350 μm镍钛丝的微电阻对接焊接：微观结构演变、原子级键合机制及功能保持性

《Materials Science and Engineering: A》：Micro-resistance butt welding of 350 μm NiTi wires: Microstructural evolution, atomic-scale bonding mechanisms, and functional retention

　　

陈彦飞|徐荣|朱正强|艾凡荣|M. 阿米尔·西迪克|李柯|胡洛宾|王志刚

摘要

功能梯度特性（柔软的远端尖端和坚固的近端杆部）对于高性能神经介入导丝而言至关重要，但通过传统无心磨削实现这种机械梯度会受到微观尺度加工不稳定性的限制。本研究成功开发了一种微电阻对焊工艺，用于连接直径为350微米的镍钛合金丝，同时系统研究了相关的界面结合机制及微观结构演变过程。光学显微镜和电子背散射衍射分析显示，界面处形成了致密的冶金结合。与基体金属的晶粒尺寸（4.89微米）相比，热影响区的晶粒明显粗化（平均尺寸为9.68微米），而熔合区由于局部凝固不均，晶粒尺寸存在较大差异（2-8微米）。透射电子显微镜和高分辨率透射电子显微镜分析表明，接头主要由B2奥氏体构成，仅有少量（约1.2%）因应力作用产生的B19’马氏体。在晶界处仅观察到微量纳米级镍钛沉淀物（约50纳米），这说明微电阻对焊的快速热循环有效抑制了粗大脆性金属间相的形成。原子级成像进一步显示，界面局部区域通过具有特定晶格失配的低指数面（如(100)_B2//(110)_B2）实现了稳定结合，从而降低了界面能。拉伸试验表明，焊接后的接头保持了基体金属75.7%的极限强度（796.28±36.25兆帕，相对强度为11.34±0.25%），并且仍保持了关键的超弹性平台期（565.34±3.69兆帕），断裂发生在马氏体的解缠阶段。这项研究证明了微电阻对焊用于连接超细镍钛合金丝的可行性，为开发先进的神经介入装置奠定了初步的制造基础。

引言

随着微创医疗技术的快速发展，神经介入手术已成为治疗脑血管疾病（如脑动脉瘤和急性缺血性中风）的主要方法[1]、[2]。在这些手术中，神经介入导丝是建立血管通路和导航路径的关键器械，其物理性能直接影响手术的安全性和操作灵活性^[3]。为了在极其曲折、直径较小且较为脆弱的脑血管中安全导航，导丝必须具备出色的远端柔韧性和抗扭性，以尽量减少对血管的损伤[3]、[4]。同时，导丝的近端杆部则需要保持足够的刚度和推力，以确保精确控制并高效传递力量。镍钛合金因其独特的非线性超弹性、形状记忆效应以及优异的生物相容性，已成为制造介入导丝核心材料的理想选择[2]、[4]。

然而，在一根完整的镍钛合金丝中实现从高近端刚度到高远端柔韧性的显著性能梯度，是一项重大的制造挑战^[5]。传统无心磨削可以通过几何渐变来调节局部弯曲刚度。但是，在对直径小于300微米、长度超过150厘米的超细丝材进行磨削时，常常会出现径向颤振现象，从而导致表面缺陷、尺寸偏差以及大量材料浪费^[6]。因此，微连接技术成为克服这些瓶颈的重要手段。通过将经过不同热处理工艺（如冷加工和完全退火）、不同直径，甚至不同材质（如镍钛合金和不锈钢）的镍钛合金丝段进行组合，可以有效地构建出具有连续且功能梯度特性的导丝系统^[6]、[7]。

在镍钛合金微连接领域，激光焊接是最为广泛研究的工艺。例如，Gugel等人^[8]利用Nd:YAG激光焊接成功实现了100微米镍钛合金-镍钛合金以及镍钛合金-钢制丝材的焊接。不过他们的研究结果表明，激光加热过程会形成宽度约为100微米、晶粒粗大的熔合区，同时还会产生宽度约30微米的较大热影响区。这种非均匀的微观结构变化使得焊接后材料的拉伸强度仅为基体金属的约70%。更深入的理论研究^[9]表明，激光焊接过程中的镍蒸发以及复杂的热循环会促进脆性金属间相（如NiTi₂）的析出，这些相会引发应力集中，进而导致材料在使用过程中失去超弹性。Tam^[10]、Song^[11]和Mehrpouya^[12]对直径在410微米到1毫米之间的镍钛合金丝进行了系统研究，他们发现了一个共同的问题：过大的热输入容易打破镍钛合金预先设计的相变平衡，从而导致晶粒严重粗化、出现脆性断裂，甚至丧失应力诱导的马氏体相变能力^[10]、[11]、[12]。另一种方法是钎焊，虽然钎焊可以有效减少先进合金的热损伤^[13]，但由于不可避免地需要使用不同的填充金属，这会破坏材料的超弹性连续性，并引发生物相容性问题，因此不适合用于神经介入导丝。总之，尽管现有技术能够在一定尺度上实现材料连接，但热影响区体积分数过大以及由此导致的功能退化（如失去形状记忆和超弹性）问题，仍然是这些技术应用于超细（350微米及以下）神经介入装置时的主要障碍。

