医用镍钛形状记忆合金管材旋锻的有限元模拟*

□ 刘汉源 □ 麻西群 □ 苏连朋，2 □ 程 军 □ 何卫敏 □ 王 云

1.西北有色金属研究院陕西省医用金属材料重点实验室 西安 710016

2.太原理工大学材料科学与工程学院 太原 030024

1 研究背景

镍钛形状记忆合金凭借独特的形状记忆效果及良好的超弹性，在机械、医学、土木、航空航天等领域有十分广阔的应用前景［1-2］。尤其在医学领域，镍钛形状记忆合金具有良好的生物相容性，被广泛用作血管支架、微创医疗器械、矫形外科器械、脑外科器械、口腔医疗器械的原材料［3-5］。镍钛形状记忆合金作为制备血管支架的原材料，传统的轧制、挤压、拉拔等加工手段并不能满足制备需求，目前仅有少数公司可以制备镍钛形状记忆合金细径薄壁管材，这也强烈地驱动着人们不断探究镍钛形状记忆合金细径薄壁管材制备的新工艺。

旋转锻造是利用沿坯料周围对称分布的一对或多对锤头绕中心旋转，同时以高频率将制件锻造成型的方式，常用于航空航天空心轴类零件、非回转类零件的高效精密制造［6］。旋锻加工时，材料变形受三向压应力作用，可增加零件的抗弯强度及塑韧性，提高表面尺寸精度，这为镍钛形状记忆合金细径薄壁管材的制备提供了更加多元的方向。

笔者应用有限元法对镍钛形状记忆合金细径薄壁管材的旋锻成型进行有限元模拟，研究镍钛形状记忆合金在不同工艺条件下的应力、应变、温度等各项参数分布，确定旋锻镍钛形状记忆合金细径薄壁管材的最优方案。

2 旋锻模型

2.1 热压缩试验及本构方程

试验采用镍原子数百分比含量为50.5%的镍钛形状记忆合金，经650℃、2 h固溶处理后，制备成φ8 mm×12 mm的热压缩试样。采用Gleeble3800热模拟试验机进行热模拟压缩试验，获得镍钛形状记忆合金真实应力-应变曲线。试验温度依次设定为650℃、750℃、850℃、950℃、1 050℃， 升温速率为10℃/s，保温时间为 300 s，应变速率为 1 s-1、0.1 s-1、0.01s-1， 压缩变形程度设定为60%。

采用阿伦尼乌斯本构模型，根据镍钛形状记忆合金热模拟压缩试验生成的真实应力-应变曲线，应用线性拟合等计算，建立镍钛形状记忆合金本构方程［7］，具体参数见表 1。

2.2 旋锻有限元建模

应用Deform-3D有限元模拟软件，建立镍钛形状记忆合金管材旋锻模型。整个模型均质且各向同性，体积力为0，介质连续，材料满足米泽斯屈服准则，初始应力为0，在外力作用下变形体保持平衡状态。

应用Pro/E绘图软件，根据管坯、芯杆、模具的实际尺寸参数（表2），建立旋锻三维几何模型，并进行装配，以.stl文件格式保存。在Deform-Mo前处理器的模型导入窗口，将管坯、芯杆、模具依次导入，管坯定义为塑性体，芯杆及模具定义为刚性体。旋锻有限元模型如图1所示。

表1 镍钛形状记忆合金本构方程参数

▲图1 旋锻有限元模型

3 结果与讨论

3.1 旋锻温度的影响

图2为其它参数相同时，不同温度下管坯旋锻的最大主应力分布云图。由图2可知，模拟温度依次为550℃、650℃、750℃时，管坯主变形区对应的最大压应力依次为958 MPa、714 MPa、543 MPa，对应的最大拉应力依次为912 MPa、685 MPa、554 MPa，说明随着旋锻模拟温度的升高，管坯主变形区的最大拉应力、压应力均有明显降低，管坯更容易成型。造成此现象的主要原因是随着模拟过程不断进行，材料组织结构出现大量位错，位错之间的相互作用导致加工硬化，同时在外载荷及热激活能的共同作用下，位错通过滑移、攀移、重组、合并，以及动态再结晶使材料发生动态软化。温度高，管坯材料的动态软化效果明显强于加工硬化效果，使管坯主变形区的最大拉应力、最大压应力明显降低。

