李越，李志永，柴明霞，宋山，黃朝霞，張杰翔

（山東理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，山東 淄博 255049）

我國(guó)老年人口比例越來(lái)越大，老年人是心血管疾病的高發(fā)人群[1]，對(duì)血管支架的需求量不斷提升。鎳鈦合金因具有密度低、無(wú)磁性等功能而成為血管支架的首選材料[2-4]。但支架在植入人體后會(huì)受到不同程度的腐蝕，較差的表面質(zhì)量會(huì)影響其使用性能，較低的表面粗糙度有利于提高血液相容性[5]。但鎳鈦合金管在成形加工過(guò)程中，表面質(zhì)量和粗糙度都難以滿足使用要求，并且會(huì)產(chǎn)生殘余應(yīng)力，影響鎳鈦合金管的疲勞強(qiáng)度，進(jìn)而影響其服役壽命。故通過(guò)電解拋光降低鎳鈦合金的表面粗糙度和殘余應(yīng)力，對(duì)于鎳鈦合金能否滿足作為支架材料的要求具有重要的參考意義。

Palmaz等[6]的研究表明，未經(jīng)拋光的鎳鈦合金植入血管后，內(nèi)壁和鎳鈦合金之間的相對(duì)移動(dòng)增大了2倍以上。黃朝霞等[7]研究了電解拋光對(duì)鎳鈦合金表面粗糙度的影響，發(fā)現(xiàn)拋光后鎳鈦合金表面粗糙度最低可降至51.1 nm。近5年內(nèi)國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)電解拋光鎳鈦合金的研究較少，且鎳鈦合金管的表面粗糙度很難降到80 nm以下[8-9]，而國(guó)外最新研究成果已突破30 nm[10]。A.Schiavone等[11]研究了鎳鈦合金管在前期成形加工中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力對(duì)支架服役性能的影響，發(fā)現(xiàn)表面殘余壓應(yīng)力的存在使支架的力學(xué)性能更穩(wěn)定，且金屬表面殘余壓應(yīng)力較高時(shí)，抗疲勞強(qiáng)度也會(huì)提高[12]。本文采用自主設(shè)計(jì)的電解拋光裝置，選用高氯酸-冰醋酸體系對(duì)鎳鈦合金管電解拋光，探究了拋光時(shí)間和電流密度對(duì)鎳鈦合金管表面粗糙度、表面形貌和殘余應(yīng)力的影響，以獲得合適的電解拋光參數(shù)，提高拋光效果。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 電解拋光工藝

選用江陰法爾勝佩爾新材料科技有限公司生產(chǎn)的鎳鈦合金(Ti的原子分?jǐn)?shù)為44.7%)管(見(jiàn)圖1)，外徑2.6 mm，內(nèi)徑2.2 mm，表面粗糙度(Ra)1.5 μm。電解拋光前采用600#至2000#砂紙逐級(jí)打磨，再依次用丙酮、去離子水超聲清洗，干燥后密封備用[13]。

圖1 鎳鈦合金管 Figure 1 Ni-Ti alloy tubes to be electropolished

圖2是電解拋光裝置，采用無(wú)錫安耐斯電子科技有限公司生產(chǎn)的MS1003D型直流穩(wěn)壓電源。基于前期試驗(yàn)結(jié)果[13]，選用體積比為1∶18的高氯酸-冰醋酸體系作為電解拋光基液。采用304不銹鋼管作為陰極，鎳鈦合金管外壁為陽(yáng)極進(jìn)行電解拋光，拋光溫度25 °C，拋光間隙15 mm，電流密度0.75～1.75 A/cm2，拋光時(shí)間60～120 s。電解完畢，用丙酮、無(wú)水乙醇和蒸餾水分別超聲清洗10min，最后用吹風(fēng)機(jī)吹干。

圖2 電解拋光裝置示意圖 Figure 2 Sketch of electropolishing device

1.2 性能檢測(cè)

