老年人口的增加以及各种血管疾病（包括外周血管疾病和冠状动脉疾病）发病率的上升意味着医疗器械市场将继续扩大。随着微创外科手术和治疗需求的增加，镍钛合金的能力也在不断提高，包括形状记忆、超弹性、高抗疲劳性、耐腐蚀性和生物相容性，这些都为医疗器械制造领域带来了革命性的变化。为了充分发挥镍钛合金的性能，必须选择合理的、以应用为导向的加工工艺，以获得最佳效率。对于镍钛合金来说尤其如此，因为它由于其相变和加工硬化而成为一种难以加工的材料。虽然目前已有关于镍钛合金加工的独立研究，2024医疗器械展会Medtec China 2024了解到但缺乏关于镍钛合金微加工中应用的不同加工工艺的优势和局限性的重要比较信息。本文介绍了镍钛合金加工链中的各个步骤，并对不同的镍钛合金制造、成型、加工和后处理方法进行了比较，包括指出这些方法如何影响最终零件的性能。采用不同的性能测量参数对工艺进行分类，并进行适用性分析，为何时使用哪种方法提供指导。

一、简介

Nitinol（镍钛海军军械实验室）以其成分金属和发现实验室命名，是一种形状记忆合金 (SMA)，在神经病学、骨科、介入放射学和心脏病学等医学领域有着广泛的应用。其形状记忆效应、抗疲劳性和抗扭结性、良好的阻尼特性和超弹性确保了其在外科手术中的应用不断增加。另一个主要因素是镍钛合金的生物相容性，研究表明镍钛合金的生物相容性与不锈钢或 Ti-6Al-4V 相近或更好。表 1 比较了镍钛合金与钢和 Ti-6Al-4V 的特性，从中可以看出，与钢和 Ti-6Al-4V 相比，镍钛合金具有显着较低的弹性模量（有助于最大限度地减少应力屏蔽）和以及更高的可恢复伸长率（允许在使用过程中产生更大的应变）。

表 1. 镍钛合金与钢的性能对比。

1959 年，海军军械实验室的威廉-布勒（William J. Buehler）在尝试开发一种抗冲击、抗疲劳和耐热合金以用作海军导弹鼻锥时，偶然发现了镍钛合金。在此之前，这些应用使用的是蒙乃尔（Monel）等铜镍合金，这种材料虽然在腐蚀性应用中表现出色，但在高温下重量会迅速减轻。因此，探索镍钛的最初动机并不是要脱离以镍铜合金为中心的以往研究，而是要尝试实现一种具有更高强度、更低密度和更高温度性能的材料，同时保留与镍铜合金相当的电气和非磁性能。

01.镍钛合金的独特性能

镍钛合金具有两种特殊性能，超弹性（机械诱导）和形状记忆效应（热诱导）。如图 1 所示，在原点 O 处处于奥氏体状态的镍钛合金在无外加应力的情况下沿着路径 OA 冷却，在孪晶形式下经过相变点 Af（奥氏体结束）、As（奥氏体开始）、Ms（马氏体开始），最后经过 Mf（马氏体结束）。从 A 点到 B 点会发生退火和重新定向变形，从 B 点到 C 点会发生弹性卸载。

图 1. 镍钛合金的应力 – 应变 – 温度图。

材料保持变形，直到通过加热到高于 Af 的温度引起温度诱导相变，然后恢复假塑性变形（”记忆”），回到原来的形状。温度高于 Af 时，合金可通过应力诱导马氏体相变从 O 点加载到 E 点，应变高达 11%。其中，应力诱导马氏体（SIM）约占 8%，其余为传统弹性。只要未达到永久变形点，材料就会相变回奥氏体状态，恢复超弹性变形。镍钛合金同时具有传统的单向形状记忆效应（SME）、双向记忆效应（TWSME）和超弹性效应，所有这些效应都牢牢植根于其相变特性，而相变可以通过施加外部载荷和改变合金温度来诱导。镍钛合金的热机械特性是通过克劳修斯-克拉皮隆关系联系在一起的，如式（1）所述：

其中 σ 表示平台应力，T 表示测试温度，ϵ 表示相变应变，ΔH 表示每单位体积的相变焓。

公式（1）在本综述中至关重要，因为它清楚地表明了镍钛合金所受的温度、应力和应变如何影响其相变行为，进而影响其性能。因此，它强调了分析用于加工医疗级镍钛合金的任何加工方法的热影响的重要性。

相位影响对镍钛合金的性能至关重要。在冷却或施加等原子应力时，镍钛合金可能会从母体有序立方体 B2 奥氏体相变为两种形式的马氏体。如图 2 所示，一种是正方体 B19 马氏体，另一种是不稳定的斜方体变形马氏体，称为 R 相。奥氏体-正方体 B19 马氏体和奥氏体-R 相都具有热弹性，因此符合克劳修斯-克拉皮隆方程。

