Memry鎳鈦諾：完整指南
2024-03-08
目錄：
第 1 節(jié) —— 關(guān)鍵概念
第 2 節(jié) —— 鎳鈦合金錠和鍛造材料
第 3 節(jié) —— 凈形原材料
第 4 節(jié) —— 加工鎳鈦諾
第 5 節(jié) —— 醫(yī)療器械設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)
第 1 節(jié) —— 關(guān)鍵概念
鎳鈦諾是一種特殊類型的合金，稱為形狀記憶合金 (SMA)，由接近等原子的鎳和鈦（即 50:50 at% 的鎳和鈦）組成。鎳鈦合金具有出色的超彈性和形狀記憶特性以及生物相容性。第一個(gè)醫(yī)療器械應(yīng)用是 1970 年代初期的 ，在 1989 年美國食品和藥物管理局批準(zhǔn) Mitek 縫合錨釘裝置后，許多其他器械被引入市場。鎳鈦合金從此成為心血管領(lǐng)域的主要產(chǎn)品， 神經(jīng)血管、血管內(nèi)、外周血管、骨科、脊柱、泌尿科和牙科領(lǐng)域，應(yīng)用范圍從神經(jīng)血管支架和心臟瓣膜框架到骨科釘和一次性縫合穿線器。
鎳鈦諾是醫(yī)療器械工程師工具箱中必不可少的材料，但傳統(tǒng)的材料特性、設(shè)計(jì)理念和制造工藝通常不再適用。在獲得必要的工程技術(shù)訣竅之前，需要大量使用合金的經(jīng)驗(yàn)，才能將設(shè)備從最初的構(gòu)想帶到最終發(fā)布。這里將介紹我們工程師每天使用的許多概念，包括：
基礎(chǔ)冶金學(xué)；
機(jī)械性能和熱性能；
用于合金和材料測試的 ASTM 標(biāo)準(zhǔn)；
通用制造工藝；和
鎳鈦合金特定的設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)。
1.1 相變 - 奧氏體 馬氏體
為了了解形狀記憶合金的工作原理，您必須首先掌握相變的概念。鎳鈦諾獨(dú)特的形狀記憶和超彈性特性源于材料受到外部刺激（例如溫度變化或施加的應(yīng)力）時(shí)發(fā)生的可逆固態(tài)相變。溫度變化引起的相變是形狀記憶特性的機(jī)制，而應(yīng)力引起的相變是超彈性特性的機(jī)制（參見第 1.3 節(jié)）。這種無擴(kuò)散馬氏體相變發(fā)生在母體 B2 奧氏體相和 B19' 馬氏體相之間。
鎳鈦合金 IQ
在鎳鈦諾中，無擴(kuò)散轉(zhuǎn)變是以音速發(fā)生的晶格 (B2?B19’) 瞬時(shí)變形；通常被稱為軍事轉(zhuǎn)型。相反，在鋼合金中常見的基于擴(kuò)散的相變需要原子擴(kuò)散相對較長的距離。擴(kuò)散需要在高溫下長時(shí)間加熱合金。
馬氏體轉(zhuǎn)變被定義為由于系統(tǒng)熱力學(xué)穩(wěn)定性的變化而發(fā)生的晶格剪切/混洗。鎳鈦諾中發(fā)生的可修正馬氏體相變通過晶格的孿晶來調(diào)節(jié)。與鋼合金的馬氏體相變過程不同，它由不可逆的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)（即滑移）調(diào)節(jié)，鎳鈦諾中的孿晶是可逆的。這個(gè)概念在下面可視化，在可逆孿晶中，晶格平面移動(dòng)不到一個(gè)晶胞，并且仍然保持與母晶格結(jié)構(gòu)的對應(yīng)關(guān)系。
鎳鈦合金 IQ
相變的一個(gè)常見例子是分別在 0 °C 以上和以下的冰融化和水凝固。同樣，不同的鎳鈦諾相在不同溫度下具有熱力學(xué)穩(wěn)定性。與水示例相比，兩個(gè)主要區(qū)別包括：i）所有相變都發(fā)生在固態(tài)和 ii）相變溫度在冷卻時(shí)與加熱時(shí)不同（即存在滯后現(xiàn)象，請參見第 1.4 節(jié)）。
1.1.1 R相
有時(shí)存在在 B2、奧氏體和 B19'、馬氏體相之間的溫度或應(yīng)力下穩(wěn)定的中間相。稱為 R 相的相具有菱形晶體結(jié)構(gòu)，是這些相中最常見的；特別是在考慮傳統(tǒng)的二元 NiTi 鎳鈦合金時(shí)。R 相是一種中間馬氏體相，與發(fā)生在具有高位錯(cuò)密度（即冷加工）、富鎳析出物（即熱處理）或某些三元合金的鎳鈦諾材料中發(fā)生的 B19' 馬氏體相變競爭。晶體結(jié)構(gòu)中的位錯(cuò)以及富鎳析出物都能抵抗晶格中的大應(yīng)變。由于 R 相轉(zhuǎn)變需要更少的晶格應(yīng)變，因此在這些情況下在奧氏體和馬氏體相之間發(fā)生熱力學(xué)是有利的。
1.2 識(shí)別轉(zhuǎn)變溫度
1.2.1 差示掃描量熱法 (DSC)
ASTM F2004 – 鎳鈦合金熱分析轉(zhuǎn)變溫度的標(biāo)準(zhǔn)測試方法差示掃描量熱法 (DSC) 是一種熱分析技術(shù)，用于表征鎳鈦諾形狀記憶合金的相變行為。DSC 方法通過測量樣品在相變過程中冷卻和加熱時(shí)釋放（即放熱）或吸收（即吸熱）的熱量來生成曲線。DSC 測試產(chǎn)生極其可重復(fù)的曲線，其中切線用于識(shí)別特定組件/合金中存在的每個(gè)相的開始、結(jié)束和峰值溫度。
根據(jù)ASTM F2063，DSC 技術(shù)最常用于表征鍛造鎳鈦諾材料或鑄錠。當(dāng)鎳鈦諾處于完全退火狀態(tài)時(shí)，可以根據(jù)轉(zhuǎn)變溫度確定合金的鎳鈦比，作為質(zhì)量控制的一種形式。在完全退火狀態(tài)下，鎳鈦諾會(huì)在奧氏體和馬氏體之間呈現(xiàn)單階段轉(zhuǎn)變。然而，如果材料被進(jìn)一步加工，例如，冷加工和老化（即熱處理），則通過 DSC 可以識(shí)別出存在 R 相的兩階段轉(zhuǎn)變。
設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)
鍛造鎳鈦諾產(chǎn)品合格證書上提供的 As 溫度將使用 DSC 測試來確定
DSC 技術(shù)也可用于測試 BFR 不可行或不實(shí)用的原材料或成品部件；例如，一個(gè)復(fù)雜的編織設(shè)備
由于制造超彈性網(wǎng)狀原材料和/或最終組件所需的熱機(jī)械加工，通常存在 R 相（即兩階段轉(zhuǎn)變）
鎳鈦合金 IQ
DSC 曲線在開發(fā)熱機(jī)械制造工藝時(shí)非常有用。例如，從曲線中可以學(xué)到很多東西；
淺而寬的峰表明材料中有更多的冷加工，
用于調(diào)節(jié) Af 溫度和超彈性平臺(tái)應(yīng)力的老化熱處理可以通過可視化 Ap 的變化進(jìn)行優(yōu)化，以及
峰下的面積是轉(zhuǎn)變熱，與材料相變的體積有關(guān)。
1.2.2 彎曲和自由恢復(fù) (BFR)ASTM F2082 – 通過彎曲和自由恢復(fù)測定鎳鈦形狀記憶合金轉(zhuǎn)變溫度的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法彎曲和自由恢復(fù) (BFR) 測試用于確定凈形狀原材料產(chǎn)品（即線材、管材、板材、棒材等）或成品組件的活性 Af 溫度。在此測試中，鎳鈦合金樣品被冷卻到低于 Mf 溫度，然后以受控方式變形。在將樣品加熱到奧氏體（和 R 相）轉(zhuǎn)變溫度后，樣品將恢復(fù)其原始形狀（即自由恢復(fù)）。然后將通過線性或旋轉(zhuǎn)可變差動(dòng)傳感器 (LVDT/RVDT) 測得的位移與溫度進(jìn)行對比。然后從曲線中取切線以確定活性轉(zhuǎn)變溫度。
鎳鈦合金 IQ
根據(jù)先前的處理歷史，樣品/組件上的應(yīng)力可以將轉(zhuǎn)變溫度轉(zhuǎn)移到較低溫度。因此，BFR 被認(rèn)為可以更好地代表應(yīng)用中經(jīng)歷的轉(zhuǎn)變溫度。通常發(fā)現(xiàn)通過 BFR 測試測得的活性 Af 溫度低于通過 DSC 測試確定的 Af。活性 Af 最高可降低 15 °C。
