利用钽将钛和钛基合金结合到含铁金属的方法

利用钽将钛和钛基合金结合到含铁金属的方法
【专利摘要】描述了一种将钛和钛基合金结合到含铁金属的方法，例如通过熔焊，以及通过该方法生成的金属间化合的熔池。本发明涉及将钽使用、包括或部署到熔池和冷却下的焊缝，以便生成惊奇地牢固金属间化合的键、焊缝、或接缝。
【专利说明】利用钽将钛和钛基合金结合到含铁金属的方法
[0001]描述了一种将钛和钛基合金结合到含铁金属的方法，例如通过熔焊，以及通过该方法产生的金属间化合的熔池。基本上由于在熔池中钛铁金属间化合物的形成，钛和钛基合金的焊接造成低质量和高脆性焊缝的麻烦。本发明涉及在熔池中钽的使用或部署，以便生成惊人地牢固的金属间化合的键。

【技术领域】
[0002]本发明涉及材料结合的领域；具体地，涉及一种将钛和钛基合金工件结合到含铁金属工件的方法，例如通过焊接。

【背景技术】
[0003]由于独特的特性组合，钛和钛基合金已经成为重要的结构金属。这些合金以轻的多的重量具有与许多不锈钢相当的强度。此外，它们显示出比铝更优秀的抗腐蚀性，有时比不锈钢的抗腐蚀性更强。更进一步地，钛是在地壳中最丰富的金属之一，随着生产方法越来越经济，它将在日益增长的应用中被利用。
[0004]钛和镍的各种合金是称为形状记忆合金(SMA)的合金类别的一部分。这个术语应用到金属材料的那个种类(也称为镍钛合金)，其展示通过热处理恢复限定形状或大小的能力。按照最一般的意义，这些材料能够在某一相对低的温度塑性地变形并在暴露到较高温度下恢复它们的预变形形状。这种形状记忆效应(如有时所称的)，即展示依据温度的形状或构造的改变的能力，得到了大量的尤其是医疗的商业应用。
[0005]当通过从相对较强的高温或“奥氏体(或奥氏体的)”形式到相对弱的低温或“马氏体(或马氏体的)”形式的过渡温度冷却时，镍钛形状记忆合金经历了它们的晶体结构的相位变换。这种晶体变换是造成这些材料的标志特征、它们的热或形状记忆、和它们的机械记忆的原因。
[0006]钛和钛基合金(反之镍钛合金)的特征，尤其是它们的形状记忆，意味着它们已经广泛地用作诸如导管、支架、导丝、血液过滤器、探针和多种其它设备的医疗设备的部件。
[0007]在钛和镍钛合金使用中的主要限制是将这些材料结合到其它材料的困难。因为它的高成本，经常期望将镍钛合金的使用限制到设备的实际运动部分，而用诸如不锈钢或其它含铁金属的非昂贵材料制造支撑元件。但是，将镍钛合金焊接到不锈钢和含铁金属通常已被证明是尤其困难的，如Ge，Wang在评论“将镍钛诺焊接到不锈钢”中所公开的。
[0008]此外，钛的活性使得任何焊接在例如氩覆盖的纯惰性气体中或真空中进行很重要，以便减少形成损坏的氧化物或氮化物趋势。在利用较低重要性的惰性气体(或真空)处理为成品形式期间，镍钛合金材料自然地在空气中形成表面氧化物。形成的主要表面氧化物是T12。
[0009]但是，将镍钛结合到诸如不锈钢的其它材料的困难仍然大大地限制了技术。许多技术已经取得有限的成功。非熔结合方法最普遍地用于结合镍钛；包括锡焊、环氧树脂和其它粘合剂；和诸如压接的各种类型的机械结合。这些技术不是没有它们的缺点。例如，锡焊必须经常利用特殊的助焊剂以移除并阻止在锡焊期间表面氧化物的形成。环氧树脂和粘合剂不适合这些镍钛产品期望的全部制造技术和使用的类型。机械紧固可能造成镍钛的过度变形和裂开。部件的过盈配合或互锁已经成功，但是要求制造达到紧密的尺寸公差。
[0010]已经使用各种方法试图改进将钛合金焊接到含铁金属的结果。那些方法在以下美国专利中多方面地描述了，这些美国专利在此通过参考整体并入:
[0011]4, 674, 675
[0012]3, 038, 988
[0013]4,708,282
[0014]6,410,165
[0015]在此也通过参考并入的Peter C.Hall的美国专利号6，875，949公开了一种利用添加到熔池的镍或铁焊接钛金属和含铁金属的方法。该‘949专利阻碍了铝、铬和钛的使用(第8栏第49行及以下)，表述他们没改进钛金属和含铁金属之间的焊缝品质。
[0016]因此，本【技术领域】需要一种用于改进将钛和钛基合金熔焊到含铁金属的技术的方法。按照它的最一般意义，本发明克服了在该【技术领域】中经历的问题并提供了将钛或钛基合金焊接到含铁金属的改进方法，含铁金属例如是金属、钢、其它合金、包含或包括任何可估计量的铁的共熔混合物。本发明的一个优选实施例是一种焊接例如称为镍钛诺的合金的镍钛合金和不锈钢的改进方法。本发明尤其应用到医疗设备领域，例如导丝。


