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鎳鈦合金介紹

      鎳鈦合金是一種形狀記憶合金，形狀記憶合金是能將自身的塑性變形在某一特定溫度下自動恢復為原始形狀的特種合金。它的伸縮率在20%以上，疲勞壽命達1*10的7次方，阻尼特性比普通的彈簧高10倍，其耐腐蝕性優于目前醫用不銹鋼，因此可以滿足各類工程和醫學的應用需求，是一種非常優秀的功能材料。

      記憶合金除具有獨特的形狀記憶功能外，還具有耐磨損、抗腐蝕、高阻尼和超彈性等優異特點。

      標準：Q/XB1516 Q/XB1520

      牌號：TiNi-01變相溫度：20℃-40℃；TiNi-02變相溫度：45℃-90℃；TiNi-SS變相溫度：5℃-15℃；TiNi-03變相溫度：<5℃；TiNi-YY變相溫度：33℃±3℃；TiNiCU變相溫度：As-Ms≤5℃；TiNiNb變相溫度：As-Ms<150℃

      鎳鈦合金的物理性能：抗拉強度：850MPa；屈服強度：195～690MPa；延伸率：25～50%

      鎳鈦合金記憶絲化學成分：Ni:55.4%--56.2%，C≤0.07，H≤0.005，O≤0.050，N:≤ 0.05

    &nbsp; TiNi形狀記憶合金是一種功能材料，除具有比強度高、耐磨、耐蝕、耐腐蝕、無磁、生物相容性好等特點外，還具有奇特的形狀記憶性能和超強性性能。其廣泛用于宇航、通信、醫療、自動控制、儀表儀器、管道連接、眼鏡制造以及日常生活等方面。蘭宇（LAN YU）集團生產的TiNi形狀記憶合金綜合性能已達到國際先進水平；在國內醫療器械、眼鏡制造、手機天線等行業享有很高的聲譽。

鎳鈦合金性能特性

A.鎳鈦合金的相變與性能

      顧名思義，鎳鈦合金是由鎳和鈦組成二元合金，由于受到溫度和機械壓力的改變而存在兩種不同的晶體結構相，即奧氏體相和馬氏體相。 鎳鈦合金冷卻時的相變順序為母相（奧氏體相）-R相-馬氏體相。 R相是菱方形，奧氏體是溫度較高（大于同樣地:即奧氏體開始的溫度）的時候，或者去處載荷（外力去除Deactivation）時的狀態，立方體，堅硬。形狀比較穩定。而馬氏體相是溫度相對較低（小于Mf:即馬氏體結束的溫度）或者加載（受到外力活化）時的狀態，六邊形，具有延展性，反復性，不太穩定，較易變形。

B.鎳鈦合金的特殊性能

      a.形狀記憶特性（shape memory） 形狀記憶是當一定形狀的母相由Af溫度以上冷卻到Mf溫度以下形成馬氏體后，將馬氏體在Mf以下溫度形變，經加熱至Af溫度以下，伴隨逆相變，材料會自動恢復其在母相時的形狀。實際上形狀記憶效應是鎳鈦合金的一個由熱誘發的相變過程。

      b.超彈性 (superelastic) 所謂的超彈性是指試樣在外力作用下產生遠大于起彈性極限應變量的應變，在卸載時應變可自動恢復的現象。即在母相狀態下，由于外加應力的作用，導致應力誘發馬氏體相變發生，從而合金表現出不同于普通材料的力學行為，它的彈性極限遠遠大于普通材料，并且不再遵守虎克定律。和形狀記憶特性相比，超彈性沒有熱參與。總而言之，超彈性是指在一定形變范圍內應力不隨應變的增大而增大，可將超彈性分為線性超彈性和非線性超彈性兩類。前者的應力-應變曲線中應力與應變接近線性關系。非線性超彈性是指在Af以上一定溫度區間內加載和卸載過程中分別發生應力誘發馬氏體相變及其逆相變的結果，因此非線性超彈性也稱相變偽彈性。鎳鈦合金的相變偽彈性可達8%左右。 鎳鈦合金的超彈性可隨著熱處理的條件的變化而改變，當弓絲被加熱到400oC以上時，超彈性開始下降。