垂直安裝的 LVDT 和旋轉(zhuǎn) RVDT BFR 方法的示意圖如下所示，如ASTM F2082中所述。非接觸式方法也可用于視覺系統(tǒng)跟蹤應(yīng)變的地方，但這些系統(tǒng)不太常見。BFR 測試通常用于表征奧氏體完成溫度、凈形原材料和成品組件的 Af，只要有可能，它們都會(huì)出現(xiàn)在合規(guī)證書上。然而，此類測試的缺點(diǎn)包括缺乏馬氏體相特征和難以適應(yīng)復(fù)雜的幾何形狀。因此，有時(shí)仍然需要進(jìn)行 DSC 測試。
1.3 鎳鈦諾的功能特性
鎳鈦諾的功能特性源于材料的熱機(jī)械響應(yīng)。根據(jù)奧氏體 ? 馬氏體相變是熱誘導(dǎo)還是外加應(yīng)力誘導(dǎo)，熱機(jī)械響應(yīng)可分為兩種不同的功能特性。熱誘導(dǎo)轉(zhuǎn)變可實(shí)現(xiàn)形狀記憶效應(yīng)，而應(yīng)力誘導(dǎo)轉(zhuǎn)變可產(chǎn)生超彈性。
一個(gè)常見的誤解是超彈性和形狀記憶反應(yīng)無關(guān)。事實(shí)上，響應(yīng)僅取決于鎳鈦諾成分的轉(zhuǎn)變溫度以及應(yīng)用（或測試）溫度。在 Mf 溫度以下，鎳鈦諾合金將表現(xiàn)出形狀記憶，而在 Af 溫度以上，鎳鈦諾材料將表現(xiàn)出超彈性。這個(gè)概念在設(shè)計(jì)鎳鈦合金設(shè)備時(shí)至關(guān)重要，并進(jìn)一步強(qiáng)調(diào)了通過 DSC 和/或 BFR 測試確定組件最終相變溫度的重要性。
1.3.1 超彈性
如果對鎳鈦諾組件施加應(yīng)力，在高于 Af 的溫度下，奧氏體相將轉(zhuǎn)化為應(yīng)力誘發(fā)馬氏體 (SIM)，從而導(dǎo)致超彈性響應(yīng)。鎳鈦諾的超彈性行為通常通過ASTM F2516的循環(huán)拉伸測試來表征。
超彈性鎳鈦諾的典型循環(huán)拉伸曲線可以分為幾個(gè)不同的部分。在初始加載期間，奧氏體相表現(xiàn)出典型的彈性變形 (A → B)，直到達(dá)到 UPS。一旦達(dá)到 UPS，就會(huì)觀察到等應(yīng)力條件 (B → C)，因?yàn)榱⒎綂W氏體結(jié)構(gòu)剪切成去孿晶 SIM，隨后是去孿晶 SIM 結(jié)構(gòu)的彈性變形 (C → D)。正如熱致相變一樣，SIM 的形成是可逆的。在卸載過程中 (D → A) 彈性應(yīng)變恢復(fù)并且 SIM 轉(zhuǎn)變回母體奧氏體相。請注意，恢復(fù)應(yīng)力（或 LPS）低于 UPS。觀察到的滯后現(xiàn)象是由內(nèi)部摩擦和晶體結(jié)構(gòu)中的缺陷引起的。
典型的鎳鈦諾合金在永久變形開始之前會(huì)表現(xiàn)出高達(dá) 8% 應(yīng)變的超彈性。然而，總是有一定比例的永久變形或殘余伸長率 Elr。Elr 的大小取決于材料過去的熱機(jī)械加工以及組件在卸載前所承受的應(yīng)變百分比。
設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)
UPS 和 LPS 之間的區(qū)別稱為機(jī)械滯后。重要的是要了解哪個(gè)平臺(tái)應(yīng)力對于特定應(yīng)用更重要。為了說明這一點(diǎn)，舉兩個(gè)例子：i) 導(dǎo)絲——加載過程中導(dǎo)絲的“剛度”對于在解剖結(jié)構(gòu)中導(dǎo)航以及在復(fù)雜解剖結(jié)構(gòu)中引導(dǎo)裝置都很重要。因此，UPS 在這種情況下至關(guān)重要。ii) 心血管支架——壓縮支架所需的力與 UPS 相關(guān)，但在血管內(nèi)展開時(shí)，施加的徑向力與 LPS 相關(guān)。在這種情況下，UPS 和 LPS 都很重要。
鎳鈦合金 IQUPS 和 LPS 并非針對所有溫度都是固定的。根據(jù) Clausius-Clapeyron 關(guān)系，超彈性平臺(tái)將隨著應(yīng)用（或測試）溫度的增加而增加。對于每 °C，平臺(tái)可以變化 3 – 20 MPa/°C（0.4 – 3 ksi/°C）；取決于合金和加工歷史。因此，重要的是在應(yīng)用溫度（例如植入式設(shè)備為 37 °C）下測試最終設(shè)備的超彈性性能。這種平臺(tái)應(yīng)力的增加是由于鎳鈦諾材料的溫度進(jìn)一步增加到高于 Af 溫度時(shí)高溫奧氏體相的熱力學(xué)穩(wěn)定性增加。事實(shí)上，UPS 將繼續(xù)增加，直到達(dá)到合金的屈服應(yīng)力，并且材料將屈服并再次表現(xiàn)得像彈性塑料材料一樣。因此，超彈性不會(huì)在這個(gè)稱為“馬氏體變形溫度”或 Md (~ 80 °C > Af) 的臨界溫度以上發(fā)生。
1.3.2 形狀記憶效應(yīng)
馬氏體和奧氏體之間的熱誘導(dǎo)相變導(dǎo)致鎳鈦合金的形狀記憶響應(yīng)。形狀記憶效應(yīng)可用于制造致動(dòng)器，以及在達(dá)到體溫時(shí)展開心血管支架等醫(yī)療設(shè)備。
使用應(yīng)力-應(yīng)變-溫度圖可以最好地說明形狀記憶效應(yīng)。為了表現(xiàn)出形狀記憶行為，鎳鈦諾合金必須首先冷卻到 Mf 以下。在應(yīng)力-應(yīng)變-溫度圖上，馬氏體的變形從 A 點(diǎn)移動(dòng)到 B 點(diǎn)。在變形的早期階段，在達(dá)到馬氏體去孿晶應(yīng)力 (σm) 之前觀察到一個(gè)彈性區(qū)域，其中應(yīng)力幾乎保持恒定。這個(gè)恒定的應(yīng)力區(qū)域之后是完全去孿晶結(jié)構(gòu)的彈性應(yīng)變。一旦材料處于變形狀態(tài)并且應(yīng)力已被卸載，加熱到高于 As 的溫度將導(dǎo)致去孿晶馬氏體開始轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體。一旦溫度達(dá)到 Af (B → C) 以上，晶體結(jié)構(gòu)的這種轉(zhuǎn)變就會(huì)轉(zhuǎn)化為在宏觀尺度上恢復(fù)原始訓(xùn)練形狀的組件。由于晶格對應(yīng)，變形的晶體結(jié)構(gòu)會(huì)記住其原始方向。當(dāng)溫度恢復(fù)到 Mf 以下時(shí)，奧氏體結(jié)構(gòu)變回馬氏體 (A → B)，宏觀形狀沒有變化，并且可以重復(fù)循環(huán)。
1.4 熱滯后
熱滯是合金加熱時(shí)與冷卻時(shí)的相變溫度差異。對于醫(yī)療設(shè)備應(yīng)用中使用的鎳鈦諾超彈性合金，這種滯后通常約為 20 - 30 ?C。熱滯與 UPS 和 LPS 在合金在高于 Af 的溫度下的超彈性響應(yīng)期間的機(jī)械滯后有關(guān)。更大的熱滯后將產(chǎn)生更大的機(jī)械滯后。
1.5 冷加工的影響
冷加工也稱為加工硬化或應(yīng)變硬化，是通過塑性變形強(qiáng)化材料。這種強(qiáng)化是由于材料晶體結(jié)構(gòu)內(nèi)的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)（即產(chǎn)生缺陷）而發(fā)生的。冷加工在凈形原材料的熱機(jī)械加工中至關(guān)重要，以獲得最終鎳鈦諾組件所需的機(jī)械和功能特性。塑性變形的物理行為發(fā)生在通過拉絲、拉管或板材軋制等過程將變形的鎳鈦合金材料還原成最終的凈形狀。最終拉拔/軋制工藝步驟產(chǎn)生的典型最終冷加工量在 30 – 50 % 之間；按截面積減少計(jì)算。
