第4节——加工镍钛诺
如第1节所述，镍钛诺的机械和功能特性对热机械加工极为敏感。由于原始线材、板材或管材在成为最终形式之前必须经过许多额外的制造工艺，因此必须选择二次加工步骤以产生应用中所需的最终特性。本节讨论镍钛合金设备制造过程中常用的常见成型、热处理、机加工、连接和精加工二次工艺。
4.1热处理
4.1.1形状设置
形状设置是指用于将镍钛诺线材、管材或板材形成特定且通常复杂的几何组件的过程。无论镍钛诺合金是用于超弹性应用还是形状记忆应用，通常都需要对材料进行成型。这是通过使用专门设计的夹具或心轴将材料小心地约束成新形状，然后进行定形热处理来完成的。如果零件特别复杂，或者在需要高应变的情况下防止开裂/断裂，则可能需要多次整形操作。
要定形镍钛诺，热处理温度应高于°C，大多数在°C以上进行，以减少工艺时间并提高形状保持性（即减少回弹）。实际温度和均热时间根据起始合金成分和所需的热和机械规格确定。定形过程通常以水淬结束，以防止进一步老化并减少过程可变性。
由于镍钛诺组件通常需要高UPS和UTS，因此需要尽量减少热处理次数，并应尽可能使用冷加工原材料（回顾第1.5节）。与直/平退火材料相比，冷加工材料会更好地形成所需的形状，并保持更高的UPS/LPS和UTS。
4.1.2老化
老化是另一种形式的热处理，可用于调整镍钛合金部件的功能特性。在老化处理中，会形成富含Ni的沉淀物（例如Ni4Ti3），从而耗尽Ni的基质（回顾第1.3和1.6节）。Ni:Ti比率的降低提高了组件的相变温度，并将降低超弹性应用中的UPS和LPS。老化温度范围为至°C，转变温度的最快变化发生在最初的几分钟内。通常选择更高的温度以减少老化时间，但是，过度老化可能会在机械性能受到损害的地方发生。老化热处理是固溶强化的一种形式，通常引用–°C范围内的温度来产生与晶格一致的理想细小析出物。
定形过程中会发生一定程度的老化，因此，老化和定型往往是有意同时进行的。与定形一样，老化时间必须通过实验确定，因为它们取决于材料的加工历史、加热方法、温度和所需的转变温度。作为一般准则，更高的温度（即°C）会将相变峰快速转移到更高的温度，但也会导致UTS降低（即无强化效果）。与定型一样，老化过程通常以水淬结束，以防止进一步老化并减少工艺可变性。
设计注意事项
在设计热处理工艺（即强制对流烘箱、流化床、盐浴、焦耳加热、射频感应、加热模具等）时，必须考虑夹具的热质量和热处理方法。在大多数情况下，首选使用盐浴和低质量夹具来均匀和快速地处理组件。注意：由于热传递的可变性，加热方法之间的热处理参数传递是不可能的。
在定型过程中施加到镍钛诺组件中的应变越高，它就越能保持所需的形状。
4.2机械加工
4.2.1铣削、车削和钻孔
镍钛诺在冷加工状态下是一种坚硬的材料，并且由于其表面坚韧的氧化钛层而具有极强的磨蚀性。通常尽可能避免使用铣削、车削或钻孔等传统机加工技术，但在特定应用中可能会取得成功。
一些需要考虑的准则如下：
CNC控制速度/进给、强大的冷却液和硬质合金刀具至关重要；预计工具会快速磨损；应避免非常小的特征（例如小于1毫米的钻孔）；由于切削的连续性，车削比铣削更成功；和强烈建议不要敲击。
4.2.2激光切割
通常用于切割镍钛诺的基于热的激光工艺利用高强度聚焦光局部熔化材料，然后通过高压辅助气体将熔化的材料从切口中排出。在切割镍钛合金管时，例如在心血管支架的制造过程中，管会在聚焦激光束下旋转并纵向移动，以创建所需的切割几何形状。对于板材，激光头或板材（或两者的组合）相对于另一个移动，以创建所需的切割几何形状。在Memry，许多具有各种运动和工作夹具配置的光纤激光系统被用于从管材或板材上切割各种组件。激光切割已成为制造镍钛合金设备最常用的加工技术之一，这主要是由于极高的精度和低热输入特性。Memry目前的激光技术允许切割25μm(0.”)至0.8mm(0.”)厚度的材料。