图 2. 从 (a) 立方奥氏体相到 (b) 菱形 R 相的相变变形示意图。这是将所有角度 α 稍微保持相等且小于 90°，并延长四个平面中的一个平面。

02.镍钛合金在医疗应用中的适用性

镍钛合金的特性有利于将其用作医疗级材料。如图 3 所示，镍钛合金的应力-应变行为与骨骼和肌腱的应力-应变行为非常相似，因此使用镍钛合金可以缩短愈合时间，减少对周围组织的创伤。此外，与不锈钢等材料相比，镍钛合金的刚度（40-75 GPa）与致密骨（12-17 GPa）更接近，因此使用镍钛合金可以大大减少植入物的应力屏蔽问题。这意味着植入物在使用过程中不需要吸收大部分外力，否则会削弱骨质。在生物相容性方面，与临床参考对照材料（即 AISI 316 LVM 不锈钢）相比，镍钛合金没有显示出细胞毒性、神经毒性、基因毒性或过敏活性。然而，由于镍钛合金中镍含量相当高，对镍离子在体内释放的担忧仍然存在，应注意确保将对镍钛合金医疗适用性的威胁降至最低，特别是在腐蚀和生物相容性方面。为了实现这一点，已经应用了镍钛合金合金化和/或表面处理等方法。例如，仔细控制表面粗糙度可以帮助最大限度地减少生物膜的形成，生物膜的存在可能导致感染。此外，添加第三元素以及在镍钛合金表面形成薄膜有助于提高其生物相容性。这些无毒且具有生物相容性的第三元素可能包括银、铌、锆、钽和钼，有助于增强钝化、抑制镍释放到体内并提高抗点蚀能力。报道称，在硝酸溶液中对镍钛合金样品进行钝化处理可以减少表面氧化物中的镍和氧化镍含量，增加二氧化钛含量，从而提高耐腐蚀性能。此外，添加了银等元素（如NiTi-Ag）显示出杀菌的潜力。

图 3. 超弹性镍钛合金、不锈钢、骨和肌腱组织的应力与应变关系。

镍钛合金的生物相容性也与制造方法有关。在测试使用粉末冶金 (PM) 和电弧熔炼 (AM) 制备的镍钛合金时，结果表明，与使用 AM 制造的合金相比，通过 PM 制造的合金更耐点蚀。

03.镍钛比例的意义

Ni-Ti 比率是制造镍钛合金的关键，因为镍钛比会改变可用于键合的电子数，从而对所制造材料的相变温度特性产生重大影响，而相变温度特性从根本上决定了材料的超弹性和形状记忆。研究表明，相变温度对镍（Ni）和钛（Ti）的比例非常敏感，合金成分变化 1%，合金的转化温度就会变化 100℃。

在大多数应用中，转化温度需要控制在 ± 5℃ 以内，这意味着合金成分必须控制在 ± 0.05% 以内。在商业上，镍钛合金的相变温度范围为 -100℃ 至 100℃，滞后温度为 30-50 K。研究表明，当镍的比例接近 60% 时，合金的形状记忆效果会降低，但其热处理能力会增强。对于医疗器械和外科植入物，ASTM F2063 要求镍钛合金的镍含量为 54.5-57%，其余为钛。

04.镍钛合金加工对其医疗应用的意义

由于表面成分和电荷等骨结合要求对于细胞附着和蛋白质吸附至关重要，因此镍钛合金的许多医疗应用要求材料以严格的公差进行精确加工，并具有仔细控制的表面光洁度。例如，Ra 范围内的 1-2 μm 表面粗糙度已被证明有利于牙科植入物的生物力学锚定。体内和体外研究都表明，种植体表面具有微米和亚微米（纳米）形貌，可以改善种植体表面与骨细胞之间的相互作用过程（也称为骨与种植体接触（BIC））。对表皮葡萄球菌（ATCC35984）粘附在表面粗糙度低于 30 纳米 Ra 的不同固体生物材料表面的能力进行了体外研究，结果表明，表面形貌对减少与植入物有关的感染非常重要，因为细菌在较粗糙的生物材料上的粘附力更强。同样，对在镍钛合金表面形成的二氧化钛氧化层进行调节可改善骨结合并提高耐腐蚀性。

医疗应用需要进一步、彻底的表面分析，以确保去除零件表面上的任何非生物相容材料或物质。在应用过程中，必须将微动磨损的可能性保持在最低限度，因为这可能会带来镍释放可能性的挑战。由于镍是致癌物质，其在人体中的潜在释放量一直是人们激烈讨论的话题。要想成功应用镍钛合金材料，必须对其进行仔细加工的另一个重要原因是，与其他生物医学植入材料相比，镍钛合金材料的疲劳裂纹扩展抵抗力较低。更具体地说，将镍钛合金与 316L 不锈钢、Ti-6Al-4V、纯 Ti 和 CoCr Haynes 25 合金的抗疲劳裂纹扩展性能进行比较的研究表明，在固定负载比值 ≈ 0.1 时，镍钛合金的疲劳阈值 ΔKTH 显着减小 2 到 5 倍。

疲劳裂纹不仅取决于所选的加工方法（例如，有报告称激光加工表面会产生 5-15 微米的裂纹），还取决于所选的加工参数以及后续加工样品的表面完整性等原因。这一事实以及额外的表面光洁度要求可能需要昂贵的精加工工艺，增强了严格审查现有制造和加工工艺的重要性，以突出其优势、局限性及其对加工镍钛合金的适用性。

2024医疗器械展会Medtec China 2024医用管件企业包括德尼培医疗精密包装( 苏州)、圣戈班高功能塑料、Cathx Medical Inc、上海翊科、上海茸原氟、安平等，将在现场带来精密三层挤出管、介入导管、编织导管、微导管、PTFE薄壁馆等产品。点击立刻参展。

