世界人口在增长，全球化使许多国家的生活水平提高，人们的寿命也越来越长。随着生活水平的提高和人们做出的选择，与生活方式相关的疾病（例如心血管疾病）正在增加。公司竞相制造医疗设备来治愈具有挑战性的身体状况和疾病。新型材料是支持此类设计和开发不可或缺的一部分。其中一种材料是镍钛诺(NiTi)，这是WilliamJ.Buehler于年在马里兰州白橡树的美国海军军械实验室研究期间偶然发现的。镍钛诺在年代后期开始用于医疗设备，代表镍钛海军军械实验室。

镍钛诺是众多形状记忆合金(SMA)中的一种，它能够在变形后恢复其原始形状。SMA用于从消费类电器到汽车、航空航天和医疗等行业的各种应用，因为它们为设计人员提供了替代传统材料的难以置信的灵活性，因此获得了强大的立足点。在医疗器械中，镍钛诺因其生物相容性和超弹性而广受欢迎。镍钛诺用于制造支架、导丝、取石篮、过滤器、针头、牙科锉刀和其他手术器械。（参见图1）

图1-镍钛诺组件有多种样式可供选择——线材、管材、片材和箔材，以及机加工或成型的形状。

一、形状记忆效应

形状记忆效应最常见的演示是这种金属的一块可以变形——例如，通过将一段直线缠绕成一个紧密的线圈——然后通过少量加热金属可以完全消除变形，例如将其浸入热水中。当它被加热时，金属会立即“记住”它的旧形状并弹回直导线的形式。当材料在冷却或加热到其特征转变温度时发生晶型变化时，就会产生形状记忆效应。NiTi合金中晶体结构的这种变化是从高于其转变温度（奥氏体）的有序立方晶型转变为低于转变温度（马氏体）的单斜晶相。

大多数商业应用都利用了另一种有用的特性，即其卓越的弹性，通常称为“超弹性”，当人们在高于转变温度的温度下使合金变形时。在转变温度以上，材料处于高温或奥氏体相。当施加应力时，变形引起应力引起的从奥氏体到变形马氏体的相变。当施加的应力消除后，材料立即弹回，晶型恢复为奥氏体相。

大多数NiTi材料是镍和钛的简单合金，两种成分的比例各约为50原子百分比（镍的重量约为55%）。然而，两种元素比例的细微调整可以使NiTi合金的性能产生很大差异，特别是其转变温度，即合金的晶体结构从奥氏体变为马氏体或反之亦然的温度。如果镍含量超过50/50，则转变温度会急剧下降，奥氏体屈服强度会增加。将镍钛比增加到51/49会导致转变温度下降°C以上。这种特性对镍百分比的微小增加的敏感性使得难以制造具有均匀和可重复特性的镍钛诺。但是，与此同时，这为制造商提供了一种控制性能和制造具有所需转变温度的铸锭的强大方法。

事实上，转变温度对合金成分的敏感性非常高，因此不推荐使用化学方法来指定感兴趣的合金。相反，转变温度是指定合金的更准确的方法。锭的转变温度测量最广泛使用的方法之一是使用差示扫描量热仪(DSC)。ASTMF是DSC测试方法的标准。DSC记录的转变信息类型如图2所示。标记了各种转变温度。

图2–用差示扫描量热仪(DSC)记录镍钛诺锭的各种转变温度测量值。

虽然DSC用于表征原材料，但最常为电线或管材等成品指定的温度是活性奥氏体表面处理(ActiveAf)温度，该温度通常由“无弯曲恢复”(BFR)测试确定。在该测试中，人们在将材料样品冷却到马氏体区域后使其变形，然后记录在加热时发生的形状恢复量。绘制温度与样品位移的关系图，用于确定形状恢复完成时的温度(ActiveAf)。BFR是一个非常好的功能测试，显示出明显的形状恢复。ASTMF是BFR测试方法的标准。在大多数应用中，指定最终产品(ActiveAf)的转变温度就足够了。但是，如果需要，也可以指定原始锭的转变温度。

超弹性NiTi合金利用应力诱导的马氏体转变来实现难以置信的柔韧性和抗扭结性。例如，旨在在室温下具有超弹性的合金通常在其活性Af温度略低于室温的情况下生产，例如在0到20°C的范围内。这种材料在体温（37°C）下也将表现出良好的超弹性。超弹性合金构成最大体积的镍钛诺材料。

形状记忆NiTi合金利用材料在加热到其转变温度以上时恢复训练形状的能力。因此，要指定的最关键特性是转变温度。活性Af表示加热时从马氏体转变为奥氏体的完成，因此表示形状恢复完成的温度。