【发明内容】

[0017]简要地，按照一方面，该发明是一种将钛或钛基合金焊接到含铁金属的方法，以便通过在焊缝中包括钽来产生牢固可延展的焊缝。
[0018]本方法总体包括放置至少一个钛或钛基合金工件紧靠含铁金属工件和合适成形的钽工件的步骤，从而形成或限定接缝前体或接缝。可以围绕接缝前体设置防护，诸如通过放置工件在真空中或者利用惰性气体淹没或覆盖接缝前体。
[0019]然后通过熔焊的各种方式的任一种熔焊该接缝前体，在一个优选实施例中包括脉冲激光焊接来产生熔池并在冷却下产生接缝或焊缝。熔焊产生完全合并钽、钛或钛基合金、以及含铁金属的液态或共熔的熔池。
[0020]该方法通常可应用到所有钛或钛基合金(反之镍钛合金)、和含铁金属的组合。工件可以是任一形状，包括片、杆、管，或在优选实施例中的丝。可选的步骤包括在焊接之前，在焊接之后，或二者均有，清洁和应力释放工件。
[0021]该发明的一个应用是结合医疗设备的非相似金属成分。通过示意但不限于，具有至少部分由不锈钢远端线圈缠绕的镍钛诺芯的医疗导丝的制造可以通过在存在钽的情况下将芯等离子焊接到线圈，或引入到具有适量钽的熔池从而引入到接缝。然后冷却熔池，以便提供意外地能触知的牢固的焊缝、键或接缝。
[0022]各种优选实施例、工艺和方法的这些变化、修订、替换和改变可以单独或彼此组合使用，对本领域的技术人员参照优选实施例的以下详细说明和附图将变得更加显而易见。
[0023]应该理解，虽然本发明按照例如导丝的医疗设备的上下文示意，但是它广泛应用到涉及钛或钛合金以及含铁金属的任何接缝或焊缝的生成。

【专利附图】

【附图说明】
[0024]不限制本发明的以下要求保护的范围，现在参照附图。
[0025]图1-4总体示出了该发明的一个应用。具体地，图1示出了在具有它们端之间的接缝前体300的两个相邻丝(即100和200)的实施例中钛或钛基合金工件100和含铁金属工件200的正视图；
[0026]图2A和2B示出了图1的丝的正视图，其中接缝(支架300)具有放置其中的钽工件 310。
[0027]图3示出了图2的丝、接缝和钽(分别是100、200、300和310)填充有钽工件310的正视图。还示出了熔焊设备400。
[0028]图4示出了图2的丝在熔池600形成期间的正视图。
[0029]图5示意了用来生成在此讨论的焊缝特征数据的测试件构造；
[0030]图6示出了利用图5的测试件评估的焊缝系统的标准拉伸强度；
[0031]图7示出了利用图5的测试件构造的用于图6的系统的61b.疲劳拉伸、失效拉伸数量；
[0032]图8示出了图6所测试系统(即焊缝)的失效转数测试结果；
[0033]图9示出了图6所测试焊缝的失效周期转数，每个循环顺时针3转逆时针3转；
[0034]图10示出了利用图5的测试件构造和图6-9所示的数据的数量值；
[0035]图11是医疗导丝的远端的剖面显微照片，示出了利用了镍钛诺芯、不锈钢外部线圈和钽内部线圈实践本发明所产生的焊缝；
[0036]图12是具有熔焊到不锈钢线圈的传统镍钛诺芯的导丝的远端的剖面显微照片；
[0037]图13是具有熔焊到镍垫圈和不锈钢线圈的镍钛诺芯的医疗导丝的远端的剖面显微照片。镍垫圈用来模拟镍内部线圈的使用。因为镍相对于钽没有充分地不透射线来标记导丝远端，所以镍内部线圈通常不用来生产导丝。
[0038]图14是熔焊到不锈钢线圈的不锈钢导丝芯的剖面显微照片。

