金属加工技术拓展高性能合金的应用Metalworking Techniques Unlock a Unique Alloy

金属加工技术拓展高性能合金的应用
Metalworking Techniques Unlock a Unique Alloy

镍钛合金60应用于国际空间站上的水处理系统

半个多世纪以前，美国海军军械实验室发现了一种性能优异的合金材料——镍钛合金60。该合金材料含60%镍和40%钛，能够耐受飞行器再入大气层时的严酷环境，可用于制造火箭的鼻锥。之后，海军军械实验室在火箭和地雷探测器等领域中对该合金材料进行了多次试验。试验结果表明，该合金材料的加工非常困难，不具备实用价值。

最后，海军军械实验室在发表了该项研究成果后，放弃了对该合金材料的应用研究。虽然从那时起，镍钛合金60已被业界所熟知，但在接下来的50多年里对该材料的研究一直处于沉睡状态，直到一位滚珠轴承工程师与美国国家航空航天局（NASA）技术专家合作找出了一种简单的方法，可将其加工成有用的部件。否则，镍钛合金60的应用潜力可能还要继续被埋没。

2000年，位于美国康涅狄格州西哈特福市的艾伯特•鲍尔（Abbot Ball）公司的工程师Glenn Glennon认为，镍钛合金60可能是解决长期困扰滚珠轴承行业的一个问题的有效方案。他说：“通常情况下，轴承都是由硬度较高的不锈钢制作而成的。但不锈钢的成本很高，且不能够长期耐受腐蚀环境的侵蚀。经过了解，我们认为，这种状况可能可通过使用性能更好的镍钛合金60来改变。”

然而，Abbot Ball公司是一家小企业，没有充足的资源开展这项研发工作，因此，Glenn Glennon独自承担了大量的研究工作。在研究过程中，为了推动镍钛合金60的应用技术研究，他向NASA格伦研究中心寻求帮助，但是最初遭到了回绝。格伦研究中心的高级技术专家Christopher DellaCorte说：“由于多种原因，我对开展镍钛合金60测试的想法一点都不感兴趣。首先，我们不愿做类似于对产品进行认证的事情。另外，我对将镍钛合金60用作轴承材料的想法也持怀疑态度，因为该材料中含有大量的钛。钛凭借较高的强度和轻质特性在航天工程领域备受青睐，但由于钛具有较高的反应活性，油性润滑剂应用于钛部件时很快就会分解，导致较为严重的磨损。”面对这种情况，Glenn Glennon仍坚持镍钛合金60在轴承中具有特殊应用前景，并强调不会利用NASA的参与和支持开展宣传。这种执着最终打动了Christopher DellaCorte。最后双方约定，如果Abbott Ball公司能够提供小部分的零件，格伦研究中心就将为其提供一系列的标准测试。

将镍钛合金60加工制造成高质量零件是其应用首先要克服的难题。此前，Abbott Ball公司一直采用铸造成形技术，但这种制造工艺非常粗糙，不仅不能制造出足够光滑的轴承滚珠，而且钛一旦融化，就非常容易吸收碳或氧等污染物，最终导致产品产生缺陷。Christopher DellaCorte建议Abbott Ball公司采用粉末冶金技术。通过粉末冶金，粉末状的材料粒子相结合，压缩在容器中，然后将混合物加热至接近材料熔点的温度，混合物中的原子相互扩散以固态形式结合。粉末冶金不仅能够降低产品制造的温度，还能够减少污染物，避免对合金材料的性能产生影响。通过此方法，Abbott Ball公司制作出了光滑的滚珠轴承。NASA格伦研究中心的技术专家对这些样品进行了测试。测试结果表明，镍钛合金60拥有轴承材料所需的所有强度性能，以及良好的耐腐蚀性能和润滑性能，性能可与最好的轴承钢相媲美。

Glenn Glennon复兴镍钛合金60的努力最终取得了成效。Abbott Ball公司与格伦研究中心合作，进一步优化了镍钛合金60的粉末冶金加工工艺，并共同申请了专利。

轴承材料需具有硬度高、耐腐蚀、重量轻、无磁性或弹性大等特性，而这些特性通常不能同时获得，因此，工程师在为特殊应用选择轴承时需要综合考虑多种因素，对某些性能进行折中考虑。而镍钛合金60拥有所要求的全部特性，是制造轴承的理想材料。不过，镍钛合金60的生产成本较高，因此，目前主要应用于航天领域，应用市场较小。Abbott Ball公司正在为新产品开拓其它应用领域，如利用该材料的硬度和耐腐蚀性制作厨房刀具等。美国海军已授出了2项小企业创新研究（SBIR）计划合同，共同探讨该材料在多种国防部件中的应用。同时，Abbott Ball公司还在探索镍钛合金60在手术刀等医疗器械中的应用。

格伦研究中心的工程师也在不断测试和改进该合金材料，并已申请了几项专利技术。例如，工程师通过在该合金材料中添加少量其它成分，在不影响其质量性能的前提下降低了加工温度，提高了加工性能。格伦研究中心还与Abbott Ball公司合作为国际空间站的污水处理系统提供了采用镍钛合金60制造的轴承。

从某种意义上来说，格伦研究中心与Abbott Ball公司的合作，造就了镍钛合金60在太空和地球上应用的光明前景。Glenn Glennon非常感谢Abbott Ball公司在没有任何确定回报的情况下对此项目的资金支持。而Christopher DellaCorte则希望人们能记得，正是Glenn Glennon的执着，才使镍钛合金60在沉睡50多年后获得了成功应用。 (甜 译)

▲ 镍钛合金60可用于制造滚珠轴承