      c.口腔內溫度變化敏感性：不銹鋼絲和CoCr合金牙齒矯形絲的矯治力基本不受口腔內溫度的影響。超彈性鎳鈦合金牙齒矯形絲的矯治力隨口腔溫度的變化而變化。當變形量一定時。溫度升高，矯治力增加。一方面，它可以加速牙齒的運動，這是因為口腔內的溫度變化會刺激由于矯治器件造成造成毛細滯息的血流停滯部位的血液流動，從而使得在牙齒移動過程中修復細胞得到充分營養，維持其生機和正常功能。另一方面，正畸醫生無法精確控制或測量口腔環境下的矯治力。

  &nbsp;   d.抗腐蝕性能：有研究表明鎳鈦絲的抗腐蝕性能與不銹鋼絲相仿

      e.抗毒性：鎳鈦形狀記憶合金特殊的化學組成,即這是一種鎳鈦等原子合金,含約50%的鎳,而已知鎳有致癌和促癌作用。一般情況情況下，表面層鈦氧化充當了一種屏障，使Ni-Ti合金具有良好的生物相容性。表面層的TiXOy和TixNiOy能抑制Ni的釋放。

      f.柔和的矯治力：目前商業上應用的牙齒矯形金屬絲包括奧氏體不銹鋼絲、鈷-鉻-鎳合金絲、鎳鉻合金絲、澳大利亞合金絲、金合金絲和?鈦合金絲。關于這些正畸矯正金屬絲在拉伸試驗和三點彎曲試驗條件的載荷-位移曲線。鎳鈦合金的卸載曲線平臺最低也最平，說明它最能提供持久柔和的矯治力。

 &nbsp;    g.良好的減震特性：由于咀嚼及夜磨牙對于弓絲造成的震動越大，對牙根及牙周組織的損害越大。通過不同弓絲衰減實驗的結果研究發現，不銹鋼絲震動的振幅比超彈性鎳鈦絲大，超彈性鎳鈦弓絲初始震動振幅僅為不銹鋼絲的一半,弓絲良好的震動和減震特性對于牙齒的健康很重要，而傳統弓絲如不銹鋼絲，有加重牙根吸收的傾向。

C.鎳鈦合金絲的分類EvansandDurning分類法

      a.1940年，黃金弓絲、鈷鉻合金絲和不銹鋼圓絲

      b.1960年，馬氏體穩定化合金：多為鎳鈦合金在馬氏體狀態下變形后制得。該種弓絲剛度低，可產生較輕的矯治力。不存在由應力或者溫度引起的馬氏體相變，因此不呈現記憶效應和超彈性。

      c.1980年，中國鎳鈦合金和日本鎳鈦合金弓絲，為奧氏體激活合金：即在任何狀態下都呈現奧氏體狀態，置于口內和口外都不具有由溫度引起的馬氏體狀態，馬氏體狀態只能由應力引起，具有超彈性，但是不具備形狀記憶功能。該種弓絲有極佳的回彈性及較低的剛度，能產生較弱的矯治力，。作大的特點是從最初的啟動到最后階段，其產生的力持續恒定，在治療早期牙齒不整齊時，效果較好。去點是常溫下無法彎制成型，不易焊接。若將該公司作為主弓絲，常可引起不希望的擴弓或者縮弓，且難以建立良好的前磨牙、磨牙排列。

  ;    d.1990年，馬氏體激活鎳鈦合金：即TTR低于口腔溫度或者與口腔溫度非常相近，在室溫時以一種多元狀態存在，易于變形，置于口腔內時，由應力引起的和室溫引起的馬氏體同時向奧氏體轉變，即存在形狀記憶功能和超彈性。在常溫（25℃左右）及以下溫度易于變形，而當達到一定溫度（32℃左右）以上，又會恢復到原來預成形狀，表現出形狀記憶加超彈性特性。北京圣瑪特科技有限公司的Smart牌和3M公司的NitinolHA牌都是典型的代表產品。熱激活鎳鈦弓絲正因為這種特性，將其維持在常溫及以下溫度狀態可以輕松操作成型，并安放到托槽中就位，而當在口腔中受體溫熱量而激活后，可產生出形狀恢復力，又為矯形提供所需的力量。因熱激活型鎳鈦矯形絲所具有的“遇冷變軟，受熱激活而變得彈性大”的特點，患者可以在醫生的指導下，利用口含冷、熱水的方式改變矯治力，更加方便了矯治者的矯正，減少了初期矯治的不適感。