【具体实施方式】
[0039]将钛或钛基合金熔焊到含铁金属或通过在焊缝中包括钽的方法在本【技术领域】是重大进步。具体地，该方法产生基本没有造成焊缝键脆性的特定金属间化合的化合物或合金的焊缝区域或焊缝，诸如通过但不限于FeTi和TiFe2。以下参照附图和权利要求书阐述的详细说明意味仅仅作为本发明的优选实施例的说明，并不意味代表本发明可能构造或实现的唯一形式。
[0040]应该理解，本发明中的术语“钽”的使用意味包括本质上纯的钽以及钽基合金、混合物和基本或主要是钽的共熔物。在本发明范围内的任何这种钽合金或混合物将在将钛或钛基合金工件键合或结合到含铁金属工件时在产生熔池、焊缝或接缝中提供基本纯的钽的性能特征。通常来说，除钽之外，钽和钽基合金将在合金或混合物中包括不多于大约35原子百分率的任何材料。
[0041]如本发明所使用的术语“熔焊”广泛地解释为本领域公知的其中在将一种材料键合到另一种材料的工艺中产生液态焊缝、熔池或共熔混合物的任何技术。示例但不限定的熔焊技术包括激光焊接、电子束焊接、钨惰性气体焊接、等离子焊接和该列表中建议的其它技术。
[0042]如在此使用的术语“钛基合金”或“钛基系统”广泛地解释为包含展示镍钛诺的难以键合特征的两种所述金属的系统。钛基系统在钛和镍以金属间化合相位存在时通常将包含显著原子百分率的镍。没有限制的情况下，本发明中所使用并且用来生产医疗设备的形状记忆合金将本质上由大约48到大约52原子百分率的镍和反之大约52到大约48原子百分率的钛组成。钛基合金能够并且经常确实包括诸如铜、铌、金、钯、钼、铪和锆的额外元素。根据本发明，任何这种第三元素是以将比在所产生的合金或共熔混合物中实质上阻碍形状记忆效果的特征少的百分率存在。在该定义中包括的材料的替换特征是在它们的期望使用温度下展示描述为“超级弹性的”现象的那些钛基合金或共熔物。
[0043]现在总体参照图1至13，该方法包括一种将钛或钛基合金工件100焊接到含铁金属工件200的方法，以便产生牢固延展性好的焊缝，如图1至4所示，该方法通常包括步骤:将至少一个钛或钛基合金工件100放置紧靠至少一个含铁金属工件200，从而形成接缝前体300。与形成接缝前体同时或随后，基本在接缝前体300处添加诸如钽线圈或钽工件的一定量钽材料310。可选地围绕接缝前体设置防护，诸如例如但不限于将工件100、200放置在真空中，或通过使惰性气体淹没接缝前体300。
[0044]现在参照图4，然后通过熔焊设备400应用大量熔焊工艺中的任一种包括例如激光焊接来熔焊接缝前体300。在一个实施例中，产生熔池600的熔焊设备400由激光束产生，并且该激光束还可以在熔焊期间脉动。熔焊产生完全合并钽310的熔池600，以便获得熔池的期望组分。
[0045]该基本方法的大量改良和变化是可行的。尽管该方法通常可应用到所有钛、和钛基合金、和含铁金属的组合，但是在一个具体实施例中钛或钛基合金工件100是镍钛而含铁金属工件200可以是不锈钢。
[0046]为了提闻焊缝的总体品质，进一步的步骤是:清洁钦或钦基合金工件100和含铁金属工件200 (在焊接工艺之前或之后，或二者)，以便基本移除污染物。
[0047]尽管适合该技术的材料形式的数量在理论上没有限制，但是图2所示的工件的一个这种组合可以将钛或钛基合金工件100作为钛或钛基合金丝。含铁金属工件200也可以是丝。