采用德國(guó)Micro XAM-100型白光干涉儀測(cè)量鎳鈦合金管的表面粗糙度。采用德國(guó)Axio Scope A1金相顯微鏡分析表面形貌。采用芬蘭Stresstech Xstress 3000 G2R殘余應(yīng)力儀測(cè)量殘余應(yīng)力，以鎳原子作為測(cè)量對(duì)象，靶材為Cr靶，具體參數(shù)為：工作電壓30 kV，工作電流7 mA，曝光時(shí)間60 s，泊松比0.31，彈性模量212 GPa，2θ= 133.7°，米勒指數(shù)220，Ψ角± 40°，Ψ搖擺角± 5°。殘余應(yīng)力為正值代表殘余拉應(yīng)力，負(fù)值代表殘余壓應(yīng)力。

2 結(jié)果與討論

2.1 拋光時(shí)間和電流密度對(duì)表面粗糙度的影響

拋光后的表面質(zhì)量與拋光時(shí)間密切相關(guān)。拋光時(shí)間過(guò)長(zhǎng)會(huì)導(dǎo)致工件被過(guò)度拋光而損壞；拋光時(shí)間不足，則表面粗糙的金屬層未能被完全去除，拋光效果不佳。電流密度同樣對(duì)拋光后的表面質(zhì)量有重要影響。當(dāng)電流密度過(guò)低時(shí)，鎳鈦合金表面始終處于溶解狀態(tài)，拋光后的殘?jiān)貌坏娇焖偃コ?，?dǎo)致表面粗糙度較大；當(dāng)電流密度過(guò)高時(shí)，反應(yīng)劇烈，表面析出較多氣體，氣體析出過(guò)程中會(huì)使局部拋光液流動(dòng)不均，進(jìn)而導(dǎo)致拋光不均，達(dá)不到理想效果。

從圖3a可知，在電流密度1.15 A/cm2下電解拋光時(shí)，鎳鈦合金管的Ra隨著拋光時(shí)間的延長(zhǎng)呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)。電解拋光90 s時(shí)鎳鈦合金管的Ra最小，為53.8 nm。如圖3b所示，在不同電流密度下電解拋光90 s時(shí)，隨電流密度增大，鎳鈦合金管的Ra也呈現(xiàn)先降低后增大的趨勢(shì)。當(dāng)電流密度為1.15 A/cm2時(shí)，Ra最小。

圖3 拋光時(shí)間(a)和電流密度(b)對(duì)鎳鈦合金管表面粗糙度的影響 Figure 3 Effects of electropolishing time (a)and current density (b)on roughness of Ni-Ti alloy tube surface

2.2 拋光時(shí)間和電流密度對(duì)表面形貌的影響

從圖4可知，拋光時(shí)間過(guò)短或過(guò)長(zhǎng)都不能獲得較好的表面形貌。拋光60 s時(shí)，鎳鈦合金管表面有部分氧化膜殘留及未完全溶解的凸起。隨著拋光時(shí)間從60 s延長(zhǎng)到90 s時(shí)，鎳鈦合金管表面凹坑逐漸減?。划?dāng)拋光時(shí)間為90 s時(shí)效果最好，表面平整光亮，凹坑最少。繼續(xù)延長(zhǎng)拋光時(shí)間，鎳鈦合金表面的凹坑逐漸增大，表面形貌變差。當(dāng)拋光120 s時(shí)，由于拋光時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，鎳鈦合金表面出現(xiàn)過(guò)腐蝕甚至損壞現(xiàn)象，未達(dá)到預(yù)期的效果。

圖4 在電流密度1.15 A/cm2下拋光不同時(shí)間后鎳鈦合金管的表面形貌 Figure 4 Surface morphologies of Ni-Ti alloy tube after being electropolished at a current density of 1.15 A/cm2 for different time