      e.Gradedthermodynamic:增加的熱力學鎳鈦合金：將TTR溫度高于口腔溫度，大概是40℃左右，這樣，當鎳鈦弓絲置于口腔內時，仍然為多元狀態，弓絲較為柔軟，在口含熱水時，才有奧氏體相變。因此，矯治力更加弱，可以作為成人患者和牙周病患者的初始弓絲。Omcro公司生產的含銅鎳鈦絲以及日本低滯后L-H鎳鈦弓絲便具有此種性能。

D.鎳鈦合金絲的臨床應用

      a.用于患者牙列的早期排齊整平由于鎳鈦合金弓絲的超彈性和形狀記憶性能以及較低的應力-應變曲線，目前臨床上常規將鎳鈦合金弓絲作為最初期納入矯治體系的弓絲，這樣，患者的不適感會大大減低。由于目前存在幾種不同直絲弓矯治技術，MBT技術推薦使用0.016英寸熱激活鎳鈦合金弓絲（HANT絲），DEMON自鎖托槽技術推薦使用由Omcro公司生產的含銅的熱激活鎳鈦合金弓絲（相變溫度大概在40度左右），O-PAK矯治技術推薦使用0.016英寸超彈性鎳鈦合金弓絲用于早期排齊整平。

    &nbsp; b.鎳鈦彈簧：鎳鈦推簧與拉簧是一種用于牙齒正畸的彈簧，具有鎳鈦超彈性的特別，適合于正畸矯治開拓牙齒間的間隙和向不同方向牽拉牙齒。鎳鈦螺旋彈簧伸長1mm可產生大約50g的力。鎳鈦螺旋彈簧具有很高的彈性性能，在拉伸狀態下可產生較為柔和、穩定的持續力。力的衰減很小，能產生符合臨床移動牙齒所需的較理想的正畸力。符合生理要求。鎳鈦絲拉簧的高彈性、永久變形率極低,與相同直徑的不銹鋼絲相比,其釋放的矯治力相差3.5-4倍。故在正畸矯治應用中,患者不僅疼痛輕,感覺力量柔和持久,且復診時間減少,縮短了療程,提高了療效,是正畸治療中的一種新的優良的力學裝置。

      c.L-H弓絲是日本的Dr.Soma等研究開發的，由Tomy公司生產。“LH”是名自“LowHysteresis”,也就是說，當此弓絲當此弓絲被結扎到托槽上時，即弓絲被激活時產生的應力和移動牙齒時即弓絲慢慢恢復原狀時產生的應力的差距很小。即滯后很小。SOMA等比較了LH弓絲和其他鎳鈦合金絲的應力應變曲線，L-H弓絲的滯后范圍最小，這一特性使弓絲有低載荷和持續輕力的優勢，同時該曲線初始斜度低，說明該弓絲剛度低，其余類型的鎳鈦合金弓絲的滯后曲線表明其剛性較大，顯然L-H弓絲有明顯的機械學優勢。由于LH絲鎳鈦成分中鈦的含量比例較一般鎳鈦弓絲高，因此將其稱之為鈦鎳絲，并有實驗證明其吸震效果較強。LH鎳鈦絲的另一個特點是可以彎制，并可以用熱處理儀器加熱定型，因此LH鎳鈦絲也可以從排齊整平、打開咬合到關閉間隙，以及最后的完成階段，上下各一條弓絲即可以完成治療，只要每一個階段將弓絲取出彎好所需的形狀，再用熱處理儀器將之定形，加強硬度即可。目前在臨床上使用L-H弓絲進行擴弓治療，矯治開頜、偏頜以及反頜，因其力量的持續穩定和柔和，效果較好。同時常常配合使用J鉤來改善弓絲較軟的不足。雖然MEAW技術對于矯治以上錯頜也有理想的效果，但繁復的弓絲彎制常使許多醫師望而卻步。因此有些醫師改采用與力學系統類似的搖椅型鎳鈦弓絲加上前牙垂直牽引，雖然這樣也有類似的效果，但總覺得與MEAW比較時，各個獨立的牙移動的方面不如MEAW技術，原因在于搖椅型鎳鈦絲是一條連續的弓絲，并且亦沒有辦法彎折。因此，托槽粘接的角度與弓絲的搖椅曲度決定了每一顆牙齒的角度，不像MEAW技術中每一個牙齒的角度較有個別調整的空間。使用LH鎳鈦彎上搖椅，再用弓絲成形器在口內彎折后傾彎或者前傾彎，效果相當理想。