激光系统切割精细复杂几何形状的能力在很大程度上取决于聚焦激光束的运动系统和光斑尺寸。在激光加工的上下文中，“切口宽度”是指激光切割过程中熔化和去除的材料的宽度，它取决于激光光斑的大小。更小的切口宽度允许设计更小和更复杂的几何形状，因此通常被认为更好。许多人认为每个激光系统的切口宽度都是固定的。然而，在实践中，切口宽度更具动态性。随着材料厚度的增加，穿透和切割材料所需的功率也会增加，结果切口宽度也会增加。超短飞秒激光器具有最高的光束质量，在切割相对较薄（即50μm，0.”）的镍钛诺组件时，切口宽度可低至5μm(0.0”)。
在设计激光切割部件时必须考虑的一些因素包括切割路径、热影响区(HAZ)、重铸层和熔渣。必须优化激光路径以限制任何不希望出现的人工制品，例如飞溅、缺口/咬合或台阶，并允许轻松去除孤岛（即废料）。单截口或单线特征在每次切割结束时都会有穿孔点。这些穿孔点将具有较大的切口，并且通常会在切割边缘附近飞溅。在可能的情况下，穿孔点最好位于远离组件特征的岛内，如下所示。
将切割材料熔化所需的热量从切口处传导出去。由于镍钛诺材料的过度老化，与切口相邻的这个区域的机械性能会受到影响；发生再结晶和晶粒生长的地方。该HAZ可能会对组件的最大可达到应变和疲劳寿命产生负面影响。此外，随着激光切割，一些熔融材料将重新浇铸到部件壁上。这部分热影响区称为“重铸层”。重铸激光器被严重氧化并且非常脆。该层通常包含用作断裂起始点的微裂纹。
未重新浇注到切割壁上的熔融材料有时会在激光切割出口处形成“熔渣”。如果存在熔渣，则需要通过某种类型的机械或化学过程将其去除。
设计注意事项
必须对激光切割部件进行后处理，以去除热影响区、重铸层和熔渣，以达到可接受的器件性能。执行此操作的标准方法包括珩磨、喷砂、化学蚀刻和滚磨。
后处理会影响组件的最终几何形状，因此必须将其设计到流程中。
飞秒激光加工工艺是切割镍钛诺的最先进技术。高功率、超短脉冲可用于引起镍钛诺的直接固体到等离子体烧蚀。由于激光与材料的相互作用时间很短，因此热量不会传导到块状材料中；消除过去对热影响材料、重铸层和熔渣的担忧。除了消除热激光切割工艺固有的有害副作用外，切割质量也得到了极大的改善，这直接转化为设备性能的提高。
作为一般指南，具有薄壁(μm)的管和具有薄支柱或小的几何关键特征（即μm）的设计将受益于这样的过程。
Memry通过激光加工制造的大部分新产品现在都使用飞秒激光进行加工。事实证明，现在可以使用飞秒激光进行的部分穿透烧蚀工艺非常适合加工精细的复杂特征。
设计注意事项
在许多情况下，建议使用飞秒激光工艺并不是因为组件尺寸或精度要求，而是为了最大限度地减少甚至消除耗时的下游后处理。
例如，内径小且具有精细、复杂特征的管子几乎不可能进行磨光，而一致的化学蚀刻和电抛光具有挑战性。通过飞秒激光工艺最大限度地减少热输入并消除重铸和熔渣可以缓解这些常见的挑战。
4.2.3磨削
这种研磨技术是加工镍钛诺的有效方法。镍钛诺材料常用的研磨技术包括无心、瑞士式、电化学和传统的3轴或4轴CNC研磨。通常建议使用强冷却剂来防止镍钛合金材料过热。可以磨削长度小至–μm（0.”–0.”）的特征。Memry能够研磨几何形状，从简单的导丝到任何定制应用的复杂研磨，包括平面、半径、钻尖、套管针、针或螺纹状轮廓。
4.2.4电火花线切割
这种技术对于在厚镍钛诺材料中切割特征特别有吸引力。切割是由穿过材料的连续进给的带电电线执行的。当金属丝靠近工件时，它会产生火花放电并烧蚀离金属丝最近的材料。切割过程中没有力作用在工件上。通过在浸没在去离子（非导电）水中的同时切割工件，可以最大限度地减少重铸/热影响区(HAZ)的厚度。对于植入物，应通过机械或化学方法修改EDM切割表面，以去除重铸层并消除EDM线材（即通常为*铜）的转移材料。
在可能的情况下，在切割过程中将工件堆叠起来以提高效率。典型的EDM线材直径为0.1至0.毫米（0.英寸至0.英寸）。根据几何形状，导线会“过烧”总计50μm(0.”)（例如，直径为μm/0.”的导线会产生大约μm/0.”宽的槽）。较大直径的线材通常用于提高切割速度，除非组件几何形状需要使用较小的线材。
