记忆合金材料加工性研究及其在星载领域的应用

2018-09-20申志刚

机械制造 2018年4期

□ 申志刚

南京电子技术研究所南京 210039

1 记忆合金材料概述

顾名思义，记忆合金材料具有形状记忆效应［1-2］。当前，记忆合金材料在我国工程、民用和医用等领域的应用已相当广泛，但与发达国家相比，我国在原材料制备、技术含量等方面尚存不小的差距。同时，我国对记忆合金材料加工性能方面的研究也不够深入，这直接限制了记忆合金材料进一步在航空航天及军工高端工程领域的应用。

根据目前报道，记忆合金材料在航空航天领域的应用主要包括可展开天线、特种管接头、非火工分离机构、超弹性防松构件和智能结构控制件等。笔者所在单位在星载合成孔径雷达等产品研制中，发现记忆合金材料在星载雷达天线的在轨热控制、主动精度控制应用方面具有巨大优势，具体包括可展开天线驱动机构、展开机构、分离机构、网面精度调整机构等。

材料应用首先面临的是加工性问题，良好的机加工、焊接等性能可以为结构设计师提供较大的设计空间。根据现状调研，在记忆合金材料的制备加工方面，目前医用、民用产品已较为成熟，相应的原料制备冶炼、半成品和成品加工等技术已相对完善。在原理研究方面，对记忆合金材料基本记忆效应的研究已具备一定基础，关于合金内部组织成分和晶体结构等对材料转变温度、记忆效应变形等的影响，研究也在深入开展［3-4］。

针对记忆合金材料在可展开天线在轨精度控制方面的应用，研究记忆合金材料的材料特性和加工性能，包括材料的熔炼制备、冷热成型、切削加工性、可焊接性等，获取这些工艺信息对各种机构的结构设计，以及加工工艺方式和参数的选择具有指导意义。

2 记忆合金材料基本特性

记忆合金材料的形状记忆效应于1963年由美国海军军械实验室首次发现。在传统材料的弹塑性变形和热变形之外，记忆合金材料具备与上述变形都不同，而与记忆相关的变形特性，具有在一定的转变温度下记忆并恢复至母相时形状的能力。形状记忆效应主要有三种：单程记忆效应、双程记忆效应和超弹性效应。根据不同的温度和应力状况，三种效应会单独或同时出现。形状记忆效应的实质是热弹性马氏体的转变，通常这种转变与冷却时间及原子扩散没有依赖关系。形状记忆效应是否能够显现还取决于合金化学成分、晶体结构参数及显微组织。

目前发现的记忆合金材料很多，但其中大多数并不能满足工业应用的需求，主要可使用的记忆合金材料有钛镍系、铜基和铁基。通过对转变温度、最大单双程记忆效应和最大弹性变形等的比较，钛镍系记忆合金材料拥有最适宜的转变温度范围和最佳的形状记忆效应，目前得到了最广泛的研究和应用［5］。

表1给出了一种典型钛镍系记忆合金材料的主要性能。

3 记忆合金材料在星载领域的应用

记忆合金材料问世后，受到了广泛关注和应用，其中钛镍系记忆合金材料因具有优异的形状记忆效应和超弹性，加之比强度高、抗腐蚀和生物相容性好等特点，广泛应用于航空航天、电子、能源、民用和医疗器械等领域。

表1 钛镍系记忆合金材料主要性能

记忆合金材料在航空航天领域的应用主要包括可展开天线、管接头、非火工分离机构、超弹性防松构件和智能结构控制件［5］。1969年，钛镍系记忆合金材料管接头用于F-14飞机油路连接系统［6］，此种管道连接方式安全、可靠、快捷，远胜于焊接。钛镍系记忆合金材料管接头最大直径可达150 mm，可用于海底管道。在航天领域，美国在1970年首先将钛镍系记忆合金材料用于制造阿波罗宇宙飞船的天线，天线发射前折成直径5 cm的球状，飞船进入太空后，通过加热将钛镍系记忆合金丝升温至转变温度，天线恢复展开为原先设定的抛物面形状。