鎳基合金簡介

      鎳基合金是指在650～1000℃高溫下有較高的強度與一定的抗氧化腐蝕能力等綜合性能的一類合金。按照主要性能又細分為鎳基耐熱合金，鎳基耐蝕合金，鎳基耐磨合金，鎳基精密合金與鎳基形狀記憶合金等。高溫合金按照基體的不同，分為：鐵基高溫合金，鎳基高溫合金與鈷基高溫合金。其中鎳基高溫合金簡稱鎳基合金。

耐蝕合金

      主要合金元素是銅、鉻、鉬。具有良好的綜合性能，可耐各種酸腐蝕和應力腐蝕。最早應用（1905年美國生產）的是鎳銅（Ni-Cu）合金，又稱蒙乃爾合金(Monel合金Ni 70 Cu30)；此外還有鎳鉻（Ni-Cr）合金（就是鎳基耐熱合金，耐蝕合金中的耐熱腐蝕合金）、鎳鉬（Ni-Mo）合金（主要是指哈氏合金B系列）、鎳鉻鉬（Ni-Cr-Mo）合金（主要是指哈氏合金C系列）等。與此同時，純鎳也是鎳基耐蝕合金中的典型代表。這些鎳基耐蝕合金主要用于制造石油，化工，電力等各種耐腐蝕環境用零部件。

      鎳基耐蝕合金多具有奧氏體組織。在固溶和時效處理狀態下，合金的奧氏體基體和晶界上還有金屬間相和金屬的碳氮化物存在，各種耐蝕合金按成分分類及其特性如下：

      Ni-Cu合金 在還原性介質中耐蝕性優于鎳,而在氧化性介質中耐蝕性又優于銅，它在無氧和氧化劑的條件下，是耐高溫氟氣、氟化氫和氫氟酸的材料。

      Ni-Cr合金&nbsp;也就是鎳基耐熱合金；主要在氧化性介質條件下使用。抗高溫氧化和含硫、釩等氣體的腐蝕，其耐蝕性隨鉻含量的增加而增強。這類合金也具有較好的耐氫氧化物（如NaOH、KOH）腐蝕和耐應力腐蝕的能力。

      Ni-Mo合金 主要在還原性介質腐蝕的條件下使用。它是耐鹽酸腐蝕的最好的一種合金，但在有氧和氧化劑存在時，耐蝕性會顯著下降。

      Ni-Cr-Mo(W)合金 兼有上述Ni-Cr合金、Ni-Mo合金的性能。主要在氧化－還原混合介質條件下使用。這類合金在高溫氟化氫氣中、在含氧和氧化劑的鹽酸、氫氟酸溶液中以及在室溫下的濕氯氣中耐蝕性良好。

      Ni-Cr-Mo-Cu合金 具有既耐硝酸又耐硫酸腐蝕的能力，在一些氧化-還原性混合酸中也有很好的耐蝕性。

耐磨合金

      主要合金元素是鉻、鉬、鎢，還含有少量的鈮、鉭和銦。除具有耐磨性能外，其抗氧化、耐腐蝕、焊接性能也好。可制造耐磨零部件，也可作為包覆材料，通過堆焊和噴涂工藝將其包覆在其他基體材料表面。