二、镍钛合金的制造

镍钛合金的成功医疗应用取决于对整个制造过程的严格控制，因为缺陷可能会转移到最终产品上。在这方面，已有多项标准，包括 ASTM F2063，该标准不仅将医用级镍钛合金中的氧气和氮气含量限制在百万分之 500 (ppm)，还将用于生产医用级设备的镍钛合金熔体中夹杂物的最大尺寸限制在 39 μm。本节将介绍不同的镍钛合金制造步骤和方法，重点说明其重要性、优缺点以及是否适合加工医用级镍钛合金。

01.铸造/熔炼工艺

由于钛含量很高，熔融镍钛合金具有高反应性，因此必须在真空中加工。铸造工艺是制造镍钛合金最常用的工艺，包括真空感应熔炼 (VIM)、真空电弧重熔 (VAR)、电子束熔炼和等离子弧熔化 (PAM)。在这四种方法中，镍钛合金主要是通过多次 VAR 或先 VIM 后 VAR 的方法制造的。本节将简要讨论这些方法，而表 2 则重点介绍了它们的优点和局限性。此外，如表 3 所示，由于这是对用于医疗级应用的镍钛合金的综述，因此还根据对碳和氧的敏感性、均匀性和化学成分进行了适用性分析，因为这些因素会影响合金的质量，进而影响其性能。

表 2. 镍钛合金铸造/熔化制造方法的优点和局限性。

表 3.根据加工医疗用镍钛合金的适用性进行的方法比较。

01.1.真空感应熔炼(VIM)

VIM 包含一个熔化石墨坩埚，置于钢壳内并与真空相连。在石墨坩埚和金属电荷中引入涡流时，会产生电动力，从而有助于熔体的搅拌和混合。VIM 是商业化生产镍钛合金最广泛使用的工艺。与其他真空熔炼工艺相比，它通过熔体搅拌对时间、压力、温度和质量传输进行独立控制，因而具有更大的灵活性，可以更好地控制均匀性和合金成分。不过，由于使用石墨坩埚，因此容易受到碳污染的影响。典型的碳杂质含量在 300 至 700 ppm 之间，不过只要仔细控制，碳含量在 200 至 500 ppm 之间的铸锭也是可行的。

01.2. 真空电弧重熔 (VAR)

在真空电弧重熔中，消耗品或非消耗品电极在真空环境中使用电弧连续重熔。VAR 熔炼可获得纯度极高的合金，因此可用于提高 VIM 铸锭的清洁度并完善其结构。然而，整个铸锭并不是同时熔化的，可能需要多次熔炼才能达到所需的均匀度。

01.3. 等离子弧熔化 (PAM)

在等离子弧熔炼过程中，输入的元素金属被放置在一个铜制水冷结晶器中，然后由螺旋输送到氩等离子燃烧器下方。这种方法消除了因使用真空感应炉坩埚而造成的污染。因此，与 VIM 公司生产的镍钛合金相比，PAM 公司生产的镍钛合金具有更高的纯度和更好的耐腐蚀性。如图 4 所示，它的夹杂物也小得多。不过，它的均匀度较低，需要多个 PAM 炉炬才能达到与 VIM 相似的均匀度。

图 4. 热轧和完全退火的 Ni50.8Ti49.2 棒材的 PAM（a）和 VIM（b）扫描电镜图像。箭头指向典型夹杂物 gr4。

01.4. 电子束熔化

在这种方法中，通过电子加热熔化在真空感应炉中制备的圆形铸锭，真空度（10^(-2) Pa）比 VIM（10 Pa）高得多。再加上没有坩埚，消除了进一步碳污染的风险，熔体质量取决于铸锭质量。EBM 的纯度高，氧气含量低至 70 ppm（比 VIM 低 4-10 倍）。

01.5. 熔化工艺总结

2024医疗器械展会Medtec China 2024提醒在熔化过程中，必须十分小心，确保将夹杂物和高碳/氧含量等对合金产生负面影响的因素降至最低。例如，研究发现夹杂物的存在不仅会对最终产品产生负面影响，还可能影响加工过程。例如，研究表明，与不含夹杂物的合金相比，夹杂物会导致镍钛合金车削时刀具寿命缩短。众所周知，碳化物（TiC）和金属间氧化物（Ti4Ni2Ox）等非金属夹杂物在熔化过程中进入镍钛合金医疗设备后会引发疲劳故障。夹杂物还会影响电抛光镍钛合金对点状腐蚀的敏感性，其中夹杂物的尺寸比夹杂物的数量影响更大。

02.粉末冶金工艺 (PM)

粉末冶金工艺包括传统冶金工艺和增材制造（AM）工艺。传统粉末冶金工艺包括传统烧结（CS）、热等静压（HIS）、火花等离子烧结（SPS）、金属注射成型（MIM）和自蔓延高温合成（SHS）。另一方面，增材制造 PM 工艺包括选择性激光熔化（SLM）、激光工程净成形（LENS）、电子束熔化（EBM）和选择性激光烧结（SLS）。这些工艺的优势和局限性如表 4 所示。