相比之下，微电阻对焊利用接触界面处产生的局部焦耳热，具有热输入高度集中、冷却速度快以及工艺可控性强的优点^[14]、^[15]。有研究^[14]、^[15]、^[16]表明，微电阻对焊的固液混合连接模式有望在微米尺度上形成狭窄的热影响区。这样就可以最大程度保留冷拉加工过程中形成的原有微观结构特征（如位错强化和织构控制），尤其是能够维持稳定的超弹性平台期。这些特点使得微电阻对焊成为一种有望在最小程度降低功能性能下降的情况下连接超细镍钛合金丝的技术^[17]。

尽管已有大量关于连接块状或相对较大直径镍钛合金的研究，但对于微细（350微米）镍钛合金丝在微电阻对焊过程中的界面结合机制、微观结构演变及其与宏观性能之间的关联，目前仍缺乏系统的了解^[9]、^[11]、^[12]。特别是，焊接热循环如何在不同区域（熔合区、热影响区和基体金属）引发晶粒尺寸的不均匀性，以及这种不均匀性又如何影响B2奥氏体与B19’马氏体之间的相变动力学，仍是评估高性能导丝焊接质量的核心科学问题^[15]、^[17]。

本研究采用了微电阻对焊工艺，探讨了连接直径为350微米的镍钛合金丝的可行性。通过光学显微镜、扫描电子显微镜和电子背散射衍射等多种尺度分析方法，系统研究了焊接接头不同区域的晶粒尺寸分布及微观结构演变情况。透射电子显微镜和高分辨率透射电子显微镜则用于揭示界面结合的原子级特征，以及局部热循环对B2与B19’相变动力学的影响。此外，还测试了焊接接头的静态拉伸性能以及超弹性保持情况。这些研究结果为了解微电阻对焊镍钛合金丝的微观结构演变、相变行为及力学性能提供了重要依据。

章节摘录

所用材料

本研究中所使用的镍钛合金丝是通过金属拉拔工艺制成的，最终直径为350微米。根据制造商（中国江苏江阴仁昌镍钛新材料有限公司）提供的微观结构报告，这些丝材经过了45±5%的冷拉加工，随后还经过了特殊的超弹性退火处理，从而使晶粒完全重结晶。所使用的镍钛合金丝的化学成分详见表1。

镍钛合金焊接接头的宏观形态

通过微电阻对焊工艺制成的350微米镍钛合金丝焊接接头的宏观形态如图3所示。如图3(b)所示，该接头呈现出典型的塑性挤压特征，这是焊接过程中热机械耦合作用的结果^[19]。

在焊接过程中，瞬间的焦耳热（Q = I²·R·T）会高度集中在对接界面处，这是因为该处的接触电阻远远高于内部电阻

结论

• (1)
  本研究成功开发了一种高质量的微电阻对焊工艺，可用于连接直径为350微米的镍钛合金神经介入导丝。所得到的焊接接头具有致密的冶金结合，且不存在宏观缺陷。在界面处形成了清晰的微观结构梯度，包括明显的熔合区、热影响区以及原有的基体金属部分。
• (2)
  在焊接接头中观察到了明显的晶粒尺寸分区现象以及微观结构不均匀性。虽然基体金属保持着均匀的等轴晶粒结构（约4.89微米），但

作者贡献说明

M. 阿米尔·西迪克：论文撰写——审阅与编辑、验证、软件相关工作。艾凡荣：论文撰写——审阅与编辑、监督、资源提供。朱正强：论文撰写——审阅与编辑、资源提供、方法设计、实验研究、定量分析。胡洛宾：论文撰写——审阅与编辑。徐荣：论文撰写——审阅与编辑、初稿撰写、方法设计、实验研究、定量分析、数据整理。陈彦飞：论文撰写——审阅与编辑、初稿撰写、方法设计、实验研究、资金支持相关工作

利益冲突声明

作者声明，他们不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益关系或个人关系。

利益冲突声明

? 作者声明，他们不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益关系或个人关系。

致谢

本研究得到了吉安市科技计划（项目编号：2024H100263）、国家自然科学基金（项目编号：52501160）、中国博士后科学基金（项目编号：2025M770017）以及江西省自然科学基金（项目编号：20252BAC200638）的资助。