在鎳鈦諾中，冷加工量會(huì)影響合金的機(jī)械和功能特性。例如，材料的屈服應(yīng)力和極限抗拉強(qiáng)度 (UTS) 等機(jī)械性能會(huì)隨著冷加工百分比的增加而增加。然而，這種強(qiáng)度的增加是以伸長率（或延展性）降低為代價(jià)的。重要的是要注意，需要進(jìn)行最終熱處理才能使鎳鈦諾材料表現(xiàn)出形狀記憶和超彈性特性。例如，采用 30% 冷加工的材料在晶體結(jié)構(gòu)中的位錯(cuò)密度過高，不允許發(fā)生相變所需的應(yīng)變。相反，如果施加到材料中的冷加工量不夠高，則材料在 UPS 或馬氏體去孿生應(yīng)力 σm 以下發(fā)生塑性變形時(shí)，屈服應(yīng)力可能會(huì)太低。因此，在這種情況下，材料不會(huì)表現(xiàn)出形狀記憶或超彈性。
設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)
冷加工的增加導(dǎo)致轉(zhuǎn)變溫度的降低。考慮到超彈性時(shí)，這意味著 UPS 和 LPS 會(huì)略有增加。
建議從冷加工網(wǎng)狀材料開始，以獲得盡可能高的 UPS 和 LPS 后定形。這是例如制造線型鎳鈦諾裝置的常見做法。
由于冷加工材料的延展性降低，通常需要多個(gè)形狀設(shè)置步驟才能獲得最終部件形狀，而不會(huì)使鎳鈦諾材料破裂/開裂。使用冷加工較少的原材料可以允許更大的定形應(yīng)變和更少的工藝步驟，但是這會(huì)降低最終組件的 UPS、LPS 和 UTS。
1.6 合金配比及Ms
鎳鈦諾通常由大約 50 到 51at.組成。按原子百分比計(jì)的 % 鎳（即 55 至 56 重量%）。例如，在紐約州新哈特福德的 SAES Smart Materials (SSM) 工廠生產(chǎn)的 Memry 合金 BB 專門用 55.8 wt% 的 Ni 鑄造。從下圖可以看出，材料的Ms對合金化比例高度敏感。Ni 含量的最小變化都會(huì)對轉(zhuǎn)變溫度產(chǎn)生很大影響。在考慮不同的鍛造鎳鈦諾材料和老化熱處理時(shí)，理解這一點(diǎn)很重要，這將在后續(xù)部分中討論。鎳鈦合金 IQNi 含量每發(fā)生一個(gè)原子百分比的變化，Ms 溫度就會(huì)變化大約 80 開氏度。因此，在我們的 SSM 工廠的鑄造過程中，需要對合金含量進(jìn)行嚴(yán)格控制。對于 Ni 含量低于約 49.75 at.% 的合金，Ti 在基體中變得飽和并以富 Ti 沉淀物的形式沉淀出來。該區(qū)域的基體組成保持不變，因此 Ms 溫度不變。Ti 飽和限制了通常用于形狀記憶應(yīng)用的鎳鈦諾合金的最大轉(zhuǎn)變溫度。由于轉(zhuǎn)變溫度對下游加工中使用的熱機(jī)械過程極為敏感，因此凈形原材料或成品部件的轉(zhuǎn)變溫度將與鑄錠或鍛造鎳鈦諾材料的轉(zhuǎn)變溫度有很大差異。
第 2 節(jié) —— 鎳鈦合金錠和鍛造材料
2.1 鎳鈦諾合金的 ASTM 標(biāo)準(zhǔn)
ASTM F2063是用于醫(yī)療設(shè)備和外科植入物的鍛造鎳鈦形狀記憶合金的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了允許的化學(xué)成分、轉(zhuǎn)變溫度公差、基本微觀結(jié)構(gòu)（即晶粒尺寸和夾雜物/空隙含量）和退火機(jī)械性能。下表概述了符合ASTM F2063標(biāo)準(zhǔn)的鎳鈦諾材料的化學(xué)成分要求，供參考。
2.2 鎳鈦諾錠的熔化
鎳鈦諾相變溫度和機(jī)械性能對合金成分和雜質(zhì)極為敏感。對于鑄錠生產(chǎn)，必須選擇合金熔煉工藝和元素原料，不僅要確保熔體的均勻性，還要確保最高純度，以確保單個(gè)熔體內(nèi)部和熔體之間的性能一致。鎳鈦諾材料的兩種常見商業(yè)熔煉方法是真空感應(yīng)熔煉 (VIM) 和真空電弧熔煉 (VAR)。
對于 VIM 鑄錠生產(chǎn)，鎳和鈦被放置在導(dǎo)電石墨坩堝中。坩堝通過電感應(yīng)交變磁場加熱和攪拌。
VAR 鑄錠生產(chǎn)涉及水冷銅坩堝。在坩堝內(nèi)，元素鎳和鈦用作自耗電極。在電極和銅坩堝底部之間產(chǎn)生電弧。電極熔化以在坩堝底部形成熔融材料。使用從先前熔體產(chǎn)生的鑄錠作為新電極重復(fù)該精煉過程以促進(jìn)鑄錠的混合和均勻性。
Memry 的姊妹公司 SAES Smart Materials (SSM) 使用 VIM/VAR 工藝。原材料首先在 VIM 熔爐中熔化，然后進(jìn)行 VAR 工藝。這種組合的 VIM/VAR 工藝產(chǎn)生非常干凈、一致的熔體，此后確立了 SAES/Memry 作為生產(chǎn)鍛造鎳鈦諾產(chǎn)品的領(lǐng)導(dǎo)者地位。
鎳鈦合金 IQ一些特性可以通過三元合金元素得到增強(qiáng)。最受歡迎的三元合金包括 NiTiNb、NiTiCu、NiTiCr、NiTiFe 和 NiTiCo。但是，在使用這些合金時(shí)必須對 ASTM F2063 化學(xué)成分要求進(jìn)行例外處理。
2.2.1 收錄內(nèi)容
從理論上講，二元鎳鈦諾僅包含鎳和鈦元素。但是，原材料中存在雜質(zhì)，最常見的是碳和氧。雜質(zhì)在熔化過程中溶解在合金中，在凝固過程中形成第二相顆粒。這些顆粒包括碳化物和氧化物，它們的化學(xué)成分和晶體結(jié)構(gòu)與母材不同，因此被歸類為夾雜物。
研究表明，夾雜物可以作為疲勞裂紋的萌生點(diǎn)，甚至可以促進(jìn)腐蝕。此外，熔體中的大夾雜物或高體積分?jǐn)?shù)將導(dǎo)致機(jī)械性能顯著下降。因此，我們的目標(biāo)始終是限制夾雜物的體積、尺寸和數(shù)量。雜質(zhì)的控制在很大程度上取決于鑄錠的鑄造，但是材料的后續(xù)熱機(jī)械加工也會(huì)對夾雜物的尺寸/幾何形狀和分布產(chǎn)生影響。
ASTM F2063是管理鎳鈦合金中夾雜物尺寸和測量的標(biāo)準(zhǔn)。 在2005 年之前，可接受的最大夾雜物尺寸為 12 ?m。隨著夾雜物檢測方法變得越來越復(fù)雜，可以確定的是，沒有一家鎳鈦合金制造商能夠真正滿足這個(gè) 12 ?m 的最大值。ASTM 標(biāo)準(zhǔn)于 2005 年重新編寫，以準(zhǔn)確反映行業(yè)狀況。
目前ASTM F2063規(guī)定，對于 As 小于或等于 30 °C 的完全退火合金，夾雜物或空隙的尺寸必須 < 39 ?m 并且占據(jù)的面積分?jǐn)?shù)必須 < 2.8 %。完全退火 As 大于 30 °C 的合金應(yīng)具有買賣雙方商定的最大夾雜物尺寸和面積分?jǐn)?shù)。
鎳鈦合金 IQ科學(xué)界對低夾雜物 NiTi 感興趣，它可以提高成品部件的疲勞和耐腐蝕性能。在各種形狀記憶和超彈性技術(shù) (SMST) 會(huì)議上，關(guān)于夾雜物的論文數(shù)量一直在穩(wěn)步增長。已經(jīng)發(fā)表了幾篇文章，研究夾雜物含量較低的材料是否確實(shí)比夾雜物含量較高的材料性能更好。關(guān)于低夾雜物材料的哪些特性更重要的問題仍然存在；它們的大小、數(shù)量或在材料中的位置。其他因素，如樣品制備、被測材料的整體橫截面、夾雜物存在于高應(yīng)力集中點(diǎn)的可能性以及所施加的應(yīng)變類型，都還有待商榷。SAES/Memry 的 Redox? 合金減少了夾雜物的數(shù)量和尺寸，以努力提高鎳鈦諾的性能。ASTM 委員會(huì)過去曾審查過納入要求，并且很可能會(huì)隨著研究的進(jìn)展繼續(xù)這樣做。
SAES/Memry 用于表征夾雜物含量的方法