表 4.粉末冶金镍钛合金制造方法的优点和局限性。

尽管铸造工艺在制造镍钛合金，尤其是医疗应用中更为流行，但粉末冶金技术已经证明，它在某些领域有潜力与铸造工艺相媲美，甚至更胜一筹，包括在不发生偏析的情况下获得更高的合金成分，从而实现各向同性的物理和机械性能。事实上，与粉末冶金有关的快速凝固（RS）有时会提高物理和机械性能。这一点非常重要，因为它会产生连锁效应。例如，均匀细微的微观结构可提高机械加工性能，而粉末冶金技术带来的延展性则可提高冷加工和热加工（如轧制、挤压和锻造）的性能。一般来说，材料性能的提高会影响产品的保质期。为了提高合金的均匀性，合金粉末烧结比原料金属粉末烧结更受欢迎。粉末冶金还可用于控制相变温度。

在商业上，PM 已被用于生产多孔镍钛合金。在这方面，HIP、MIM 和 SHS 等不同方法都能满足需要多孔镍钛合金植入物的主要前提条件。这些要求包括：开放且相互连接的孔隙率在 30% 到 80% 之间，孔隙大小在 100 μm 到 600 μm 之间，高强度（2% 应变时至少 100 兆帕），低杨氏模量（接近松质骨（< 3 GPa）或皮质骨（10-20 GPa）的杨氏模量）和高恢复应变（8% 加载后恢复 2% 以上）。

然而，存在一些问题阻碍了医用级镍钛合金粉末冶金材料的充分利用。首先，氧气控制是一项严峻的挑战，因为典型的粉末冶金镍钛合金零件的氧气含量高达 3000 ppm。尽管通过小心处理可以将其降低至 1500 ppm，但这种氧气水平对延展性和疲劳的影响仍然令人担忧。此外，由于高孔隙率会产生较大的暴露表面积，镍浸出是一个严重的问题，因为它能够引起细胞过敏、遗传毒性和细胞毒性等有害影响。此外，孔隙不仅会降低镍钛合金的耐腐蚀性，还会影响镍的释放，用 SHS 制造的未经处理的多孔镍钛合金的镍释放量比固态镍钛合金高出两个数量级。

此外，烧结合金会产生脆性氧化物成分较高的合金（Ti4Ni2Ox:0 < x ≤ 1）。最后但同样重要的是，Ni-Ti 合金粉末的致密化过程很困难，这主要是由于镍和钛之间的扩散性差异以及高放热性的镍钛合金形成反应和Ni3Ti、Ti2Ni液态共晶存在引起的毛细效应。

三、镍钛合金成型

如图 5 所示，制造完成后，铸锭可能需要加工成特定形状，形成线材、棒材、管材、板材和带材等材料形态。热加工温度为 600-900℃，用于将铸锭从直径 500 毫米（如 VIM/VAR 铸锭）缩小到 15 厘米左右。在这种高温下可以产生较大的变形。然后进行冷加工以影响最终产品的形状，之后必须在 600-800℃ 下进行完全退火，因为镍钛合金的加工硬化速度很快。为了达到最佳的超弹性性能，必须将冷加工和时效处理结合起来。

图 5. 镍钛合金 SMA 塑性变形的基本过程。

四、微机械加工镍钛合金

微机械加工主要是根据从工件上去除的材料量来定义的，这一概念被称为 “单位去除量（UR）”，是由 N. Taniguchi 为了区分传统加工和微机械加工而提出的。UR的基本定义是在一个周期的移除动作中移除的工件部分，它给出了物体最小可调整尺寸的极限，因此在精度规格中发挥着重要作用。一些研究将微机械加工定义为去除尺寸在 1 到 999 μm 之间的材料，而另一些研究则将微机械加工定义为至少有一个尺寸在微米范围内的加工，尤其是微机电系统（MEMS）。另一方面，微制造是指制造至少有两个尺寸在亚毫米范围内的零件。

在本文中，机械加工工艺根据德国标准化研究所（Deutsche Institut für Normung e.V. (DIN)）的 DIN 8580 标准进行分类。如图 6 所示，加工工序分为六大类，即初级成型、成形、分离、连接、涂层和改变材料特性的工序。本文讨论的工艺属于分离类，车削和铣削属于切削刃几何形状确定的工艺，磨削属于切削刃几何形状不定义的工艺，而微放电加工（Micro-EDM）、激光加工、电化学加工（ECM）和水射流加工（WJM）属于去除操作类。

图 6. DIN 8580 标准的制造工艺分类，显示了主要用于加工镍钛合金的分离工艺（根据标准重新绘制）。

使用表 5 所示的适用性分析标准，总结出每种工艺的优势和局限性，如表 6 所示。这考虑了每个工艺在精度、材料热影响和可实现的表面质量方面的能力。

表 5.镍钛合金制造方法的适用性分析标准。

表 6.镍钛合金加工方法的优点和局限性总结。

此外，表 7 还从性能参数和能力方面对流程进行了比较。随后，将对每种工艺进行更详细的讨论。

表 7.镍钛合金加工方法的典型输入和输出参数比较。

01.镍钛合金车削、铣削和磨削

一般来说，车削、铣削和磨削可以在宏观或微观尺度上进行，虽然这两种变体在运动学上相似，但在边界条件取决于相关应用的几个方面却有很大不同。有助于定义宏观和微观边界的几个特征包括：

