[发明专利]一种镍钛形状记忆合金微丝表面加工工艺

说明书

本发明提供的镍钛形状记忆合金微丝表面加工工艺，涉及材料加工领域，通过对预处理后的镍钛形状记忆合金微丝在多次冷拉拔工艺处理后再进行渗氮处理，获得高疲劳寿命的镍钛形状记忆合金微丝。通过拉丝模具对钛形状记忆合金微丝进行冷拉拔处理可精准控制在微丝表面形成非晶层，在此基础上进行渗氮处理，可实现非晶层晶化，形成厚度精确可控的硬化层。本发明的技术方案适用于工业化、简洁可操控的在镍钛形状记忆合金微丝表面加工硬化层，有效抑制镍钛形状记忆合金微丝表面疲劳裂纹的萌生，大幅度提高形状记忆合金微丝的疲劳寿命，同时不会损伤丝材本身的形状记忆功能。

技术领域

本发明涉及材料加工领域，具体涉及一种镍钛形状记忆合金微丝表面加工工艺。

背景技术

形状记忆合金是一种具备超弹性、形状记忆效应、阻尼减震及位移传感等多功能性的先进智能材料，在医疗器械、航天航空、微电子器件及机器人领域都有巨大的应用潜力。在实际使用过程中，形状记忆合金的挑战在于控制模型复杂、驱动频率较低和疲劳寿命等。形状记忆合金在智能驱动材料系统中，以较大的可恢复应变和输出应力著称，并以丝材或薄膜作为主要的应用形式。在某些应用领域，比如微电子器械或线性马达执行器，对于疲劳性能提出了较高的要求。形状记忆合金的疲劳性能与材料的杂质含量、表面质量、应变幅度、使用环境等密切相关。根据工业界报道，在以上各种因素得到较好控制情况下，形状记忆合金丝材的疲劳寿命可以达到数十万次级别，但是仍然无法完全满足工业应用需求。

研究人员主要从形状记忆合金的疲劳产生根源上进行研究和优化，比如研究和了解形状记忆合金的裂纹产生根源和扩展方式，包括从源头抑制裂纹、裂纹扩展路径的延阻等方式提高形状记忆合金丝材的疲劳寿命。研究发现，形状记忆合金丝材的裂纹产生主要集中在表面，提高表面光滑度或表面强度/硬度是抑制裂纹萌生、提高的疲劳寿命的关键方法之一，在工业上常常可以通过电化学抛光，表面渗氮强化等方式来实现。

对于直径极小(小于100μm)的形状记忆合金微丝而言，电化学抛光容易大幅度提高材料的氢含量并引发脆性；而表面渗氮则极难精确控制渗透厚度，控制不佳容易导致形状记忆合金微丝功能性的衰减。因此，目前尚无成熟的工艺方法来抑制镍钛形状记忆合金微丝的表面裂纹萌生的工艺。

发明内容

本发明目的在于提供一种镍钛形状记忆合金微丝表面加工工艺，通过对镍钛形状记忆合金微丝表面进行精确可控的非晶化、渗氮处理，在镍钛形状记忆合金微丝表面形成厚度精确可控的硬化层，硬化层有效抑制裂纹的萌生，大幅度提高形状记忆合金微丝的疲劳寿命。

为达成上述目的，本发明提出如下技术方案：一种镍钛形状记忆合金微丝表面加工工艺，包括如下步骤：

1)取末道次热处理完成并进行矫直后的镍钛形状记忆合金微丝记为第一微丝，所述第一微丝的直径为d；

2)选用2～3组直径逐渐减小的拉丝模具依次对第一微丝进行冷拉拔工艺处理，获得第二微丝，所述第二微丝为经冷拉拔工艺处理后表面形成非晶层的第一微丝；

3)对第二微丝进行渗氮处理，并获得第三微丝，第三微丝为经渗氮处理后表面形成晶化富氮涂层的第二微丝；其中，第二微丝进行渗氮处理的温度为300℃～450℃，渗氮处理的时间不超过3min。

进一步的，所述步骤2)中选用直径3组直径逐渐减小的拉丝模具依次对第一微丝进行冷拉拔工艺处理；定义3组直径逐渐减小的拉丝模具依次为第一模具、第二模具和第三模具，第一模具的直径为k1d、第二模具的直径为k2d、第三模具的直径为k3d，则k1的取值范围为0.96～0.98，k2的取值范围为0.94～0.96，k3的取值范围为0.93～0.95。

进一步的，定义步骤2)中拉丝模具压缩区的锥角为α，α的取值范围为18°～30°，大角度拉丝模具有助于提高局部区域的应变量，提高非晶区域的形成比例。

进一步的，所述步骤3)中采用管式炉等离子渗氮工艺对第二微丝进行渗氮处理，该工艺的渗氮效率高，容易在较低温度下完成渗氮处理。