激光焊接NiTi合金的性能研究

论文摘要

NiTi形状记忆合金集形状记忆效应、超弹性、良好的生物相容性于一体，使它成为理想的医用材料，成功地应用于介入医疗领域中各种支架的制作。目前对于直径较小、厚度较薄的血管支架的需求量日益增加。但是，现有的加工技术，激光雕刻或手工编织，成本高且难以加工此类支架。另外，手工编织的大尺寸外周管腔支架，接头部分目前往往用套管来连接，寻求更好的连接方法也是所面临的难题之一。激光微焊接被认为是解决这些难题适合的、有希望的方法之一。本论文系统地研究了超弹性Ti-50.6at．％Ni合金丝脉冲激光焊接接头的组织和性能，目的在于揭示用激光焊接方法加工微小医疗器械的可行性。主要结论如下：NiTi合金细丝激光点焊时需选择小电流、大脉宽、负离焦量，同时采用Ar气保护；激光点焊接头的熔化区由树枝晶组成，热影响区靠近熔池的部分为粗大等轴晶，靠近母材的部分为细小等轴晶；激光焊接会影响到NiTi合金丝的相变行为，使NiTi合金丝的相变过程由B2-R-B19′转变为B2-B19′且相变温度发生变化；接头中碳化物的数量明显少于母材；接头的抗拉强度和延伸率低于母材。在37℃时，接头的抗拉强度可达母材的60％，加载到应变为7％后卸载，接头和母材的残余应变为分别为1.06％和0.45％，接头性能降低的原因是由于激光焊接所形成的树枝晶。NiTi合金激光焊接组织的耐蚀性和血液相容性比母材好。由于激光焊接组织中夹杂物的数量较少，表面易形成均匀、连续的钝化膜，从而提高了NiTi合金的耐蚀性和血液相容性。在相同条件下，NiTi合金激光焊接组织的钝化电位区间比母材的大，击穿电位比母材的高，凝血时间较长，血小板粘附量较少，变形小。热循环和退火会对NiTi合金激光点焊接头的相变行为产生影响。热循环后接头中出现R相变，随着热循环次数的增加，R相变向高温方向移动，M相变向低温方向移动，R相存在的温度区间变宽，其主要原因是热循环在基体中引入位错。激光焊接NiTi合金经退火后，也出现R相变，随着退火温度的升高，R相变峰向低温方向移动，M相变峰也向低温方向移动，但移动的非常小，R相变和M相变之间的距离缩小，其主要原因是退火过程中产生了Ti3Ni4析出相。NiTi合金激光点焊接头具有较好的超弹性疲劳性能。在加载卸载循环时，尽管开始时接头的残余应变比母材的大，但随着循环次数的增加，残余应变趋向稳定。在旋转弯曲疲劳中，当应变量大于0.4％时，在相同的应变下，接头的旋转弯曲疲劳寿命低于母材；当应变量小于0.4％，接头和母材的疲劳寿命都超过100万次。溶液中Cl-浓度和溶液的pH值对NiTi合金丝的旋转弯曲疲劳性能没有显著的影响。退火温度对激光点焊接头的性能有影响。焊接状态的NiTi合金在退火的过程中会析出Ti3Ni4相。400℃退火时，析出的Ti3Ni4相呈细小的圆形颗粒状，平均直径为10nm，弥散分布，对基体强化作用很大，能提高NiTi合金激光点焊接头的性能；而退火温度较高时，析出的Ti3Ni4相粗化，弥散度大幅度下降，对基体的强化作用很弱，接头的性能降低。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 生物医学材料的概念及分类
• 1.2 NiTi合金的性能
• 1.2.1 形状记忆效应和超弹性
• 1.2.2 NiTi合金的抗腐蚀性
• 1.2.3 NiTi合金的生物相容性
• 1.2.4 NiTi合金的疲劳行为
• 1.3 NiTi合金在生物医学领域的应用
• 1.3.1 NiTi合金的医学应用
• 1.3.2 NiTi合金支架的种类
• 1.3.3 NiTi合金支架的加工
• 1.3.4 NiTi合金介入医疗器械发展所面临的问题
• 1.4 NiTi合金的焊接方法
• 1.4.1 惰性气体保护钨极氩弧焊
• 1.4.2 电阻点焊
• 1.4.3 钎焊
• 1.4.4 电子束焊
• 1.4.5 激光焊
• 1.5 本论文的研究目的和主要内容
• 2 NiTi合金激光点焊接头的组织和性能
• 2.1 NiTi合金丝激光点焊工艺参数的理论分析
• 2.1.1 激光焊接热传导理论简述
• 2.1.2 NiTi合金丝激光点焊工艺参数的选择
• 2.2 NiTi合金丝激光点焊接头的组织和性能
• 2.2.1 实验过程
• 2.2.2 NiTi合金丝激光点焊接头及母材的显微组织
• 2.2.3 NiTi合金丝激光点焊接头及母材的电子探针分析
• 2.2.4 NiTi合金丝激光点焊接头及母材的相变行为
• 2.2.5 NiTi合金丝激光点焊接头及母材的XRD分析结果
• 2.2.6 NiTi合金丝激光点焊接头及母材的显微硬度
• 2.2.7 NiTi合金丝激光点焊接头及母材的拉伸曲线
• 2.3 小结
• 3 NiTi合金激光焊接组织的耐蚀性和血液相容性
• 3.1 引言
• 3.2 实验材料和方法
• 3.2.1 实验材料
• 3.2.2 实验方法
• 3.3 实验结果
• 3.3.1 NiTi合金激光点焊接头的动态极化曲线
• 3.3.2 NiTi合金板材的电化学实验
• 3.3.3 动态凝血时间
• 3.3.4 血小板粘附
• 3.3.5 溶血率
• 3.4 讨论
• 3.5 小结
• 4 NiTi合金激光点焊接头的疲劳行为
• 4.1 实验方法
• 4.2 NiTi合金激光点焊接头的热疲劳
• 4.3 NiTi合金激光点焊接头的拉─拉疲劳
• 4.4 NiTi合金激光点焊接头的旋转弯曲疲劳
• 4.5 小结
• 5 退火温度对NiTi合金激光点焊接头性能的影响
• 5.1 实验过程
• 5.2 退火温度对激光焊接NiTi合金显微组织的影响
• 5.3 退火温度对NiTi合金激光焊接组织相变行为的影响
• 5.4 退火温度对NiTi合金激光点焊接头抗拉强度和超弹性的影响
• 5.5 退火温度对NiTi合金激光点焊接头疲劳行为的影响
• 5.5.1 超弹性循环
• 5.5.2 旋转弯曲疲劳
• 5.5 小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表学术论文情况
• 创新点摘要
• 致谢