• 未切削的切屑厚度：厚度小于 200 μm 被认为是微小的，但随着加工技术的进步，这一界限也在不断变化。目前，未切削切屑厚度小于 100 μm 是可以实现的。
• 部件尺寸和精度：至少有两个尺寸应在亚毫米（1-1000 μm）范围内，Ra ≤ 100 nm）。
• 车削、铣削或磨削刀具的几何尺寸：（≈25-1000 μm）。
• 基本加工力学：在微小范围内，未切削的切屑厚度与切削刃半径或工件晶粒大小相当，因此切屑的形成主要是犁削而非剪切。此外，切削刃半径效应、侧面刀具与工件接触、负前角（即使刀具名义前角为正）、微观结构效应和最小切屑厚度等因素也变得至关重要。事实上，在一种被称为 “最小未切削切屑厚度效应 “的现象中，如果未切削切屑厚度低于特定的临界值（该临界值因工件材料而异），则不会形成切屑。

表 8 列出了在微米范围内加工的典型可实现几何形状和 Ra 表面粗糙度值。不过，这些值是根据工件材料而定的。对于镍钛合金，可实现的 Ra 表面粗糙度值如表 7 所示。由于在微米范围内车削、铣削和磨削镍钛合金的专门研究相当缺乏，因此本综述并不局限于微米范围。

表 8.微切割工艺的典型几何形状和 Ra 表面粗糙度值

01.1.镍钛合金车削

车削镍钛合金时的现象与铣削非常相似，即虽然很大的进给量会显著增加 Ra 值，但很小的进给量并不一定会产生很低的 Ra 值。由于累积的刀具/材料附着力，侧面磨损增加导致 Ra 值增加。加工表面会出现较大的毛刺，毛刺的形成分为四个阶段，即开始阶段、初始发展阶段、枢轴点阶段和最终发展阶段。

在工具方面，未涂层的硬质合金不适合加工镍钛合金，因为这会导致工具磨损加剧，其特点是缺口磨损严重以及耙面凹陷。相反，可以使用 TiN 涂层来减少磨损面的宽度。研究表明，多层涂层硬质合金工具（八层 TiCN 和 TiAlN 涂层交替使用，首先使用 TiN 底涂层，最后使用 TiN 面涂层）的效果更好。

如图7所示，在使用TiCN/TiAlN多层刀具进行钛镍合金加工时观察到三个不同的转速范围。在低转速（范围1）下，转速为20 m/min时，存在非常高的切削力，随后观察到高刀具磨损，表现为高凹口磨损。在此范围内，润滑剂会影响切割力。切削力和切口磨损随着切削速度的增加而减小，在切削速度 vc = 100 米/分钟时，切口磨损不再明显。在范围 2（vc = 60-130 米/分钟）中，结果显示切削力既不受切削速度的影响，也不受润滑剂的影响。对于范围 3 中的较高切削速度（vc = 140 米/分钟以上），在干式加工情况下，刀具磨损和切削力都会显著增加，从而突出了润滑剂的必要性。

图 7. 切削力与切削速度和润滑剂的关系（其中：αo→侧角，γo→前角，kr→进入角，rϵ→刀尖半径）。

关于低温加工对镍钛合金的影响的研究表明，在加工室温奥氏体镍钛合金的过程中，与干法和最小量润滑（MQL）相比，低温加工可减少刀具的渐进磨损，从而大幅提高切削刀具的性能。不过，所有方法在加工 4 分钟后的质量都相当，加工零件的表面粗糙度值随着加工时间的延长而增加。研究还发现，车削镍钛合金对镍钛合金的相变行为有相当大的影响，这可归因于机械应力和热影响区。

01.2.镍钛合金铣削

对镍钛合金进行铣削加工虽然可行，但问题很大，因为镍钛合金具有加工硬化、高强度和高比热的特性，加工会导致较大的侧面磨损。对钛镍合金的铣削性进行了研究。使用了一台通用型合成冷却液的数控铣床，并采用(Ti,Al)N/TiN镀层硬质合金刀片进行切削。这些刀片不仅具有成本效益，而且研究表明与PCD或CBN刀具相比，多层TiCN/TiAlN或TiCN/TiN镀层的硬质合金刀具能提供更好的效果。加工后发现切削刃有非常大的侧面磨损、涂层剥落和一定程度的缺口。与传统金属相比，加工镍钛合金大大缩短了刀具的使用寿命。在最小进给速度（50 毫米/分钟）下，能够获得 Ra = 0.4 μm 的表面粗糙度。然而，一个有趣的现象出现了，当进给速度增加到 200 毫米/分钟时，Ra 达到最低值 Ra = 0.19 μm，而进给速度的进一步增加则使 Ra 显著增加到 1.66 μm。

以高进给量、低主轴转速和磨损刀具铣削沟槽时，下铣侧的毛刺高度较大。他们还发现，毛刺的形成取决于切削模式主要是撕裂还是切屑形成，这与进给量有关。虽然加工性能较差，但使用最小量润滑（MQL）可获得良好的刀具磨损和形状精度，与干式加工相比，MQL 可减少镍钛附着。如图 8 所示，虽然无法消除毛刺，但仍能成功铣削出 50-100 μm 范围内的几何形状。MQL 有助于提高刀具寿命。此外，以 33 米/分钟的切削速度、高进给率（6-30 μm/齿）、10-100 μm 的切削深度和相对较高的切削宽度（250 μm）进行微铣削，可以形成更好的切屑，提高工件质量并延长刀具寿命。