4.2.5水刀切割
该技术利用混合有磨蚀性切割介质的高压水，通过侵蚀型机制切割镍钛合金材料。该工艺速度快，并且在切割过程中不会产生高温，因此是一种适用于较厚原材料的极佳切割方法。但是，此过程不如其他切割方法精确，并且与其他加工技术相比可实现的公差较大。水刀切割通常用于厚镍钛合金原材料的粗切割。
4.2.6冲压
镍钛诺可在特定应用中成功冲压。该工艺由非常精确的冲头（正切割几何形状）和模具（负切割几何形状）元件组成。材料（通常是条带或片材）位于模具组下方，然后冲头以巨大的力快速穿过材料并进入模具。冲压通常仅适用于可以连续进料的非常大批量的操作（ex.strip).模具间隙应最小化以减少毛刺和边缘质量。冲压镍钛合金时，需要硬质合金工具，并且模具会过度磨损。
4.2.7光化学蚀刻
光化学蚀刻是从板材制造薄（小于0.英寸）镍钛合金部件的有效方法。组件形状的耐化学腐蚀“正极”被应用到薄片上。然后将薄片暴露在化学溶液中，化学溶液会蚀刻掉未受保护的镍钛诺材料，只留下所需的成分。然后去除掩蔽材料。
该技术可实现无毛刺的表面处理，适用于大批量生产小型复杂几何形状。但是，该技术仅限于薄板，并且公差取决于材料厚度。它还会在零件壁上留下一个小脊，靠近放置掩蔽材料的位置，这对于某些应用来说可能会出现问题。
4.3连接
4.3.1焊接
激光、等离子和电阻焊接工艺都常用于连接镍钛合金部件。焊接部件的一个常见设计挑战是创建接头所需的大量热输入。焊缝本身以及接头附近的热影响区(HAZ)将具有不同的机械和功能特性。在激光、等离子和电阻焊接中，焊接熔合区(FZ)将具有更类似于镍钛合金锭的铸态结构和性能。HAZ将受到过老化影响，例如再结晶和晶粒长大，从而导致机械强度降低和转变温度发生变化。当焊接更多富钛合金（例如用于形状记忆应用的合金）时，由于溶质偏析和脆性富钛金属间相的形成，裂纹也会成为一个挑战。
激光-CNC脉冲激光系统是用于组装镍钛诺组件的最常见的焊接工艺。该工艺的高速、非接触、低热输入特性使其在镍钛诺医疗设备的制造中非常有吸引力。单点激光工艺通常用于点焊类型的应用，例如，将套环或管焊接到金属丝组件的末端。缝焊也常用于通过使用激光源的脉冲频率对平台运动进行计时来实现脉冲重叠的地方。对于气密密封类型的应用，通常推荐80%的重叠。
等离子焊接是一种电弧焊工艺，在Memry最常用于在镍钛诺线材或管材的末端形成无损伤球。使用此工艺可以实现高达3倍于母材直径的球。
电阻焊利用焦耳热和机械负载在两个部件之间形成焊接熔核或熔合区，这是由于接合面的电阻较高。电阻焊接工艺通常用于对接焊接大直径镍钛诺线的末端或用于连接两个镍钛诺片材或带材的搭接接头。由于电阻焊需要电极（即通常为铜合金）与镍钛诺组件表面的机械接触，因此建议通过机械或化学方法对表面进行改性，以降低与转移材料相关的风险。
设计注意事项
将镍钛合金成功焊接到异种金属（如不锈钢）上非常具有挑战性。异种焊接接头通常由于金属间化合物的形成而变脆，并且无法承受高应力或应变。诸如固态焊接或在激光焊接中使用中间层等技术已显示出制造异种接头的一些前景，但这些技术并未得到普遍应用。在考虑使用镍钛合金部件时，不得忽视焊接接头的设计。接头的设计应远离关键特征和最高应力/应变区域。熔合区和HAZ的机械和功能特性都将受到焊接过程的热输入的危害。
4.3.2压接
压接是将镍钛诺连接到自身或不同材料上的一种非常稳健的方法。主要缺点包括相当笨重的压接轮廓以及与多件式结构相关的工艺挑战。当考虑线型设备中线端的端接时，压接通常是选择的连接方法。建议使用经过特殊处理的镍钛诺管用于压接组件。重要的设计考虑因素包括；i)压接必须具有足够的延展性，以便在要连接的组件周围发生塑性变形，并且ii)使用不同的材料（例如不锈钢）作为压接管可能会导致与材料特性不相容和电偶腐蚀相关的问题。压接应用的一个很好的例子是线材成型支架，其中线材末端通常使用一段镍钛诺管材压接在一起（即完成环）。
4.3.3焊料和粘合剂