笔者以下从无动力驱动器、分离机构介绍记忆合金材料在星载领域的典型应用［7］。

3.1 无动力驱动器

记忆合金材料在形状恢复过程中会产生巨大的力，能量密度高，可作为驱动机构的动力源。将记忆合金材料制作成随温度变化的自适应无动力驱动器，适用于开启、闭合这样的简单动作场合。记忆合金材料无动力驱动器在航空航天领域已取得实际应用，如“火星探路者”号太空船测试单元防护罩的打开动作器、驱动卫星的太阳能帆板等［8］。

记忆合金材料无动力驱动器与磁致伸缩驱动器、压电驱动器相比较，具有很多优点，如因强变形能力而具备较大驱动行程，因高工作和断裂应力而可用于强度要求高的驱动元件和结构，高能量密度和材料强度可提供较大驱动力等。记忆合金材料无动力驱动器的主要缺点是工作频率较低，目前最高工作频率只能达到4 Hz，提高记忆合金材料的响应频率是拓展其应用前景的一个重要研究方向。

当前在航天应用中，无动力驱动器的质量大，价格高昂，且需维护。而理想的无动力驱动器应当具有能量密度高、不受自带大能量源影响、价格便宜等优点。太空中太阳辐射能量充足，因此使用太阳能的记忆合金材料无动力驱动器具有很大应用前景。新型太阳能记忆合金材料无动力驱动器可以直接利用太阳辐射能来改变温度场，利用记忆合金材料的相变记忆效应，获得所需的驱动力和位移量［9］。图1所示为太阳能记忆合金材料无动力驱动器。

▲图1 太阳能记忆合金材料无动力驱动器

3.2 分离机构

记忆合金材料在航天器分离机构等场合因自身所具有的可重复使用和低冲击优点而受到青睐。美国研制的记忆合金材料作动器成功解决了响应速度慢的问题，已在卫星的分离机构上得以应用［10］。目前，国内也开始进行此方面的研究，一些产品已进入工程验证阶段，记忆合金材料作动器未来在小微型航天飞行器分离机构上有广阔的应用前景。

图2所示是一种可替代爆炸螺栓的连接螺栓分离机构。连接螺栓分离部位预先进行削弱处理，螺栓穿过记忆合金管中心。记忆合金管外有绝热层和加热装置，通电对记忆合金管加热，在达到转变温度后，记忆合金管伸长产生应力，使螺栓在分离点断裂。这一分离机构曾用于卫星太阳帆板的展开机构。

▲图2 连接螺栓分离机构

直接采用记忆合金材料分离机构的缺点是作用时间长、供电功率大，因此记忆合金丝和记忆合金弹簧的应用成为了重点。图3所示为采用了记忆合金弹簧的分离螺母，由于采用了复位弹簧，分离螺母不需要拆卸即可多次重复使用。图4所示为记忆合金材料无冲击螺母，采用记忆合金丝作为触发元件，利用内部的飞轮装置储能，工作时通过飞轮旋转释放机构，分离冲击力很小。无冲击螺母分离机构曾于2000年成功用于太空船释放。

4 记忆合金材料的加工性能

记忆合金材料有较大应用潜力，其加工性能需要重点研究。可加工制造出何种形状和复杂程度的结构制件，以及加工制造可实现的难易程度和成本因素，是某种材料能否取得工程实际应用的关键。

毛坯件形状直接影响最终零件的加工制造，合理地选择不同形状的毛坯件匹配不同结构的零件，不但使加工制造方便、简捷，而且能充分发挥记忆合金材料的特性［11］。常用记忆合金材料毛坯件形状可分为丝状、棒状和带状等。记忆合金丝材结构简单，可充分利用材料，并具有较小的截面，制造成本经济，且适用范围广，因此尤其适用于驱动器。棒状、梁状、带状等记忆合金材料作为补充，可满足各种不同的需求。