图 8. 镍钛合金微铣削腹板和柱体。

研究人员研究了镍钛合金的高速铣削特性，并评估了切削速度、切削深度、进给量和刀具磨损的影响。他们发现，提高切削速度可改善加工过程，减少加工硬化，提高表面质量。通过减少切屑横截面积，可降低切削力或负荷。

01.3.镍钛合金磨削

传统磨削、微细磨削和超精密磨削（UP）是经常被误解和交替使用的磨削术语。如图 9 所示，可以根据 MRR 和晶粒度来区分这些术语以及抛光。

图 9. 研磨与抛光的比较

由于镍钛合金具有磨蚀性，因此研磨镍钛合金是一项重大挑战。不过，通过研磨去除材料是可行的，并且已在工业中得到应用。虽然平面磨床、喷砂机和砂带打磨机在某些镍钛合金制造步骤中非常有用和有效，但大多数镍钛合金部件的成型和表面处理都是采用无心磨削。商业上，微米级磨削主要用于加工导丝。瑞士式无心磨削具有生产难加工的小型零件（如钛镍合金针）并实现表面粗糙度Ra低至0.4 μm的能力。

02.镍钛合金的激光加工

激光是加工医用镍钛合金的最成熟的加工方法。它在去除材料时，工件与激光束或辐射之间没有任何机械啮合，不会产生磨损，从而提高了可重复性。作为一种热加工方法，它并不取决于材料的硬度，而是取决于激光的光学特性以及材料的热物理和光学特性。

激光类型包括固体激光器（Nd:YAG）、气体激光器（CO2 和准分子）、光纤激光器（Yb:YAG）和液体激光器。其中，掺钕钇铝石榴石（Nd:Yag）激光器最常用于镍钛合金微细加工任务。波长为 1064 nm、脉冲长度为 10^(-3) – 10^(-2)s 的 Nd:YAG 激光系统最广泛地用于支架制造。然而，由于目前所需的加工性质越来越复杂，以及对自动化和更高产量的要求，新的激光源（如光纤激光器和盘式激光器）应运而生。这些激光源具有许多优点，包括功率密度高、光斑尺寸小、加工速度快、热影响区域小等。

此外，人们还开发了脉冲长度较短的激光器，从而产生了飞秒（fs）和皮秒（ps）激光器。这些激光器可以在很小的深度内达到极高的温度和压力，吸收的能量可以使材料迅速升温，超过熔点，并由于高动能而进入气相。这确保了材料直接通过汽化去除，而不会形成重铸层，因此热影响区可忽略不计。

超短脉冲 (USP) 激光器适用于制造精密的低质量镍钛合金部件（≈0.5 毫克）。然而，虽然超短脉冲激光切割通常被描述为“冷切割”，但对使用超短脉冲激光切割的薄壁、小直径SE508镍钛合金管材进行的研究表明，产品受热至高温，去除了所有冷加工，并导致材料的相变温度发生大幅偏移和收窄，与超短脉冲激光“冷切割”的宣称恰恰相反。报告指出，UPS 激光器的切割现象更为复杂，因为脉冲重复率、通量和切割长宽比都会显著改变实际切割过程，导致热影响，尤其是对热变化相当敏感的镍钛合金。

使用飞秒激光加工镍钛合金，报告的平均表面粗糙度为 0.2 μm，再沉积层为 7 μm，硬化层为 70 μm，这进一步表明 USP 激光可能会产生热影响。

在激光切割过程中，切割面的质量受多种因素的影响，包括温度、流速和切割面的倾斜角度。分析了使用平均功率高达 400 W 的单模光纤对包括镍钛合金在内的一系列材料所实现的加工数据，并将其加工性能与功率高达 300 W 的灯泵浦 Nd: YAG 激光器进行了比较。发现，单模光纤激光器的光束质量高、光斑尺寸小，是微切割应用的最佳选择。

热影响区（HAZ） 是激光加工的难题之一，为了处理 HAZ，飞秒激光器得到了应用，因为飞秒激光器的光束与材料的相互作用时间短，能够减小 HAZ 的尺寸。然而，应用这种技术的主要障碍是碎屑和重铸的形成，即烧蚀材料的表面通常被汽化材料的重新沉积所包围，随后必须通过其他方法将其清除。

为了最大限度地减少碎片带来的挑战，加工可以在水下进行。使用飞秒激光在干燥和水下两种条件下加工冠状动脉支架应用中的镍钛合金。发现，水下加工有助于减少热影响区，去除干加工时在表面形成的碎屑，还能去除重铸层。但是，为了不产生 HAZ，必须使用 0.1 mm/s 的低速。图 10 分别显示了干式加工和水下加工时激光束、水和镍钛合金的相互作用。