ASTMF是镍钛合金拉伸试验的主导标准。在典型的拉伸试验中，样品被拉至6%的应变，然后卸载并随后被拉至破坏。除了其他材料常见的极限抗拉强度和伸长率外，在测试镍钛合金时还需要测量其他关键参数。当测试在样品的活性Af以上进行时，还记录上平台强度、下平台强度和残余伸长率（或永久变形）。由于材料经受循环试验，在加载过程中，材料从奥氏体转变为应力诱发马氏体，当样品卸载时，材料反转为奥氏体。上平台是在拉伸加载期间记录的3%应变下的应力，下平台是在样品卸载时记录的2.5%应变下的应力。残余伸长率是加载到6%应变和卸载完成后的应变。图3描述了这些点。

图3–典型的镍钛合金拉伸测试。除了其他材料常见的极限抗拉强度和伸长率外，在测试镍钛诺时，还需要测量其他关键参数。上平台强度、下平台强度和残余伸长率（或永久变形）也被记录下来。

二、加工

镍钛诺锭使用真空感应熔炼和/或真空电弧重熔的组合来熔化。钢坯经过锻造和热轧以形成中间形式，这些中间形式进一步制成棒材、卷材和板材。ASTMF是涵盖此类轧机形式的锻造镍钛的化学和冶金要求的标准。进一步拉制线圈以制造更小直径的线材，并将板卷下以制造更薄的片材。用枪对棒材钻孔以形成“空心管”，然后将其拉成管状。枪钻是一种必要的邪恶。它会立即降低该过程的有效产量，因为它会去除大量无法回收的材料——想想棒材重量与管材空心重量。

由于会形成氧化钛和碳化物，因此控制熔体中的氧和碳含量至关重要。这些硬夹杂物充当基质中的不连续性。这些已成为有关设备故障和疲劳强度的众多研究的主题。

冷加工和热处理（热机械加工）的结合对于在材料中获得所需的性能至关重要。在冷加工制造操作（例如拉拔或轧制）期间，镍钛诺合金的加工硬化速度非常快。如果材料在经过一定量的冷加工后没有退火，强度会上升到进一步变形时达到断裂强度的程度，并发生破坏。

热处理也用于设定镍钛诺组件的最终形状。如果镍钛诺有合理的冷加工量（大约30%或更多），°到°C的温度和适当的停留时间将产生一个直的、扁平的或成型的零件。术语“形状设置”通常用于此过程，成型零件是使用定制夹具创建的。一些常见的热处理方法是钢绞线退火（用于直线和管材）、箱式炉、熔盐浴和流化床。热处理的另一个目的是确定镍钛诺组件的最终机械性能和转变温度。材料经过冷加工后，适当的热处理将在材料中建立可能的最佳形状记忆或超弹性性能，同时保留足够的残余冷加工效果以抵抗循环过程中的永久变形。它还有助于设置部件的ActiveAf。

镍钛诺管、片材和线材要经过各种加工操作才能制造出器件。镍钛诺对无心磨削等研磨技术的材料去除反应良好，但难以通过铣削或车削加工。激光和放电加工是管材的常用切割方法。此外，片材还可以进行水射流切割或光化学加工。

三、应用

镍钛合金管最广为人知的应用是通过激光切割制造自膨胀支架。它是外周血管应用的热门选择。管内径的同心度控制和良好的表面光洁度是制造支架时获得良好成品率的关键。镍钛诺管还用于活检、内窥镜检查和骨科等应用。

镍钛诺导丝用于将导管引导到难以到达的身体部位。与不锈钢不同，它们是有利的，因为它们具有抗扭结性。金属丝是有弹性的，它可以在体内沿着曲折的路径前进而不会损坏。镍钛诺将平稳旋转并传递扭矩。镍钛诺丝也常用于制造编织支架和过滤器。

镍钛诺板很受欢迎，因为它提供了其他形式所不具备的设计灵活性——将产品设计成平面，然后将其成型以制造设备。可以生产具有非常严格的厚度公差和整个表面的均匀厚度控制的板材。这种高工艺能力有利于下游工艺优化和自动化——一致的起始板材厚度、受控的后处理将产生可预测的最终尺寸。

镍钛诺的一个缺点是它不是不透射线的，这是正确放置支架或将设备定位在体内的能力的要求。由贵金属（如铂和钯）制成的各种标记系统通常与基于镍钛诺的设备结合使用，以提高辐射不透性。

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