表2 旋锻有限元模型参数 mm

管坯主变形区温度变化主要是管坯塑性变形功产生的热量与管坯通过模具及周围环境耗散的热量共同作用的结果。

图3为不同温度下旋锻模拟时管坯主变形区的温度分布曲线。由图3可以看出，管坯在旋锻过程中纵向温度分布不均匀，与模具接触部位由于热传递而温降较大，两模具之间的缝隙则由于热量损失较小而温度升高。在650℃旋锻时，主变形区最高温度为644℃，最低温度为582℃，温差达到62℃，这是由于在主变形区内塑性变形功产生了热量。在靠近模具且变形较小的区域中，温度较初始温度略有降低，这是由于管坯的变形热不足以弥补管坯和空气之间热传递损失而引起的［8］。可见，旋锻温度为650℃时，管坯主变形区塑性变形功产生的热量与管坯通过模具及周围环境耗散的热量基本达到动态平衡，这一温度可以作为旋锻的最优控制温度。

3.2 进料速度的影响

设定管坯初始温度为650℃，变形程度为23%，进料速度依次为 3 mm/s、5 mm/s、8 mm/s时，管坯主变形区最大主应力云图如图4所示。由图4可知，进料速度依次为3 mm/s、5 mm/s、8 mm/s时，管坯主变形区对应的最大压应力依次为 1 040 MPa、714 MPa、464 MPa，对应的最大拉应力依次为912 MPa、685 MPa、640 MPa。管坯进料相同位移时，随着进料速度的加快，管坯主变形区的最大压应力绝对值明显降低。这是由于进料速度较慢时，管坯与外界环境接触所耗散的能量较多，管坯温降较快，材料变形抗力增大，管坯主变形区的最大主应力相对增大。

图5为在不同进料速度下旋锻模拟时，管坯主变形区的温度分布曲线。由图5可见，管坯进料速度依次为3 mm/s、5 mm/s、8 mm/s时，管坯主变形区对应的最低温度依次为516℃、582℃、602℃。进料速度越慢，管坯主变形区温度降低越明显，这是由于进料速度加快时，管坯与外界环境接触所耗散的能量减少，单位时间内塑性变形的体积增大，产生的热量增多，主变形区温度升高［9］。因此，在保证管坯有良好塑性变形的同时，要提高旋锻效率，选择进料速度5 mm/s较为适宜。

▲图3 不同温度下管坯旋锻主变形区温度分布曲线

3.3 变形程度的影响

▲图4 不同进料速度下管坯旋锻最大主应力云图

设定管坯初始温度为650℃，进料速度为5 mm/s，变形程度分别为23%和38%，管坯主变形区最大主应力云图如图6所示。由图6可知，变形程度分别为23%、38%时，管坯主变形区对应的最大压应力分别为714 MPa、742 MPa，对应的最大拉应力分别为 685 MPa、786 MPa。管坯主变形区的不同区域最大主应力值差别较大，管坯进入模具口发生塑性变形处最大，说明随着旋锻模拟变形程度增大，管坯主变形区的最大拉应力、压应力均有明显增大。变形程度越大，管坯表面质量越好；变形程度越小，管坯主变形区最大主应力越小，管坯越容易成型。造成以上现象的主要原因是随着模拟过程不断进行，变形程度较大的管坯加工硬化程度增大，材料的变形抗力增大，因此在图中表现为变形区主应力增大［10-11］。

设定管坯初始温度为650℃，进料速度为5 mm/s，变形程度分别为23%、38%，管坯主变形区的温度分布曲线如图7所示。由图7可知，变形程度为23%时，管坯主变形区温度主要集中在582～644℃间；变形程度为38%时，管坯主变形区温度主要集中在649～752℃间；变形程度越大，管坯塑性变形功产生的热量就越大，管坯主变形区温升也就越大。

▲图5 不同进料速度下管坯旋锻主变形区温度分布曲线

▲图6 不同变形程度下管坯旋锻最大主应力云图

▲图7 不同变形程度下管坯旋锻主变形区温度分布曲线

3.4 镍钛形状记忆合金管材旋锻

图 8、图 9分别为温度 650℃、进料速度5 mm/s、两次旋锻之间变形量20%的条件下旋锻制备φ7 mm×0.3 mm镍钛形状记忆合金管材的金相组织和室温拉伸曲线。由图可知，在此旋锻工艺下制备的镍钛形状记忆合金管材金相组织为均匀的等轴晶组织，力学性能良好。

4 结论

（1）管坯初始温度越高、进料速度越快、变形程度越小，管坯主变形区的最大主应力绝对值就越小。

▲图8 φ7 mm×0.3 mm镍钛形状记忆合金管材金相组织

▲图9 φ7 mm×0.3 mm镍钛形状记忆合金管材室温拉伸曲线

（2）通过有限元模拟获得的镍钛形状记忆合金管材旋锻最优工艺参数为温度650～750℃、进料速度5.0 mm/s、变形量 20%～25%。

（3）按所述最优工艺制备的镍钛形状记忆合金管材，微观组织为均匀等轴晶，平均晶粒尺寸为30 μm左右，力学性能良好。

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