图 10. 减少 HAZ 的飞秒激光束、水和镍钛诺在（a）干式加工和（b）水下加工中的相互作用示意图。

利用脉冲持续时间为 6 × 10^(-12) 秒的皮秒激光的三次谐波激光辐射，在紫外线范围内展示了皮秒激光微加工镍钛合金和铂铱合金的能力，并将其应用于冠状动脉支架。使用波长为 λ = 343 nm 的 Trumpf Tru-Micro 5350 激光器，平均功率为 10 W，重复频率为 200 kHz，脉冲持续时间为 6 皮秒、 切割速度为 25 毫米/分钟，使用 4.5 巴氩气辅助气体切割镍钛合金，切割后表面无渣滓，背壁干净，如图 11 所示。然而，如图 12 所示，在距离边缘 15 μm 的范围内发现了一个约 15 μm 的热影响区，其硬度值较高，平均为 6.35 GPa。之后，平均硬度值为 3.7 GPa，与基底材料的硬度值相近。与使用长脉冲激光加工的镍钛合金相比，将较低的热影响区归因于从固态到气态的快速相变，而液态的数量很少。由于光束与材料之间的相互作用时间为皮秒级，加热直接将固体材料爆裂成蒸汽和等离子体，从而实现无渣切割。表面粗糙度值较差的原因是形成了重铸层。

图 11. 镍钛合金切割边缘，在 60× (a) 和 200× (b) 放大倍数下显示无熔渣切割以及干净的后壁。

图 12. 距切割镍钛合金边缘不同距离处的硬度测试结果：(a) 显示测量表面， (b) 显示硬度值。

对激光成型工艺的研究还表明，激光成型除了能够实现零件所需的最终几何形状外，还具有训练双向形状记忆效应的潜力，并作为激光诱导致动、薄膜沉积、激光退火和激光加工镍钛合金部件的一种手段，受到了广泛关注。

03.镍钛合金的电化学加工

对镍钛合金进行电化学加工是可行的，但相关报道不多。将短脉冲电化学加工应用于镍钛形状记忆合金的沟槽加工，结果发现，增加电流会使沟槽更深更宽。当电流过大时，加工表面的整体质量下降。这意味着必须仔细控制施加的电流，才能实现成功的加工。研究了电解质和电极在镍钛合金 ECM 中的作用，结果表明，电解质密度越高，加工形状越难控制。此外，电极形状对电流调节的难易程度也有影响。

应用约束层技术在镍钛合金上制造复杂的3D微结构，并成功达到微米级的精度。研究了天然镍钛合金表面的电化学特性，报告称化学处理镍钛合金有可能影响其耐腐蚀性。发现，在化学溶液中制备的镍钛合金表面在无应变和应变状态下都表现出一致的腐蚀性。这与经过机械抛光和热处理的样品形成鲜明对比，后者容易产生点蚀。电化学加工工艺成功的关键是能够有效地对电极进行绝缘处理，以确保获得精确的形状，因为绝缘层会对电流分布产生影响。

04.镍钛合金的水刀加工（WJM）

水射流加工（WJM）是一种高能流体射流技术，通过高速射流来控制材料的去除。如果在水射流中加入磨料，则称为磨料水射流加工 (AWJM)。与铣削内部特征（如盲槽）相比，这两种方法都更适合切割薄板。镍钛合金的 WJM 和 AWJM 是可行的，而且前景广阔，因为可以加工出没有热影响区（HAZ）、白层、裂纹或变形结构的小结构表面。然而，由于镍钛合金的应变硬化和屈服强度，切割质量面临着深度不均匀的挑战。此外，镍钛合金具有良好的耐侵蚀性，这得益于它的弹性行为，这种行为可以释放局部应变。此外，所涉及的高水压会导致微小的镍钛合金部件发生意外变形。对使用和不使用磨料对镍钛合金进行受控深度铣削的分析表明，使用磨料可以改善加工过程，从而更好地控制深度。这是因为材料的去除机制是微磨蚀，包括开槽、犁蚀以及通过水滴撞击产生的进一步侵蚀。因此，为了有效加工镍钛合金，建议先使用 AWJM，然后再使用 WJM 进行清洗。虽然 AWJM 温度对其他材料来说可能无关紧要，但据报道，它们会影响医用级镍钛合金的加工过程，因为温度变化会导致奥氏体相变，而奥氏体相变据报道具有较低的抗侵蚀性。

05.镍钛合金的微电火花加工（EDM）

电火花加工是一种非常规工艺，利用放电从导电材料上去除材料。由于其烧蚀性质是基于工件材料的熔化和/或蒸发，因此不受工件硬度、韧性或脆性的影响，是加工镍基高温合金、钛合金、硬化钢、导电陶瓷和硬质合金等难切削材料的合适工艺。

控制脉冲能量的能力以及电火花加工的无接触特性，使得加工微小而复杂的零件具有很高的表面完整性，因为表面光洁度的 Ra 值可以低至 0.1 μm。通过使用低脉冲能量，已成功加工出无热影响区的镍钛合金表面，从而消除或减少了对电抛光等后处理步骤的需求。研究表明，微电火花加工是一种适合加工医用级镍钛合金的方法，所实现的放电性质在很大程度上取决于发生器技术，就 RC 电路而言，无论工件材料如何，放电性质都相对相似。如图 13 所示，对加工镍钛合金、钢和碳化钨所产生的平均脉冲进行了比较。然而，脉冲数和随之产生的热效应在很大程度上取决于加工深度和工件材料。