符合 ASTM F2063 的方法
放大 500 倍的光學(xué)顯微鏡
每個(gè)錠的三個(gè)位置測試（即頂部、中部和底部）。鑄錠頂部和底部發(fā)生非穩(wěn)態(tài)凝固的可能性最高，并且是潛在的最壞情況區(qū)域。
3 個(gè)位置 x 3 次掃描 x 3 張照片 = 每個(gè)錠分析 27 張圖像
證明觀察到的最大夾雜物和最大面積分?jǐn)?shù)。
線材產(chǎn)品在 ?” 熱加工線圈上取樣
棒材產(chǎn)品在 2” 熱加工圓角正方形 (RCS) 處取樣
典型的夾雜物概況 - 標(biāo)準(zhǔn) SAES/Memry 鎳鈦諾材料
大多數(shù)夾雜物的尺寸都在 3 ?m 以下
99% 低于 9 ?m
中位數(shù) = 2 ?m
迄今為止測試的所有材料中沒有超過 25.31 ?m（ASTM 最大 39 ?m）的夾雜物和沒有超過 1.92 %（ASTM 最大 2.8 %）的面積分?jǐn)?shù)
SSM/Memry 材料夾雜物顯著低于 ASTM 2063 標(biāo)準(zhǔn)
注意：根據(jù) ASTM F2063，此數(shù)據(jù)來自 As ≥ 30 °C 合金
2.3 Redox? 鎳鈦諾合金
Redox? 是 SAES/Memry 獨(dú)有的一種新開發(fā)的合金，可解決行業(yè)在微清潔度方面不斷增加的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。它表現(xiàn)出減少的氧化物體積以及夾雜物粒徑。Redox? 與標(biāo)準(zhǔn) SAES/Memry 鎳鈦諾合金相比有了顯著改進(jìn)，并且完全符合ASTM F2063標(biāo)準(zhǔn)。
Redox? 可用于各種形式的原始鎳鈦諾，包括管材、線材、帶材和板材以及完全成品組件。得益于 SSM 獨(dú)有的熔化和加工技術(shù)，Redox? 能夠保持標(biāo)準(zhǔn)鎳鈦諾合金的高完整性和強(qiáng)度。
設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)
高純度鎳鈦諾材料當(dāng)然不是所有醫(yī)療設(shè)備應(yīng)用都需要的。在低風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)用或一次性使用/部署設(shè)備中，低夾雜物材料不會(huì)有利于設(shè)備的最終性能，也不具有經(jīng)濟(jì)意義。從低夾雜物鎳鈦諾中獲益最多的客戶是那些開發(fā)長期植入物的客戶，這些植入物在其生命周期內(nèi)要承受非常多的加載/卸載循環(huán)（例如心臟瓣膜框架）。
2.4 鎳鈦鈷（NiTiCo）合金
NiTiCo 是一種相對較新的形狀記憶合金，其“剛度”特性超過了標(biāo)準(zhǔn)鎳鈦諾。從應(yīng)用的角度來看，某些醫(yī)療設(shè)備在使用具有標(biāo)準(zhǔn)鎳鈦諾超彈性以及彈性模量和 UPS/LPS 增加的合金方面具有顯著優(yōu)勢。例如，更高的彈性模量、UPS 和 LPS 將允許更小的設(shè)備外形，從而為設(shè)備開發(fā)提供新的機(jī)會(huì)。
然而，需要注意的是，NiTiCo 的化學(xué)成分不符合ASTM F2063，該標(biāo)準(zhǔn)允許最大痕量為 0.05% Co。NiTiCo 合金含有 1.2-1.5 wt. % 鈷。
第 3 節(jié) —— 凈形原材料
3.1 鎳鈦合金絲
線材形式是鎳鈦諾最常見的用途之一，已被證明用途廣泛。熔化和混合后，鎳鈦合金錠在高溫下鍛造并軋制成棒（即熱加工）。然后將棒材向下拉伸成直徑通常為 0.085 英寸的“重拉”。Memry 然后通過一系列冷拉和退火步驟處理重拉材料，以制造最終所需的線材直徑。
在室溫下進(jìn)行拉伸會(huì)增加材料的冷加工。冷加工鎳鈦合金很困難，因?yàn)檫@種材料會(huì)迅速硬化。冷加工必須在多道次之間進(jìn)行，中間有退火步驟。退火熱處理會(huì)消除/去除晶格內(nèi)的位錯(cuò)，并導(dǎo)致一定程度的晶粒再結(jié)晶和生長；最終恢復(fù)鎳鈦諾材料的延展性。
線材以直接退火和冷加工（拉拔）狀態(tài)出售。拉拔狀態(tài)通常用于下游定型，因?yàn)榕c使用直接退火的鎳鈦諾材料相比，產(chǎn)品更容易成型并具有更高的強(qiáng)度。以下列出了所有線材產(chǎn)品的加工特性和規(guī)格。所有線材合金的材料和機(jī)械性能也列在下面。
3.1.1 鎳鈦合金條
帶材是通過使用小型軋機(jī)將線材軋制成矩形橫截面而生產(chǎn)的。寬厚比 (W/T) 通常限制為 12。自然卷邊（圓形）邊緣是標(biāo)準(zhǔn)的，但是，方形邊緣可以使用 turks head 生產(chǎn)（即滾輪在側(cè)面以及頂部/底部表面上工作）?？商峁┡c線網(wǎng)狀原材料相同的表面處理和合金的帶材。
3.2鎳鈦諾管
ASTM F2633是用于醫(yī)療器械和外科植入物的鍛造無縫鎳鈦形狀記憶合金管的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。Memry 于 1992 年開始拉制管材，在制造各種尺寸和表面處理的管材方面擁有豐富的經(jīng)驗(yàn)?？梢灾圃旃芤詽M足特定客戶的要求和規(guī)格。通常調(diào)整內(nèi)徑、外徑（或壁）、機(jī)械性能、直線度、表面光潔度和視覺規(guī)格的關(guān)鍵要求以滿足應(yīng)用的特定需求。與原料線材不同，由于工藝限制，管材通常以直接退火狀態(tài)出售。為了制造管材，首先將鑄錠鍛造并軋制成棒材，然后進(jìn)行槍鉆，在棒材的中心鉆一個(gè)孔，形成“空心”或初始管材形式。然后使用各種熱加工、冷加工和退火工藝步驟將空心加工成所需的管尺寸。典型的管子比 (OD/ID) 范圍從 1.2 到 1.8。
3.3 鎳鈦諾板
為了制造鎳鈦諾板材，使用熱加工工藝將鑄錠鍛造并軋制成板坯。與管材和線材制造一樣，經(jīng)過各種熱加工、冷加工和退火工藝步驟，將鍛造的鎳鈦合金板材加工成所需的板材尺寸。
SAES/Memry 提供的鎳鈦合金板材有多種不同的合金可供選擇。板材通常以平坦退火狀態(tài)提供以確保平整度，因此具有一定程度的超彈性或形狀記憶。常見的表面處理包括輕度氧化、無氧化（酸洗）或打磨/拋光。
第 4 節(jié) —— 加工鎳鈦諾
如第 1 節(jié)所述，鎳鈦諾的機(jī)械和功能特性對熱機(jī)械加工極為敏感。由于原始線材、板材或管材在成為最終形式之前必須經(jīng)過許多額外的制造工藝，因此必須選擇二次加工步驟以產(chǎn)生應(yīng)用中所需的最終特性。本節(jié)討論鎳鈦合金設(shè)備制造過程中常用的常見成型、熱處理、機(jī)加工、連接和精加工二次工藝。
4.1 熱處理
4.1.1 形狀設(shè)置
形狀設(shè)置是指用于將鎳鈦諾線材、管材或板材形成特定且通常復(fù)雜的幾何組件的過程。無論鎳鈦諾合金是用于超彈性應(yīng)用還是形狀記憶應(yīng)用，通常都需要對材料進(jìn)行成型。這是通過使用專門設(shè)計(jì)的夾具或心軸將材料小心地約束成新形狀，然后進(jìn)行定形熱處理來完成的。如果零件特別復(fù)雜，或者在需要高應(yīng)變的情況下防止開裂/斷裂，則可能需要多次整形操作。
要定形鎳鈦諾，熱處理溫度應(yīng)高于 475 °C，大多數(shù)在 500 °C 以上進(jìn)行，以減少工藝時(shí)間并提高形狀保持性（即減少回彈）。實(shí)際溫度和均熱時(shí)間根據(jù)起始合金成分和所需的熱和機(jī)械規(guī)格確定。定形過程通常以水淬結(jié)束，以防止進(jìn)一步老化并減少過程可變性。