4.1 熔炼制备

目前工程应用的钛镍系记忆合金材料均采取熔炼法制备。以钛和镍两种合金成分为主，形成钛镍系金属间化合物，可通过添加少量的铁、钴、铜合金元素，调节其相变温度范围。

▲图3 分离螺母

▲图4 无冲击螺母

熔炼工艺是获得合金成分均匀、材质优良的关键。真空感应一次熔炼工艺成本最低，但杂质碳含量最高。真空自耗加真空感应重熔工艺碳含量引入小，铸锭质量较好，但炉容量较小，限制了批量生产。真空凝壳加真空自耗重熔工艺成分均匀，没有碳引入，且两次熔炼具有成分的可调性，便于获得理想的合金组成，适合工业规模生产。真空凝壳一次熔炼工艺是一种速度快但有待开发和完善的钛镍系记忆合金材料生产新工艺，可直接精铸为热轧坯料，省去铸锭开坯工序，有利于提高成材率，降低成本［12］。上述四种熔炼工艺是当今国内外钛镍系记忆合金材料生产的主要方法。

4.2 压力成型加工

由于钛镍系记忆合金材料冷加工性能较差，易加工硬化，因此必须严格控制加工变形量以防止材料发生断裂。热加工是目前钛镍系记忆合金材料压力成型的主要方法，加热压力成型的关键在于温度、变形速度和变形程度的合理控制。以最常见的丝材、棒材和板材的成型加工为例，一般均以热加工为粗加工手段，中间退火热处理，然后再经过冷轧或冷拔精加工成型，这样既可以获得较高的加工效率，又可以获得良好的最终加工表面质量。

除丝材、棒材成型和板材成型外，记忆合金带材的轧制目前多采用可逆式温轧机进行，其工艺实施的关键在于与合金连接可靠的牵引带及其所施加的合适张力。自由锻一般适用于小型制件的毛坯制备，热模锻造的生产效率高，另外通过控制温度、挤压速度，合理选择润滑剂，可以获得较高的加工精度。

4.3 机械加工

实际使用的机械零件，其质量和精度要求高，一般需经机械加工才能达到，如记忆合金管接头就需要通过精密机械加工。记忆合金材料由于导热系数小，仅为45号钢的1/9，因此切削加工时切削热难以快速导出，切削区温度较高，导致刀具磨损快，刀具不耐用。可以通过优选刀具材料、切削参数和冷却方式来改善切削性能，例如，可以使用具备特殊表面镀层处理的硬质合金刀具来提高刀具的耐用性，选用高速铣削方式来减少切削热的积累，减小加工变形。同时，切削液和冷却方式的选择也是关键因素，微量润滑冷却技术在记忆合金材料的加工性能改善方面效果较好。铜基记忆合金材料相比钛镍系记忆合金材料，脆性更强，在进给速度、切削深度等切削参数的选择上应进行区别。

4.4 焊接

当前记忆合金零件主要为丝、片和弹簧等简单结构零件，将其焊接成更复杂的形状，可大大拓展应用范围。记忆合金材料的焊接，除应满足一般焊接的低缺陷率和焊缝力学性能要求外，还必须保证形状记忆的功能要求，因此比一般材料的焊接工艺难度大、受限多［13］。

记忆合金材料的焊接方法，如等离子束流焊、氩弧焊、惰性气体保护钨极电弧焊、扩散焊、电阻焊、激光焊等，在国内外文献中已有报道。其中，激光焊具有能量高度集中、焊缝热影响区小、焊接变形小等诸多优势，可实现良好的成形焊缝和较高的焊接质量，非常适合焊接记忆合金材料［14］。记忆合金材料由于在延伸率方面与普通金属差别较大，因此与其它金属的焊接性差，目前的研究也主要是同种材料的焊接，对于记忆合金材料与异种材料焊接的研究则较少。