图 13. uo= 100V 和放电能量（6.2 μJ）时的平均脉冲。

最近对其在加工医用级镍钛合金过程中的作用进行的研究表明，在较高的放电条件下，存在着显著的影响，这些影响能够改变镍钛合金的转化行为，在加热时的反向转化中产生三峰现象，并减少滞后。研究了微电火花参数，以便在加工镍钛形状记忆合金 (SMA) 时获得最高的材料去除率 (MRR)、良好的表面质量和较低的刀具磨损率 (TWR)。采用田口设计法观察到，MRR 受电容、放电电压的影响很大，并且取决于电极材料。还注意到，在低能量水平下 TWR 更好。

对镍钛合金进行了加工，并注意到电火花加工后的镍钛合金表面出现了一层薄薄的白层，其微观结构和性能与块状材料截然不同。薄白层的机械性能对疲劳、腐蚀、摩擦和磨损等产品性能至关重要。使用纳米识别技术测量了白层的纳米硬度和模量，结果表明其硬度比主体材料高出约 50%。

在微电火花加工过程中，电极的组成元素保留在加工表面上，研究表明，使用镍钛合金作为工具电极有可能减少与使用其他工具电极相关的表面污染。然而，镍钛合金作为工具电极的性能仍未得到充分表征。在纳米识别技术的帮助下研究了电火花加工镍钛合金表面的微机械特性，发现在加工过程中，工具电极的组成元素不仅沉积在被加工零件的表面，而且还扩散到次表面。这表明，微电火花加工有可能在加工表面产生所需的元素，包括抗菌元素。研究了粉末混合微电火花作为钛植入物抗菌涂层方法的潜力，并报告说，通过仔细控制加工参数，如脉冲能量、介电常数和粉末浓度，可以同时加工表面和涂覆抗菌层。

五、镍钛合金后处理

01.接合方法

镍钛合金可以使用多种方法连接，包括压接、型锻、焊接、钎焊和锡焊。或者，也可以使用氰基丙烯酸酯和环氧树脂等粘合剂。尽管研究表明，由于镍钛合金表面氧化物的存在，实现镍钛合金自身焊接非常困难，但不会对其形状记忆和超弹性产生不利影响。如果要达到理想的效果，必须首先去除这些氧化物，使其达到基底金属。异种金属的连接甚至更具挑战性。此外，焊接虽然可行，但会导致抗拉强度和抗永久变形能力下降，尤其是在熔合区和热影响区。富钛合金更容易出现焊接裂纹。对加工镍钛合金的微电阻点焊和激光微焊接进行了测试，结果表明不仅需要清除表面污染物，而且焊接会改变镍钛合金在熔合区的相变行为。与基体材料相比，焊接还导致熔合区的硬度降低 30%。另一种方法是将两个配合部件连接起来，形成形状记忆接头，从而实现镍钛合金的收缩配合。镍钛合金可以在马氏体状态下进行冷却和膨胀，然后再恢复到配对零件上，建议采用 1.5% 的接触应变或恢复后的干涉来实现有效的连接。

02.抛光方法

抛光方法有多种，包括电解抛光、电镀、涂层、等离子电解抛光（PeP）等。应用最多的工艺是电解抛光。这尤其是支架制造中的关键步骤。电解抛光已广泛应用于镍钛合金产品，具有去毛刺、精整、超清洁以及提高镍钛合金耐腐蚀性能的优点。电解抛光能够通过消除冷加工应力、热影响区、微裂纹以及圆角来提高疲劳寿命。如果操作得当，还能将表面粗糙度值降低 2 倍，因此其效果取决于原始表面的性质。它还能减少细菌在抛光表面滋生的可能性。

在电解抛光过程中，电解液成分、抛光时间、施加电流和电极间间隙都起着重要作用。仔细选择施加的电流是关键，因为虽然增加电流会导致更好的表面粗糙度，但过大的电流会导致不稳定的加工状态。如果施加18A以上的电流，过度的镍钛合金侵蚀意味着该过程不再是电解抛光，而是电加工。超短脉冲电流的应用使得该工艺能够用于镍钛合金产品的电化学抛光。

PeP 是另一种由阳极溶解决定的抛光方法，适用于导电材料，但并未广泛应用于镍钛合金抛光。因此，它具有抛光镍钛合金的潜力。这是一种适用于复杂金属零件的多功能方法，其表面粗糙度可达 Ra < 0.02 μm。与电抛光一样，它的效果与初始表面的性质有关，因此不适合作为一步法抛光非常粗糙的表面。此外，等离子体蒸汽表皮的产生往往会阻碍内腔的有效处理，而可抛光零件的最大尺寸则取决于工艺能量的可用性。

六、结论

本文详细介绍了镍钛合金工艺链，提供了镍钛合金制造和加工的比较数据。在比较中考虑了不同的因素，包括所分析工艺的优点和局限性，其中的适用性分析可为工艺选择提供快速指导。

综上所述，所选择的制造和加工方法不仅有可能定义最终零件，而且还会影响单个工艺以及整个工艺链的经济可行性。这一点在后处理步骤中尤为明显，因为后处理步骤往往发生在流程链的最末端，这意味着任何失误往往都会带来巨大的成本影响。因此，一个好的选择是成功加工的第一步，本文为研究人员以及对制造和加工医疗应用镍钛合金感兴趣的工业企业提供了宝贵的信息。

文章来源：网络