晶粒的均匀细化。

本发明的具体实施过程分为三个阶段，即准备阶段、变形阶段和去料阶段。

准备阶段：结合图，首先将准备好的包套材料加工成如图2所示的截面形状(取其中一种，视工艺需要而定，这里以正方形截面为例)，然后在其轴心处加工一个与所要制备的镍钛形状记忆合金管坯4外径名义尺寸相同的盲孔，保证管坯能放进孔内，孔深要超出镍钛形状记忆合金管坯4的高度，留出一段空间用于填加金属堵头2；接着在加工好的镍钛形状记忆合金管坯4和金属芯5的外表面均涂覆上一层金属材料，以防止因各层金属间发生焊合而影响镍钛形状记忆合金管坯同包套金属和芯部金属的后续分离工作，并将金属芯5塞入管坯4内；再将填充好金属芯5的管坯4放入金属套3中；最后用金属堵头5将金属套3上端的孔口堵死。

变形阶段：结合图4，将制备好的复合坯料放入凹模的洞口内，通过加热装置将固定在液压机上的模具和坯料整体加热到一定温度并保温一定时间，然后开动液压机进行第一次挤压成形，第一次挤压成形结束后，要注意坯料的哪个面朝上，并做好标记；接着将该坯料旋转90°后再放入凹模的洞口内进行第二次挤压，成形结束后也要做好标记；再用同样方法完成后面的第三、第四次挤压，即使坯料的四个面均朝上一次进行挤压变形。

卸料阶段：挤压变形过程完成之后，采用适当方法将金属套3剖开，并将金属芯5从管坯中取出。

这样就完成了整个超细晶镍钛形状记忆合金管的制备过程。