焊接和粘合剂是将镍钛合金连接到不同材料的极佳方法。在这两种情况下，都应去除氧化层以获得最佳效果。对于焊接，含银焊料（例如：Sn95Ag5）与合适的助焊剂（我们使用来自IndiumCorporation的Indalloy?#3）结合使用时效果很好。在考虑粘合剂时，可以使用紫外线和热固化选项。Dymax?、Loctite?和MasterBond?都具有与镍钛合金配合使用的配方。重要的是要注意，对于植入式医疗设备应用，不应考虑焊接或粘合剂。
4.4精加工
4.4.1喷砂
喷砂和微喷砂是用于去除上游工艺（例如拉丝、热处理、激光切割、EDM或局部加热工艺）中的氧化物、表面痕迹和加工材料/污染物的方法。喷砂处理通常在管材或线材上进行，并且是一个相对大规模的工艺，而微喷砂则在较小规模的组件上进行。微喷砂是在化学蚀刻工艺之前对激光切割或线切割EDM部件进行后处理的常见做法。
两种研磨技术均由在高压下直接作用于镍钛合金成分的砂状砂砾组成。研磨作用能够去除镍钛诺表面周围发现的材料，例如重铸层、热影响区和微裂纹，并且可以去除大量材料。Memry有能力执行手动或自动喷砂工艺。
4.4.2机械翻滚
翻滚是一种操作，其中将组件装入装有研磨介质的容器中，并通过旋转或振动方式搅动容器。介质在零件上的作用用于使表面光滑并磨圆锐边。翻滚通常不能有效去除大量材料，它更有效地破坏边缘和磨圆尖锐特征。
4.4.3化学加工
蚀刻，也称为酸洗，是去除氧化物和从镍钛诺表面去除相对大量材料的常用方法。蚀刻的零件将具有浅色或光亮的表面光洁度。肉眼看起来很光滑，但如果在更高的放大倍数下观察，它的表面形貌会略微粗糙。一般来说，较长的蚀刻时间会产生稍微平滑的形貌。化学蚀刻工艺的常见示例包括：i)从激光切割部件上去除脆性重铸层，以及ii)从EDM切割部件的线电极上去除任何转移材料。重要的是，组件在蚀刻之前是无毛刺的，以降低工件附近选择性蚀刻的风险。
电解抛光是一种电化学过程，可去除镍钛诺组件表面的材料。顾名思义，电解抛光用于抛光和平滑镍钛诺组件的表面。在电解抛光系统中，施加电势以去除部件表面的金属离子并将其带入溶液中。在电解液中发生金属溶解。
一个重要的工艺考虑因素是如何以及在何处对组件进行阳极接触。阳极和部件之间的接触应足够牢固以消除电弧。夹具不当会在成品部件的接触点周围造成烧焦或熔化的斑点。电气接触点的见证痕迹在某种程度上是不可避免的。
在电解抛光过程中，电流流过相对粗糙表面上的峰，并在这些位置产生高电流密度。这导致在电抛光过程中优先去除高点，这使其成为消除毛刺并最终降低（即改善）表面粗糙度的理想选择。通过降低表面粗糙度，可以减少甚至消除微裂纹和其他表面缺陷。适当电抛光的部件将具有光泽的镜面状表面，即使在更高的放大倍率下也会如此。
电抛光的主要缺点是增加了每个零件的成本、零件接触阳极的见证标记以及较大零件上精确去除材料的难度。然而，值得注意的是，生物相容性和抗疲劳性的改进通常使电解抛光值得为植入式镍钛合金医疗设备应用支付额外费用。
钝化，应用于镍钛诺组件时，是指对表面化学进行改性，使镍钛诺设备在暴露于某些环境因素时反应性降低或抵抗力增强。钝化主要是为了确保表面能够抵抗电化学腐蚀反应，因此不会降解并最终失效或将有害的镍离子释放到体内。
镍钛合金表面有一层天然形成的被动二氧化钛(TiO2)层。然而，大量研究表明，加工不当会导致产生更多挥发性表面氧化物，从而降低镍钛诺组件的钝化性。因此，针对镍钛诺医疗设备开发了不同的钝化技术，例如化学钝化甚至在水中煮沸。Memry执行的最常见的钝化处理是基于HNO3的化学钝化，该钝化符合ASTMA，该标准实际上是为不锈钢钝化而开发的。
设计注意事项
客户通常要求对植入式医疗设备应用进行钝化处理。然而，在许多其他镍钛合金设备应用中，可能不需要化学钝化。例如，Memry的标准制造工艺已经过优化，即使在没有最终钝化的情况下也能产生出色的腐蚀性能。
4.4.4其他精加工选项
激光打标——镍钛合金部件的激光打标是常见的做法。激光打标应用的示例包括深度标记或标签、制造批号甚至