      ;鎳基合粉末有自熔性合金粉末與非自熔性合金粉末。

&nbsp;     非自熔性鎳基粉末是指不含B、Si或B、Si含量較低的鎳基合金粉末。這類粉末，廣泛的應用于等離子弧噴涂涂層、火焰噴涂涂層和等離子表面強化。主要包括：Ni-Cr合金粉末、Ni-Cr-Mo合金粉末、Ni-Cr-Fe合金粉末、Ni-Cu合金粉末、Ni-P和Ni-Cr-P合金粉末、Ni-Cr-Mo-Fe合金粉末、Ni-Cr-Mo-Si高耐磨合金粉末、Ni-Cr-Fe-Al合金粉末、Ni-Cr-Fe-Al-B-Si合金粉末、Ni-Cr-Si合金粉末、Ni-Cr-W基耐磨耐蝕合金粉末等。

      在鎳合金粉末中加入適量B、Si便形成了鎳基自熔性合金粉末。所謂自熔性合金粉末亦稱低共熔合金，硬面合金，是在鎳、鈷、鐵基合金中加入能形低熔點共晶體的合金元素（主要是硼和硅）而形成的一系列粉末材料。常用的鎳基自熔性合金粉末有Ni-B-Si合金粉末、Ni-Cr-B-Si合金粉末、Ni-Cr-B-Si-Mo、Ni-Cr-B-Si-Mo-Cu、高鉬鎳基自熔性合金粉末、高鉻鉬鎳基自熔性合金粉末、Ni-Cr-W-C基自熔性合金粉末、高銅自熔性合金粉末、碳化鎢彌散型鎳基自熔性合金粉末等。

各種元素在合金中的作用：

      硼、硅元素的作用：顯著降低合金熔點，擴大固液相線溫度區，形成低熔共晶體；脫氧還原作用和造渣功能；對涂層的硬 化、強化作用；改善操作工藝性能

 &nbsp;   &nbsp;銅元素的作用：提高對非氧化性酸的耐蝕性

      鉻元素的作用：固溶強化作用、鈍化作用；提高耐蝕性能和抗高溫氧化性能；富余的鉻容易與碳、硼形成碳化鉻、硼化鉻硬質相從而提高合金硬度和耐磨性

     &nbsp;鉬元素的作用：原子半徑大，固溶后使晶格發生大的畸變，顯著強化合金基體，提高基體的高溫強度和紅硬性；可以切斷、降低涂層中的網狀組織；提高抗氣蝕、沖蝕能力。

精密合金

      包括鎳基軟磁合金、鎳基精密電阻合金和鎳基電熱合金等。最常用的軟磁合金是含鎳80%左右的玻莫合金，其最大磁導率和起始磁導率高，矯頑力低，是電子工業中重要的鐵芯材料。鎳基精密電阻合金的主要合金元素是鉻、鋁、銅，這種合金具有較高的電阻率、較低的電阻率溫度系數和良好的耐蝕性，用于制作電阻器。鎳基電熱合金是含鉻20%的鎳合金，具有良好的抗氧化、抗腐蝕性能，可在1000～1100℃溫度下長期使用。

記憶合金

   &nbsp;  含鈦50（at)%的鎳合金。其回復溫度是70℃，形狀記憶效果好。少量改變鎳鈦成分比例，可使回復溫度在30～100℃范圍內變化。多用于制造航天器上使用的自動張開結構件、宇航工業用的自激勵緊固件、生物醫學上使用的人造心臟馬達等。

耐熱合金

鎳基合金的代表材料有:

      ;1.Incoloy合金，如Incoloy800，主要成分為；32Ni-21Cr-Ti,Al；屬于耐熱合金；

      2.Inconel合金，如Inconel600，主要成分是；73Ni-15Cr-Ti,Al；屬于耐熱合金；

     &nbsp;3.Hastelloy合金，即哈氏合金，如哈氏C-276，主要成分為；56Ni-16Cr-16Mo-4W；屬于耐蝕合金；

      4.Monel合金，即蒙乃爾合金，比如說蒙乃爾400，主要成分是；65Ni-34Cu；屬于耐蝕合金；

合金元素

  &nbsp;   主要合金元素有鉻、鎢、鉬、鈷、鋁、鈦、硼、鋯等。其中Cr，Ai等主要起抗氧化作用，其他元素有固溶強化，沉淀強化與晶界強化等作用。

    &nbsp; 在650～1000℃高溫下有較高的強度與一定的抗氧化腐蝕能力，由于足夠高的高溫強度與抗氧化腐蝕能力，所以常用于制造航空發動機葉片和火箭發動機、核反應堆、能源轉換設備上的高溫零部件。