由于鎳鈦諾組件通常需要高 UPS 和 UTS，因此需要盡量減少熱處理次數(shù)，并應(yīng)盡可能使用冷加工原材料（回顧第 1.5 節(jié)）。與直/平退火材料相比，冷加工材料會(huì)更好地形成所需的形狀，并保持更高的 UPS/LPS 和 UTS。
4.1.2 老化
老化是另一種形式的熱處理，可用于調(diào)整鎳鈦合金部件的功能特性。在老化處理中，會(huì)形成富含 Ni 的沉淀物（例如 Ni4Ti3），從而耗盡 Ni 的基質(zhì)（回顧第 1.3 和 1.6 節(jié)）。Ni:Ti 比率的降低提高了組件的相變溫度，并將降低超彈性應(yīng)用中的 UPS 和 LPS。老化溫度范圍為 400 至 575 °C，轉(zhuǎn)變溫度的最快變化發(fā)生在最初的幾分鐘內(nèi)。通常選擇更高的溫度以減少老化時(shí)間，但是，過度老化可能會(huì)在機(jī)械性能受到損害的地方發(fā)生。 老化熱處理是固溶強(qiáng)化的一種形式，通常引用 425 – 475 °C 范圍內(nèi)的溫度來產(chǎn)生與晶格一致的理想細(xì)小析出物。
定形過程中會(huì)發(fā)生一定程度的老化，因此，老化和定型往往是有意同時(shí)進(jìn)行的。與定形一樣，老化時(shí)間必須通過實(shí)驗(yàn)確定，因?yàn)樗鼈內(nèi)Q于材料的加工歷史、加熱方法、溫度和所需的轉(zhuǎn)變溫度。作為一般準(zhǔn)則，更高的溫度（即 > 500 °C）會(huì)將相變峰快速轉(zhuǎn)移到更高的溫度，但也會(huì)導(dǎo)致 UTS 降低（即無強(qiáng)化效果）。與定型一樣，老化過程通常以水淬結(jié)束，以防止進(jìn)一步老化并減少工藝可變性。
設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)在設(shè)計(jì)熱處理工藝（即強(qiáng)制對流烘箱、流化床、鹽浴、焦耳加熱、射頻感應(yīng)、加熱模具等）時(shí)，必須考慮夾具的熱質(zhì)量和熱處理方法。在大多數(shù)情況下，首選使用鹽浴和低質(zhì)量夾具來均勻和快速地處理組件。注意：由于熱傳遞的可變性，加熱方法之間的熱處理參數(shù)傳遞是不可能的。在定型過程中施加到鎳鈦諾組件中的應(yīng)變越高，它就越能保持所需的形狀。
4.2 機(jī)械加工
4.2.1 銑削、車削和鉆孔
鎳鈦諾在冷加工狀態(tài)下是一種堅(jiān)硬的材料，并且由于其表面堅(jiān)韌的氧化鈦層而具有極強(qiáng)的磨蝕性。通常盡可能避免使用銑削、車削或鉆孔等傳統(tǒng)機(jī)加工技術(shù)，但在特定應(yīng)用中可能會(huì)取得成功。
一些需要考慮的準(zhǔn)則如下：
CNC 控制速度/進(jìn)給、強(qiáng)大的冷卻液和硬質(zhì)合金刀具至關(guān)重要；
預(yù)計(jì)工具會(huì)快速磨損；
應(yīng)避免非常小的特征（例如小于 1 毫米的鉆孔）；
由于切削的連續(xù)性，車削比銑削更成功；和
強(qiáng)烈建議不要敲擊。
4.2.2 激光切割
通常用于切割鎳鈦諾的基于熱的激光工藝?yán)酶邚?qiáng)度聚焦光局部熔化材料，然后通過高壓輔助氣體將熔化的材料從切口中排出。在切割鎳鈦合金管時(shí)，例如在心血管支架的制造過程中，管會(huì)在聚焦激光束下旋轉(zhuǎn)并縱向移動(dòng)，以創(chuàng)建所需的切割幾何形狀。對于板材，激光頭或板材（或兩者的組合）相對于另一個(gè)移動(dòng)，以創(chuàng)建所需的切割幾何形狀。在 Memry，許多具有各種運(yùn)動(dòng)和工作夾具配置的光纖激光系統(tǒng)被用于從管材或板材上切割各種組件。激光切割已成為制造鎳鈦合金設(shè)備最常用的加工技術(shù)之一，這主要是由于極高的精度和低熱輸入特性。Memry 目前的激光技術(shù)允許切割 25 ?m (0.001”) 至 > 0.8 mm (0.031”) 厚度的材料。
激光系統(tǒng)切割精細(xì)復(fù)雜幾何形狀的能力在很大程度上取決于聚焦激光束的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)和光斑尺寸。在激光加工的上下文中，“切口寬度”是指激光切割過程中熔化和去除的材料的寬度，它取決于激光光斑的大小。更小的切口寬度允許設(shè)計(jì)更小和更復(fù)雜的幾何形狀，因此通常被認(rèn)為更好。許多人認(rèn)為每個(gè)激光系統(tǒng)的切口寬度都是固定的。然而，在實(shí)踐中，切口寬度更具動(dòng)態(tài)性。隨著材料厚度的增加，穿透和切割材料所需的功率也會(huì)增加，結(jié)果切口寬度也會(huì)增加。超短飛秒激光器具有最高的光束質(zhì)量，在切割相對較?。?< 50 ?m，0.002”）的鎳鈦諾組件時(shí)，切口寬度可低至 5 ?m (0.0002”)。
在設(shè)計(jì)激光切割部件時(shí)必須考慮的一些因素包括切割路徑、熱影響區(qū) (HAZ)、重鑄層和熔渣。必須優(yōu)化激光路徑以限制任何不希望出現(xiàn)的人工制品，例如飛濺、缺口/咬合或臺(tái)階，并允許輕松去除孤島（即廢料）。單截口或單線特征在每次切割結(jié)束時(shí)都會(huì)有穿孔點(diǎn)。這些穿孔點(diǎn)將具有較大的切口，并且通常會(huì)在切割邊緣附近飛濺。在可能的情況下，穿孔點(diǎn)最好位于遠(yuǎn)離組件特征的島內(nèi)，如下所示。
將切割材料熔化所需的熱量從切口處傳導(dǎo)出去。由于鎳鈦諾材料的過度老化，與切口相鄰的這個(gè)區(qū)域的機(jī)械性能會(huì)受到影響；發(fā)生再結(jié)晶和晶粒生長的地方。該 HAZ 可能會(huì)對組件的最大可達(dá)到應(yīng)變和疲勞壽命產(chǎn)生負(fù)面影響。此外，隨著激光切割，一些熔融材料將重新澆鑄到部件壁上。這部分熱影響區(qū)稱為“重鑄層”。重鑄激光器被嚴(yán)重氧化并且非常脆。該層通常包含用作斷裂起始點(diǎn)的微裂紋。
未重新澆注到切割壁上的熔融材料有時(shí)會(huì)在激光切割出口處形成“熔渣”。如果存在熔渣，則需要通過某種類型的機(jī)械或化學(xué)過程將其去除。
設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)
必須對激光切割部件進(jìn)行后處理，以去除熱影響區(qū)、重鑄層和熔渣，以達(dá)到可接受的器件性能。執(zhí)行此操作的標(biāo)準(zhǔn)方法包括珩磨、噴砂、化學(xué)蝕刻和滾磨。后處理會(huì)影響組件的最終幾何形狀，因此必須將其設(shè)計(jì)到流程中。
飛秒激光加工工藝是切割鎳鈦諾的最先進(jìn)技術(shù)。高功率、超短脈沖可用于引起鎳鈦諾的直接固體到等離子體燒蝕。由于激光與材料的相互作用時(shí)間很短，因此熱量不會(huì)傳導(dǎo)到塊狀材料中；消除過去對熱影響材料、重鑄層和熔渣的擔(dān)憂。除了消除熱激光切割工藝固有的有害副作用外，切割質(zhì)量也得到了極大的改善，這直接轉(zhuǎn)化為設(shè)備性能的提高。
作為一般指南，具有薄壁 (<125 ?m) 的管和具有薄支柱或小的幾何關(guān)鍵特征（即 <100?m）的設(shè)計(jì)將受益于這樣的過程。
Memry 通過激光加工制造的大部分新產(chǎn)品現(xiàn)在都使用飛秒激光進(jìn)行加工。事實(shí)證明，現(xiàn)在可以使用飛秒激光進(jìn)行的部分穿透燒蝕工藝非常適合加工精細(xì)的復(fù)雜特征。
設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)