如圖5所示，電流密度為0.75 A/cm2時(shí)，鎳鈦合金管表面粗糙，并伴有許多較小的凸起。這是因?yàn)殡娏髅芏容^低時(shí)，鎳鈦合金表面處于活化狀態(tài)，無(wú)法均勻溶解，造成凸起等缺陷，整體暗淡無(wú)光。隨著電流密度的增大，鎳鈦合金管的表面形貌逐漸改善。當(dāng)電流密度為1.15 A/cm2時(shí)，鎳鈦合金管表面凸起等缺陷大幅減少，表面形貌最佳，整體光亮。繼續(xù)增大電流密度，鎳鈦合金表面出現(xiàn)拋光過(guò)度的跡象，形貌變差。當(dāng)電流密度為1.75 A/cm2時(shí)，鎳鈦合金表面出現(xiàn)若干小孔，過(guò)度拋光現(xiàn)象嚴(yán)重。

圖5 在不同電流密度下拋光90 s后鎳鈦合金管的表面形貌 Figure 5 Surface morphologies of Ni-Ti alloy tube after being electropolished at different current densities for 90 seconds

2.3 拋光時(shí)間和電流密度對(duì)殘余應(yīng)力分布的影響

在試樣表面選取便于測(cè)量的最高點(diǎn)，采用X射線衍射儀測(cè)量殘余應(yīng)力，結(jié)果見(jiàn)圖6。

圖6 拋光時(shí)間(a)和電流密度(b)對(duì)鎳鈦合金管表面殘余應(yīng)力的影響 Figure 6 Effects of electropolishing time (a)and current density (b)on residual stress of Ni-Ti alloy tube surface

從圖6a可知，在電流密度為1.15 A/cm2時(shí)，隨拋光時(shí)間延長(zhǎng)，鎳鈦合金表面的殘余壓應(yīng)力呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。電解拋光90 s時(shí)，鎳鈦合金的殘余壓應(yīng)力最高，為175.8 MPa。拋光時(shí)間超過(guò)90 s時(shí)，殘余壓應(yīng)力逐漸減小，最后變?yōu)闅堄嗬瓚?yīng)力。究其原因，在電解拋光的開(kāi)始階段，鎳鈦合金管表面附著氧化膜，殘余應(yīng)力變化并不明顯，拋光時(shí)間從80 s延長(zhǎng)到90 s時(shí)，鎳鈦合金管表面的凹坑減小，不規(guī)則排列的鎳原子金屬層顯現(xiàn)出來(lái)，殘余應(yīng)力顯著增大，使得鎳鈦合金管具有較高的疲勞強(qiáng)度，提升了鎳鈦合金的表面力學(xué)性能；繼續(xù)延長(zhǎng)拋光時(shí)間，殘余壓應(yīng)力減小，進(jìn)而導(dǎo)致鎳鈦合金管的疲勞強(qiáng)度降低。可見(jiàn)拋光時(shí)間為90 s時(shí)，鎳鈦合金管可獲得最大殘余壓應(yīng)力狀態(tài)的表面。

如圖6b所示，在電解拋光90 s的情況下，隨電流密度增大，鎳鈦合金管的表面殘余壓應(yīng)力也呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。當(dāng)電流密度增大到1.15 A/cm2時(shí)，鎳鈦合金管的殘余壓應(yīng)力最高。繼續(xù)增大電流密度，殘余壓應(yīng)力逐漸減小至61.1 MPa。究其原因，當(dāng)電流密度超過(guò)1.15 A/cm2時(shí)，拋光電流強(qiáng)度過(guò)大導(dǎo)致拋光過(guò)腐蝕現(xiàn)象，不規(guī)則排列的鎳原子金屬層逐漸被蝕除，鎳鈦合金管的表面殘余壓應(yīng)力相應(yīng)減小。

3 結(jié)論

在拋光溫度25 °C、拋光間隙15 mm、電流密度1.15 A/cm2的條件下拋光90 s時(shí)，鎳鈦合金管表面粗糙度Ra降為53.8 nm，拋光效果最佳，表面質(zhì)量最好，同時(shí)表面殘余壓應(yīng)力達(dá)到最大的175.8 MPa，疲勞強(qiáng)度得到了有效提高。