發展歷史

      鎳基高溫合金(以下簡稱鎳基合金)是30年代后期開始研制的。英國于1941年首先生產出鎳基合金Nimonic 75(Ni-20Cr-0.4Ti)；為了提高蠕變強度又添加鋁，研制出Nimonic 80(Ni-20Cr-2.5Ti-1.3Al)。美國于40年代中期，蘇聯于40年代后期，中國于50年代中期也研制出鎳基合金。鎳基合金的發展包括兩個方面：合金成分的改進和生產工藝的革新。50年代初，真空熔煉技術的發展，為煉制含高鋁和鈦的鎳基合金創造了條件。初期的鎳基合金大都是變形合金。50年代后期，由于渦輪葉片工作溫度的提高，要求合金有更高的高溫強度，但是合金的強度高了，就難以變形，甚至不能變形，于是采用熔模精密鑄造工藝，發展出一系列具有良好高溫強度的鑄造合金。60年代中期發展出性能更好的定向結晶和單晶高溫合金以及粉末冶金高溫合金。為了滿足艦船和工業燃氣輪機的需要，60年代以來還發展出一批抗熱腐蝕性能較好、組織穩定的高鉻鎳基合金。在從40年代初到70年代末大約40年的時間內，鎳基合金的工作溫度從 700℃提高到1100℃，平均每年提高10℃左右。

成分性能

      鎳基高溫合金中應用最為廣泛。主要原因在于，一是鎳基合金中可以溶解較多合金元素，且能保持較好的組織穩定性；二是可以形成共格有序的 A3B型金屬間化合物γ[Ni3(Al，Ti)]相作為強化相，使合金得到有效的強化，獲得比鐵基高溫合金和鈷基高溫合金更高的高溫強度；三是含鉻的鎳基合金具有比鐵基高溫合金更好的抗氧化和抗燃氣腐蝕能力。鎳基合金含有十多種元素，其中Cr主要起抗氧化和抗腐蝕作用，其他元素主要起強化作用。根據它們的強化作用方式可分為：固溶強化元素，如鎢、鉬、鈷、鉻和釩等；沉淀強化元素，如鋁、鈦、鈮和鉭；晶界強化元素，如硼、鋯、鎂和稀土元素等。

&nbsp;     鎳基高溫合金按強化方式有固溶強化型合金和沉淀強化型合金。

生產工藝

      冶煉方面：為了獲得更純凈化的鋼水，減低氣體含量與有害元素含量；同時由于部分合金中有易氧化元素如Al，Ti等存在，非真空方式冶煉難以控制；更是為了獲得更好的熱塑性，鎳基耐熱合金，通常采用真空感應爐熔煉，甚至用真空感應冶煉加真空自耗爐或電渣爐重熔方式進行生產。

   &nbsp;  變形方面：采用鍛造、軋制工藝，對于熱塑性差的合金甚至采用擠壓開坯后軋制或用軟鋼(或不銹鋼)包套直接擠壓工藝。變形的目的是為了破碎鑄造組織，優化微觀組織結構。

      鑄造方面：通常用真空感應爐熔煉母合金保證成分與控制氣體與雜質含量，并用真空重熔-精密鑄造法制成零件。

     &nbsp;熱處理方面：變形合金和部分鑄造合金需進行熱處理，包括固溶處理、中間處理和時效處理，以Udmet 500合金為例，它的熱處理制度分為四段：固溶處理，1175℃，2小時，空冷；中間處理，1080℃，4小時，空冷；一次時效處理，843℃，24小時，空冷；二次時效處理，760℃，16小時，空冷。以獲得所要求的組織狀態和良好的綜合性能。

應用領域

     ; 1.海洋：海域環境的海洋構造物，海水淡化，海水養殖，海水熱交換等。

      2.環保領域：火力發電的煙氣脫硫裝置，廢水處理等。

      3.能源領域：原子能發電，煤炭的綜合利用，海潮發電等。

   &nbsp;  4.石油化工領域：煉油，化學化工設備等。

   &nbsp;  5.食品領域：制鹽，醬油釀造等。