在許多情況下，建議使用飛秒激光工藝并不是因?yàn)榻M件尺寸或精度要求，而是為了最大限度地減少甚至消除耗時(shí)的下游后處理。例如，內(nèi)徑小且具有精細(xì)、復(fù)雜特征的管子幾乎不可能進(jìn)行磨光，而一致的化學(xué)蝕刻和電拋光具有挑戰(zhàn)性。通過飛秒激光工藝最大限度地減少熱輸入并消除重鑄和熔渣可以緩解這些常見的挑戰(zhàn)。
4.2.3 磨削
這種研磨技術(shù)是加工鎳鈦諾的有效方法。鎳鈦諾材料常用的研磨技術(shù)包括無心、瑞士式、電化學(xué)和傳統(tǒng)的 3 軸或 4 軸 CNC 研磨。通常建議使用強(qiáng)冷卻劑來防止鎳鈦合金材料過熱?？梢阅ハ鏖L度小至 125 – 250 ?m（0.005” – 0.010”）的特征。Memry 能夠研磨幾何形狀，從簡單的導(dǎo)絲到任何定制應(yīng)用的復(fù)雜研磨，包括平面、半徑、鉆尖、套管針、針或螺紋狀輪廓。
4.2.4 電火花線切割
這種技術(shù)對于在厚鎳鈦諾材料中切割特征特別有吸引力。切割是由穿過材料的連續(xù)進(jìn)給的帶電電線執(zhí)行的。當(dāng)金屬絲靠近工件時(shí)，它會(huì)產(chǎn)生火花放電并燒蝕離金屬絲最近的材料。切割過程中沒有力作用在工件上。通過在浸沒在去離子（非導(dǎo)電）水中的同時(shí)切割工件，可以最大限度地減少重鑄/熱影響區(qū) (HAZ) 的厚度。對于植入物，應(yīng)通過機(jī)械或化學(xué)方法修改 EDM 切割表面，以去除重鑄層并消除 EDM 線材（即通常為黃銅）的轉(zhuǎn)移材料。
在可能的情況下，在切割過程中將工件堆疊起來以提高效率。典型的 EDM 線材直徑為 0.1 至 0.305 毫米（0.004 英寸至 0.012 英寸）。根據(jù)幾何形狀，導(dǎo)線會(huì)“過燒”總計(jì) 50 ?m (0.002”)（例如，直徑為 255 ?m/0.010” 的導(dǎo)線會(huì)產(chǎn)生大約 305 ?m/0.012” 寬的槽）。較大直徑的線材通常用于提高切割速度，除非組件幾何形狀需要使用較小的線材。
4.2.5 水刀切割
該技術(shù)利用混合有磨蝕性切割介質(zhì)的高壓水，通過侵蝕型機(jī)制切割鎳鈦合金材料。該工藝速度快，并且在切割過程中不會(huì)產(chǎn)生高溫，因此是一種適用于較厚原材料的極佳切割方法。但是，此過程不如其他切割方法精確，并且與其他加工技術(shù)相比可實(shí)現(xiàn)的公差較大。水刀切割通常用于厚鎳鈦合金原材料的粗切割。
4.2.6 沖壓
鎳鈦諾可在特定應(yīng)用中成功沖壓。該工藝由非常精確的沖頭（正切割幾何形狀）和模具（負(fù)切割幾何形狀）元件組成。材料（通常是條帶或片材）位于模具組下方，然后沖頭以巨大的力快速穿過材料并進(jìn)入模具。沖壓通常僅適用于可以連續(xù)進(jìn)料的非常大批量的操作（ex. strip). 模具間隙應(yīng)最小化以減少毛刺和邊緣質(zhì)量。沖壓鎳鈦合金時(shí)，需要硬質(zhì)合金工具，并且模具會(huì)過度磨損。
4.2.7 光化學(xué)蝕刻
光化學(xué)蝕刻是從板材制造?。ㄐ∮?0.020 英寸）鎳鈦合金部件的有效方法。組件形狀的耐化學(xué)腐蝕“正極”被應(yīng)用到薄片上。然后將薄片暴露在化學(xué)溶液中，化學(xué)溶液會(huì)蝕刻掉未受保護(hù)的鎳鈦諾材料，只留下所需的成分。然后去除掩蔽材料。
該技術(shù)可實(shí)現(xiàn)無毛刺的表面處理，適用于大批量生產(chǎn)小型復(fù)雜幾何形狀。但是，該技術(shù)僅限于薄板，并且公差取決于材料厚度。它還會(huì)在零件壁上留下一個(gè)小脊，靠近放置掩蔽材料的位置，這對于某些應(yīng)用來說可能會(huì)出現(xiàn)問題。
4.3 連接
4.3.1 焊接
激光、等離子和電阻焊接工藝都常用于連接鎳鈦合金部件。焊接部件的一個(gè)常見設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)是創(chuàng)建接頭所需的大量熱輸入。焊縫本身以及接頭附近的熱影響區(qū) (HAZ) 將具有不同的機(jī)械和功能特性。在激光、等離子和電阻焊接中，焊接熔合區(qū) (FZ) 將具有更類似于鎳鈦合金錠的鑄態(tài)結(jié)構(gòu)和性能。HAZ 將受到過老化影響，例如再結(jié)晶和晶粒長大，從而導(dǎo)致機(jī)械強(qiáng)度降低和轉(zhuǎn)變溫度發(fā)生變化。當(dāng)焊接更多富鈦合金（例如用于形狀記憶應(yīng)用的合金）時(shí)，由于溶質(zhì)偏析和脆性富鈦金屬間相的形成，裂紋也會(huì)成為一個(gè)挑戰(zhàn)。
激光- CNC 脈沖激光系統(tǒng)是用于組裝鎳鈦諾組件的最常見的焊接工藝。該工藝的高速、非接觸、低熱輸入特性使其在鎳鈦諾醫(yī)療設(shè)備的制造中非常有吸引力。單點(diǎn)激光工藝通常用于點(diǎn)焊類型的應(yīng)用，例如，將套環(huán)或管焊接到金屬絲組件的末端?？p焊也常用于通過使用激光源的脈沖頻率對平臺(tái)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行計(jì)時(shí)來實(shí)現(xiàn)脈沖重疊的地方。對于氣密密封類型的應(yīng)用，通常推薦 > 80% 的重疊。
等離子焊接是一種電弧焊工藝，在 Memry 最常用于在鎳鈦諾線材或管材的末端形成無損傷球。使用此工藝可以實(shí)現(xiàn)高達(dá) 3 倍于母材直徑的球。
電阻焊利用焦耳熱和機(jī)械負(fù)載在兩個(gè)部件之間形成焊接熔核或熔合區(qū)，這是由于接合面的電阻較高。電阻焊接工藝通常用于對接焊接大直徑鎳鈦諾線的末端或用于連接兩個(gè)鎳鈦諾片材或帶材的搭接接頭。由于電阻焊需要電極（即通常為銅合金）與鎳鈦諾組件表面的機(jī)械接觸，因此建議通過機(jī)械或化學(xué)方法對表面進(jìn)行改性，以降低與轉(zhuǎn)移材料相關(guān)的風(fēng)險(xiǎn)。
設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)
將鎳鈦合金成功焊接到異種金屬（如不銹鋼）上非常具有挑戰(zhàn)性。異種焊接接頭通常由于金屬間化合物的形成而變脆，并且無法承受高應(yīng)力或應(yīng)變。
諸如固態(tài)焊接或在激光焊接中使用中間層等技術(shù)已顯示出制造異種接頭的一些前景，但這些技術(shù)并未得到普遍應(yīng)用。
在考慮使用鎳鈦合金部件時(shí)，不得忽視焊接接頭的設(shè)計(jì)。接頭的設(shè)計(jì)應(yīng)遠(yuǎn)離關(guān)鍵特征和最高應(yīng)力/應(yīng)變區(qū)域。熔合區(qū)和 HAZ 的機(jī)械和功能特性都將受到焊接過程的熱輸入的危害。
4.3.2 壓接
壓接是將鎳鈦諾連接到自身或不同材料上的一種非常穩(wěn)健的方法。主要缺點(diǎn)包括相當(dāng)笨重的壓接輪廓以及與多件式結(jié)構(gòu)相關(guān)的工藝挑戰(zhàn)。當(dāng)考慮線型設(shè)備中線端的端接時(shí)，壓接通常是選擇的連接方法。建議使用經(jīng)過特殊處理的鎳鈦諾管用于壓接組件。重要的設(shè)計(jì)考慮因素包括；i) 壓接必須具有足夠的延展性，以便在要連接的組件周圍發(fā)生塑性變形，并且 ii) 使用不同的材料（例如不銹鋼）作為壓接管可能會(huì)導(dǎo)致與材料特性不相容和電偶腐蝕相關(guān)的問題。壓接應(yīng)用的一個(gè)很好的例子是線材成型支架，其中線材末端通常使用一段鎳鈦諾管材壓接在一起（即完成環(huán)）。
4.3.3 焊料和粘合劑
