极间距和抛光液温度对镍钛合金管电解抛光的影响

2021-09-17李越李志永柴明霞宋山黄朝霞

电镀与涂饰 2021年16期

李越，李志永，柴明霞，宋山，黄朝霞

（山东理工大学机械工程学院，山东淄博 255049）

心血管疾病作为头号健康杀手，其患病率和死亡率居高不下，对其治疗手段的研究越来越受到重视。介入手术具有对人体损伤小、安全性高、治疗效果好等优点，广受医生及研发人员的青睐。镍钛合金具有超弹性和良好的生物相容性，常被用作介入手术的首选材料[1-2]。但镍钛合金管需经过激光切割、电解抛光等一系列处理方可植入人体。表面残余压应力的存在有利于提高镍钛合金管的疲劳强度[3]，较低的表面粗粗度则可提高人体与血管内壁的接触稳定性[4]。因此，通过电解抛光来降低工件表面粗糙度和增大残余压应力对于增强镍钛合金管植入人体的稳定性有重要意义。

电解抛光的主要影响因素有极间距、抛光液温度、电流密度、抛光时间、电解液成分等。现有文献报道主要集中于研究上述因素对镍钛合金管电解抛光的影响，有关电化学抛光装置的研究却鲜少报道，往往存在装置制作繁琐、成本高等缺点[5]。前期已经研究了电流密度和抛光时间对镍钛合金管电解抛光的影响，发现合适的电流密度和抛光时间对改善工件表面质量起到积极的效果。本文采用自制抛光装置对镍钛合金管进行电解抛光，选用高氯酸−冰醋酸基液，主要研究了极间距和抛光液温度对抛光后镍钛合金管表面粗糙度、表面形貌和残余应力的影响，以寻求较优的电解抛光参数，得到表面性能更好的镍钛合金。

1 实验

1.1 工件的准备

选用Ti51.75Ni48.25(下标的数值表示原子分数)镍钛合金管，外径2.6 mm，壁厚0.2 mm，长度10 mm，初始外表面粗糙度1.5 μm，表面残余压应力60 MPa。在电化学抛光前，先用体积比为5∶10∶35∶10的氢氟酸、盐酸、硝酸和水的混合溶液超声清洗30 s，以去除镍钛合金管表面杂质，再用去离子水进行超声清洗2 min。用镊子夹出，小功率吹风机吹干后放入密封盒中。

1.2 电化学抛光装置

电解抛光装置如图1所示，主要包含了RKS3003D型直流稳压电源(美瑞克公司)、85-2WS型加热型磁力搅拌器(沪析公司)和电解液循环系统。以镍钛合金管作为阳极，内径为22.6、28.6、32.6、38.6、42.6、48.6或52.6 mm的不锈钢管作为阴极。

图1 电化学抛光装置示意图Figure 1 Schematic diagram of electrochemical polishing device

1.3 电化学抛光液的组成和工艺参数

电解抛光基液是体积比为1∶18的高氯酸和冰醋酸混合液，以9 mL/L三乙醇胺作为添加剂。工艺条件为：电流密度(JA)1.35 A/cm2，抛光时间(t)90 s，温度(θ)10 ~ 35 °C，极间距(d)10 ~ 25 mm。

1.4 性能检测

采用FEI Quanta250场发射环境扫描电镜(FESEM)观察镍钛合金管外表面的微观形貌。采用OPTELICS C130型激光共聚焦显微镜(CLSM)测量镍钛合金管外表面的粗糙度(Ra)。

采用芬兰Stresstech Xstress 3000 G2R残余应力仪测量镍钛合金管的残余应力，有效待测对象为镍原子，测量靶材为Cr靶。具体测量参数如下：工作电压30 kV，曝光时间60 s，工作电流7 mA，泊松比0.31，弹性模量212 GPa，2θ角133.7°，米勒指数220，Ψ角±40°，Ψ摇摆角±5°。残余应力为正值代表残余拉应力，负值代表残余压应力。

2 结果与讨论

2.1 极间距和抛光液温度对表面粗糙度的影响

由图2a可知，当温度为25 °C时，随极间距从10 mm增大到15 mm，镍钛合金管的表面粗糙度显著下降。极间距为15 mm时，工件表面粗糙度降至54.8 nm。继续增大极间距，镍钛合金管的表面粗糙度反而上升。由图2b可知，在极间距为15 mm时，随抛光液温度升高，镍钛合金管的表面粗糙度呈先减小后增大的趋势。当抛光液温度为25 °C时，镍钛合金管外表面的粗糙度最小。

图2 极间距(a)和温度(b)对镍钛合金管表面粗糙度的影响Figure 2 Effects of interelectrode distance (a) and temperature (b) on surface roughness of Ni–Ti alloy tube

2.2 极间距和抛光液温度对表面形貌的影响

由图3可以看出，极间距过小(10 mm)时，电解液中金属阳离子的自由运动受到限制，不能进行快速扩散，导致抛光过程迟缓，氧化膜和表面杂质难以去除。适当增大极间距时，镍钛合金管表面的突起减少，平整性得到改善。极间距为15 mm时，镍钛合金管表面光亮、整洁，电蚀坑和突起最少。继续增大极间距，电压保持不变，但电解液中的电流密度会下降，抛光效果不佳。

图3 在不同极间距下抛光后钛合金管的表面形貌(温度25 °C)Figure 3 Surface morphologies of Ni–Ti alloy tube after being electropolished at 25 °C and different interelectrode distances

由图4可知，随着抛光液温度升高，镍钛合金管的表面质量先变好后变差。究其原因为：温度较低时，电解液的流动性较差，镍钛合金管表面的电极反应缓慢，镍钛合金管表面的氧化膜难以去除，导致抛光不均。抛光液温度升高时，电解液的黏度降低，有利于金属阳离子电解后的游离扩散，促进了抛光的进行，改善了镍钛合金管的表面质量。温度过高时，析氧现象加剧，使得镍钛合金管表面蚀除过快，从而导致表面去除速率分布不均，出现许多沟槽，抛光效果不好。

图4 在不同温度下抛光后钛合金管的表面形貌(极间距15 mm)Figure 4 Surface morphologies of Ni–Ti alloy tube after being electropolished at different temperatures and an interelectrode distances of 15 mm

2.3 极间距和抛光液温度对残余应力分布的影响

从图5a可知，温度为25 °C时，随极间距增大，镍钛合金管表面残余压应力呈现先增大后减小的趋势。当极间距为15 mm时，残余压应力最大，为191.7 MPa。分析原因为极间距较小时，电解液流动慢，抛光速率低，镍钛合金管表面的氧化膜难以去除，残余应力与抛光前的−60 MPa相比变化不大。增大极间距，抛光速率稳步提升，电解使得镍钛合金管表面金属层得以稳步去除。由于不同深度金属层的镍原子排列规则不同[6]，而镍原子的排列规则与残余应力的大小直接相关，因此镍钛合金的残余压应力变大，抗疲劳强度升高。继续增大极间距，电解液中的电流密度变小，残余压应力同时减小，镍钛合金的抗疲劳强度降低。可见，当极间距为15 mm时，可以获得抗疲劳强度高的工件表面。

从图5b可知，极间距为15 mm时，随着抛光液温度升高，镍钛合金管的表面残余压应力呈现先增大后减小的趋势。当抛光液温度为25 °C时，工件表面的残余压应力达到最大。究其原因：抛光液温度的变化影响电解液的流动性和阳离子的活动速率。温度过低，电解液流动慢，电解反应慢；温度过高，反应剧烈，导致产生抛光过腐蚀现象，工件表面质量变差。