焊接和粘合劑是將鎳鈦合金連接到不同材料的極佳方法。在這兩種情況下，都應(yīng)去除氧化層以獲得最佳效果。對于焊接，含銀焊料（例如：Sn95Ag5）與合適的助焊劑（我們使用來自 Indium Corporation 的 Indalloy? #3）結(jié)合使用時(shí)效果很好。在考慮粘合劑時(shí)，可以使用紫外線和熱固化選項(xiàng)。Dymax?、Loctite? 和 MasterBond? 都具有與鎳鈦合金配合使用的配方。重要的是要注意，對于植入式醫(yī)療設(shè)備應(yīng)用，不應(yīng)考慮焊接或粘合劑。
4.4 精加工4.4.1噴砂
噴砂和微噴砂是用于去除上游工藝（例如拉絲、熱處理、激光切割、EDM 或局部加熱工藝）中的氧化物、表面痕跡和加工材料/污染物的方法。噴砂處理通常在管材或線材上進(jìn)行，并且是一個(gè)相對大規(guī)模的工藝，而微噴砂則在較小規(guī)模的組件上進(jìn)行。微噴砂是在化學(xué)蝕刻工藝之前對激光切割或線切割 EDM 部件進(jìn)行后處理的常見做法。
兩種研磨技術(shù)均由在高壓下直接作用于鎳鈦合金成分的砂狀砂礫組成。研磨作用能夠去除鎳鈦諾表面周圍發(fā)現(xiàn)的材料，例如重鑄層、熱影響區(qū)和微裂紋，并且可以去除大量材料。Memry 有能力執(zhí)行手動(dòng)或自動(dòng)噴砂工藝。
4.4.2 機(jī)械翻滾
翻滾是一種操作，其中將組件裝入裝有研磨介質(zhì)的容器中，并通過旋轉(zhuǎn)或振動(dòng)方式攪動(dòng)容器。介質(zhì)在零件上的作用用于使表面光滑并磨圓銳邊。翻滾通常不能有效去除大量材料，它更有效地破壞邊緣和磨圓尖銳特征。
4.4.3 化學(xué)加工蝕刻，
也稱為酸洗，是去除氧化物和從鎳鈦諾表面去除相對大量材料的常用方法。蝕刻的零件將具有淺色或光亮的表面光潔度。肉眼看起來很光滑，但如果在更高的放大倍數(shù)下觀察，它的表面形貌會(huì)略微粗糙。一般來說，較長的蝕刻時(shí)間會(huì)產(chǎn)生稍微平滑的形貌?；瘜W(xué)蝕刻工藝的常見示例包括：i) 從激光切割部件上去除脆性重鑄層，以及 ii) 從 EDM 切割部件的線電極上去除任何轉(zhuǎn)移材料。重要的是，組件在蝕刻之前是無毛刺的，以降低工件附近選擇性蝕刻的風(fēng)險(xiǎn)。
電解拋光是一種電化學(xué)過程，可去除鎳鈦諾組件表面的材料。顧名思義，電解拋光用于拋光和平滑鎳鈦諾組件的表面。在電解拋光系統(tǒng)中，施加電勢以去除部件表面的金屬離子并將其帶入溶液中。在電解液中發(fā)生金屬溶解。一個(gè)重要的工藝考慮因素是如何以及在何處對組件進(jìn)行陽極接觸。陽極和部件之間的接觸應(yīng)足夠牢固以消除電弧。夾具不當(dāng)會(huì)在成品部件的接觸點(diǎn)周圍造成燒焦或熔化的斑點(diǎn)。電氣接觸點(diǎn)的見證痕跡在某種程度上是不可避免的。
在電解拋光過程中，電流流過相對粗糙表面上的峰，并在這些位置產(chǎn)生高電流密度。這導(dǎo)致在電拋光過程中優(yōu)先去除高點(diǎn)，這使其成為消除毛刺并最終降低（即改善）表面粗糙度的理想選擇。通過降低表面粗糙度，可以減少甚至消除微裂紋和其他表面缺陷。適當(dāng)電拋光的部件將具有光澤的鏡面狀表面，即使在更高的放大倍率下也會(huì)如此。
電拋光的主要缺點(diǎn)是增加了每個(gè)零件的成本、零件接觸陽極的見證標(biāo)記以及較大零件上精確去除材料的難度。然而，值得注意的是，生物相容性和抗疲勞性的改進(jìn)通常使電解拋光值得為植入式鎳鈦合金醫(yī)療設(shè)備應(yīng)用支付額外費(fèi)用。
鈍化，應(yīng)用于鎳鈦諾組件時(shí)，是指對表面化學(xué)進(jìn)行改性，使鎳鈦諾設(shè)備在暴露于某些環(huán)境因素時(shí)反應(yīng)性降低或抵抗力增強(qiáng)。鈍化主要是為了確保表面能夠抵抗電化學(xué)腐蝕反應(yīng)，因此不會(huì)降解并最終失效或?qū)⒂泻Φ逆囯x子釋放到體內(nèi)。
鎳鈦合金表面有一層天然形成的被動(dòng)二氧化鈦 (TiO2) 層。然而，大量研究表明，加工不當(dāng)會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)生更多揮發(fā)性表面氧化物，從而降低鎳鈦諾組件的鈍化性。因此，針對鎳鈦諾醫(yī)療設(shè)備開發(fā)了不同的鈍化技術(shù)，例如化學(xué)鈍化甚至在水中煮沸。Memry 執(zhí)行的最常見的鈍化處理是基于 HNO3 的化學(xué)鈍化，該鈍化符合ASTM A967，該標(biāo)準(zhǔn)實(shí)際上是為不銹鋼鈍化而開發(fā)的。
設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)客戶通常要求對植入式醫(yī)療設(shè)備應(yīng)用進(jìn)行鈍化處理。然而，在許多其他鎳鈦合金設(shè)備應(yīng)用中，可能不需要化學(xué)鈍化。例如，Memry 的標(biāo)準(zhǔn)制造工藝已經(jīng)過優(yōu)化，即使在沒有最終鈍化的情況下也能產(chǎn)生出色的腐蝕性能。
4.4.4 其他精加工選項(xiàng)
激光打標(biāo)——鎳鈦合金部件的激光打標(biāo)是常見的做法。激光打標(biāo)應(yīng)用的示例包括深度標(biāo)記或標(biāo)簽、制造批號(hào)甚至二維碼和公司徽標(biāo)等視覺指示器。有兩種不同的激光打標(biāo)模式，包括燒蝕和退火。在燒蝕型激光打標(biāo)過程中，通過熔化和燒蝕表面材料形成金屬（通常是閃亮的）外觀。另一方面，退火型工藝不會(huì)引起宏觀表面形貌的任何變化，而是通過氧化層的改性來改變鎳鈦諾表面的顏色。
涂層與電鍍- 鎳鈦諾可以涂上 PTFE、FEP、Parylene、類金剛石涂層 (DLC) 等材料，以提高潤滑性或耐磨性。此外，通常由金、鉑或鉭組成的各種鍍層也可以應(yīng)用于鎳鈦合金部件，從而提高射線不透性。必須考慮某些涂層操作的高溫，因?yàn)樗鼈儠?huì)影響鎳鈦諾成分的材料特性。
涂層和電鍍工藝的其他一些重要考慮因素包括選擇最佳涂層附著力表面以及材料特性的不相容性，在超彈性應(yīng)變下涂層可能破裂或剝落。
第 5 節(jié) —— 醫(yī)療器械設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)
5.1 典型的物理和機(jī)械性能
在本節(jié)中，介紹了鎳鈦諾的典型材料特性，以幫助初始設(shè)計(jì)階段。重要的是要了解鎳鈦諾的某些屬性有兩個(gè)值。第一個(gè)用于馬氏體相和形狀記憶應(yīng)用，而第二個(gè)用于奧氏體相和超彈性應(yīng)用（回顧第 1 節(jié)）。本節(jié)還與不銹鋼的特性和性能進(jìn)行了比較，以作為參考。
下面顯示了典型不銹鋼合金和鎳鈦諾合金的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。曲線的簡單比較說明了工程金屬常見的彈塑性行為與鎳鈦諾的非線性超彈性行為之間的差異。下面顯示的鎳鈦諾樣品被拉緊至 8%，釋放回 0%，然后拉至失效以說明超彈性環(huán)。不銹鋼樣品被直接拉到失效。
對于這兩種材料，如果材料上的應(yīng)變大于彈性極限，則由拉伸載荷引起的變形最終導(dǎo)致材料失效。在永久應(yīng)變發(fā)生之前，不銹鋼合金的彈性極限約為 0.2%，而鎳鈦合金在永久應(yīng)變發(fā)生之前的彈性極限可高達(dá) 8%。在設(shè)計(jì)超彈性鎳鈦合金部件時(shí)，非線性應(yīng)變是一個(gè)關(guān)鍵的設(shè)計(jì)輸入，在選擇時(shí)應(yīng)考慮材料的超彈性 UPS 和 LPS。此外，鎳鈦諾組件的非線性行為會(huì)根據(jù)您是加載還是卸載（即 UPS 與 LPS）而有所不同，并且滯后回線也會(huì)隨著應(yīng)用小于 8% 的應(yīng)變循環(huán)而發(fā)生輕微變化。相比之下，不銹鋼部件的屈服應(yīng)力和彈性模量對于不銹鋼設(shè)備的設(shè)計(jì)至關(guān)重要。因此，在設(shè)計(jì)鎳鈦合金設(shè)備時(shí)需要考慮更多變量。
5.2腐蝕
形狀記憶和超彈性特性的獨(dú)特組合，加上其生物相容性響應(yīng)，使鎳鈦諾成為醫(yī)療器械應(yīng)用的優(yōu)秀材料。在鎳鈦諾表面，鈦離子與氧相互作用形成極其堅(jiān)韌的惰性氧化鈦層（TiO2）。該氧化層保護(hù)下方的鎳鈦諾材料免受外部環(huán)境的影響，這通常賦予鎳鈦諾優(yōu)異的耐腐蝕性和生物相容性。氧化層的厚度和質(zhì)量（即均勻性、無缺陷等）與鎳鈦諾的耐腐蝕性和生物相容性密切相關(guān)。
ASTM F2129是用于進(jìn)行循環(huán)動(dòng)電位極化測量以確定小型植入裝置腐蝕敏感性的標(biāo)準(zhǔn)測試方法。該標(biāo)準(zhǔn)被公認(rèn)為確定鎳鈦諾植入裝置耐腐蝕性的公認(rèn)測試方法，Memry 通常使用該標(biāo)準(zhǔn)來評估鎳鈦諾組件的腐蝕敏感性。在循環(huán)極化測試期間，向鎳鈦諾設(shè)備施加電壓，直到鈍化層破裂（即很像電容器）并且由于電化學(xué)腐蝕反應(yīng)的進(jìn)展而發(fā)生點(diǎn)蝕。發(fā)生這種擊穿和元件表面開始出現(xiàn)點(diǎn)蝕的電壓稱為擊穿電位 Eb。盡管 ASTM 標(biāo)準(zhǔn)中沒有列出通過/失敗標(biāo)準(zhǔn)，但 Eb > 300 mV 通常被認(rèn)為是可以接受的，而 Eb ≥ 600 mV 表明設(shè)備具有出色的耐腐蝕性。
設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)
如第 4.4.3 節(jié)所述，Memry 的標(biāo)準(zhǔn)制造工藝已經(jīng)過優(yōu)化以產(chǎn)生出色的腐蝕性能
鎳鈦合金設(shè)備應(yīng)在其最終狀態(tài)下進(jìn)行測試，以獲得對腐蝕敏感性的真實(shí)評估
標(biāo)準(zhǔn)測試溶液是磷酸鹽緩沖鹽水 (PBS)，pH 值為 7.4 ± 0.2。可以使用其他解決方案來更好地模擬體內(nèi)條件，例如模擬血液。
在 PBS 溶液中測試設(shè)備時(shí)，由于會(huì)發(fā)生析氧反應(yīng)，因此使用的最大測試電壓為 800 mV。如果該設(shè)備持續(xù)到 800 mV，則稱該設(shè)備沒有腐蝕。這是可能的最佳測試結(jié)果，但絕不是認(rèn)為設(shè)備已通過測試的必要條件。
5.3 鎳鈦諾的滅菌
由鎳鈦合金制成的醫(yī)療器械可以通過大多數(shù)典型的滅菌方法進(jìn)行滅菌，包括蒸汽（高壓滅菌器）、環(huán)氧乙烷 (EtO) 或輻射（伽馬）。文獻(xiàn)和經(jīng)驗(yàn)表明，鎳鈦合金設(shè)備可以在不影響功能的情況下進(jìn)行消毒。但是，必須考慮設(shè)備所見的溫度并將其保持在 300 °C 以下，以確保不會(huì)影響機(jī)械和功能特性。
5.4 生物相容性
鎳鈦諾顯示出高度的生物相容性，這主要?dú)w功于表面固有的堅(jiān)固的被動(dòng)氧化鈦層（參見第 4.4.4 和 5.2 節(jié)）。在從一次性使用設(shè)備到幾乎沒有并發(fā)癥的長期植入物的許多應(yīng)用中已經(jīng)證明了它的悠久使用歷史。生物相容性最常見的問題是 Ni 離子從用于植入應(yīng)用的設(shè)備中浸出。這是一個(gè)有趣的研究和學(xué)術(shù)爭論的來源，然而，已經(jīng)表明，優(yōu)化的制造工藝（例如在 Memry 開發(fā)的工藝）將 Ni 離子釋放限制在低于醫(yī)用級不銹鋼的水平。
5.5 疲勞
盡管鎳鈦諾具有出色的機(jī)械性能并且可以從非常高的應(yīng)變水平恢復(fù)，但對于長期、高循環(huán)應(yīng)用，需要考慮疲勞。下圖顯示了隨著應(yīng)變水平的增加，疲勞壽命典型地急劇下降。例如，在 0.57% 的應(yīng)變下，測試在 100 萬次循環(huán)后終止，并且導(dǎo)線完好無損。將應(yīng)變增加到僅 0.88%，導(dǎo)線在剛好超過 13,000 個(gè)循環(huán)時(shí)失效。因此，在設(shè)計(jì)鎳鈦諾組件時(shí)，疲勞性能是非常重要的考慮因素。如果需要完整的 6% 的彈性，設(shè)計(jì)人員需要盡量減少循環(huán)（可能小于 100）；其中一次性使用低循環(huán)應(yīng)用設(shè)備可能是唯一可能的。但是，如果應(yīng)用使用 0.5% 或更小的應(yīng)變，例如許多心血管支架或心臟瓣膜應(yīng)用的經(jīng)驗(yàn)，則該材料可能會(huì)經(jīng)受數(shù)百萬次循環(huán)。
5.6 表面處理
以下列表和有關(guān)表面處理的一般信息提供了對特定應(yīng)用最適合的處理的深入了解。
淺色或琥珀色氧化物
顏色通常為琥珀色/金色，但根據(jù)熱處理方法的不同，也可能變?yōu)樗{(lán)色/紫色
管材采用標(biāo)準(zhǔn)表面處理，但線材可選
良好的潤滑性和耐磨性
通常首選用于將要進(jìn)行電解拋光的線材組件
硬質(zhì)黑色氧化物
這是線材和帶材的標(biāo)準(zhǔn)表面處理
表現(xiàn)出非常好的潤滑性和耐磨性，通常首選用于摩擦學(xué)性能至關(guān)重要的應(yīng)用
無氧化物/酸洗
啞光灰色至銀色表面，通常被認(rèn)為具有最佳美學(xué)外觀
非常適合下游 EDM 加工（即比氧化物更好的導(dǎo)電性）和連接操作，例如焊接、錫焊和粘合劑的使用
耐磨性不理想。更容易出現(xiàn)表面痕跡或劃痕/磨損
研磨
通常，為了加強(qiáng)尺寸控制，線材或管材的外徑修改需要進(jìn)行研磨處理
光滑的表面，因?yàn)檠心タ梢匀コ嫌卧牧现圃爝^程中的任何人工制品，例如拉線
為最佳上游表面精加工工藝提供最佳基材
耐磨性不理想。更容易出現(xiàn)表面痕跡或劃痕/磨損
電解拋光
提供最佳的耐腐蝕性、生物相容性和疲勞壽命（另請參閱第 4.4.3 節(jié)）
鈍化
有助于提高耐腐蝕性和生物相容性（另請參閱第 4.4.3 節(jié)）
5.7 應(yīng)變
在進(jìn)行可行性審查時(shí)，重要的是要同時(shí)考慮成形應(yīng)變和功能應(yīng)變。下面提供一些常見的應(yīng)變計(jì)算以供參考。
成型應(yīng)變——這是原材料在成型過程中（而非功能使用過程中）受到的應(yīng)變。例子是組件上的非常緊的彎曲。此類彎曲應(yīng)限制在大約 25 %。除了這種應(yīng)變之外，還必須采取額外的措施來防止材料開裂，例如進(jìn)行預(yù)熱處理和利用多個(gè)形狀設(shè)置步驟。
功能應(yīng)變——這是成品組件在使用過程中會(huì)受到的應(yīng)變水平。示例是穿過曲折路徑的導(dǎo)絲或被拉直以插入體內(nèi)的鉤形管。對于線材，該應(yīng)變值應(yīng)限制在最大值 6%，而管材應(yīng)限制在大約 4%。應(yīng)該注意的是，盡管該材料能夠從這些高應(yīng)變中恢復(fù)，但其性能可能會(huì)在前 10-50 個(gè)循環(huán)中發(fā)生變化，并且預(yù)計(jì)疲勞壽命最短。下圖說明了超彈性隨循環(huán)的變化，特別是在 10 個(gè)拉伸載荷循環(huán)至 6% 應(yīng)變后 UPS 和 LPS 的降低。