[0048]为了选择工件材料的多种组合的一种，通过例子但不限于，钛或钛基合金丝100可以是镍钛，含铁金属丝200可以是不锈钢，并且与此相关的材料可以是基本上纯的钽。钛或钛基合金工件100和含铁金属工件200可以是任何形式，诸如但不限于，带状物、片、杆、包括微型管的管、实心丝、铰丝、编织丝、溅射靶和薄膜。
[0049]图5A示出了用于评估根据现有技术和本发明生产的焊缝的测试件构造。示出的是包括镍钛诺芯丝700、不锈钢外部导丝线圈800、钽或不锈钢(依据测试)内部线圈850和远端镍垫圈900的医疗导丝的远端。值得注意的是，因为涉及导丝，该工艺的目的是在镍钛诺芯丝700和不锈钢线圈800之间生成键，在可选的进一步处理之后焊缝成为导丝远尖端。为了比较目的也评估不锈钢芯/不锈钢线圈系统。还值得注意的是钽线圈是不透射线的，这在导丝使用期间可视化是尤其有用的。
[0050]图5B示出了通过使用本发明获得的导丝。应该理解，图5B示出的设备是本发明一个应用的示意，但本发明不局限于此。在图5B中镍钛诺芯丝210示出是通过等离子焊机700(等离子焊机700示意性地示出)被等离子焊接到含铁金属线圈610。可选不透射线的内部标记线圈510还全部通过含钽焊缝或熔池810被等离子焊接到镍钛诺芯丝210。冷却后的熔池810是倒圆无损伤的导丝极远端，一种导丝领域原本公知的结构。用于生成熔池810的钽盘、塞或工件的使用利用非常牢固弹性的焊缝将导丝芯丝和外部线圈连接(参见以下测试数据)。
[0051]本发明进一步的尝试简单地使不透射线的内部线圈510包括钽。由于钽是不透射线的，所以线圈510提供不透射线的标记和本发明要求的钽以便生成熔池/无损伤尖端。
[0052]图6示出了关于利用图5的测试件生成的焊缝的标准拉伸结果。惊奇而意外地，本发明的NiTi/Ta/SST系统产生的拉伸强度结果超过241bs，超过用来测量总数的集合的力。简而言之，本发明的系统的实际拉伸强度超过测试工具的测量能力并可能很好地脱离图表。
[0053]图7示出了系统的61b失效拉伸数量。除了 NiTi/Ti/SST系统在9000次疲劳拉伸的被认为是反常的单个数据点之外，本发明的NiTi/Ta/SST系统完成得大大好于评估的其它系统。
[0054]图8示出了被评估系统的“失效转数”。除了示出意外牢固的NiTi/SST焊缝性能之外，该评估结果确认本发明的NiTi/Ta/SST系统的无法预测的优势。
[0055]图9示出了被评估焊缝的失效周期转数的结果。在该测试中本发明的NiTi/Ta/SST系统展示了超出其它所有被评估焊缝的巨大优势。
[0056]图10示出了图6-9所基于的获得的数量。
[0057]图11、12、和13是在此评估的四个焊缝系统中三个的剖面显微照片。因为SST芯丝没有镍钛诺芯丝的形状记忆性能特征，所以省略SST线圈/SST芯系统。横截面清晰地示出各个部件以及在焊缝形成工艺中导致的熔池(其恰巧在导丝端部上生成远端球)。熔池示出了渗入芯的熔融材料的层状流。这在显微级别示出了由部署钽提供的好处，即镍基镍钛诺合金和不锈钢线圈的相位的均匀相互渗透。更进一步地，针对镍钛诺芯/不锈钢焊缝(图12)和镍钛诺芯/镍垫圈/不锈钢焊缝(图13)均示出了明显的缝隙。那些缝隙被认为是接缝薄弱的原因。
[0058]应该理解，因为除生成可测量的改进焊缝之外由于钽的存在提供了不透射线的导丝远尖端标记，所以如在此示出的利用钽线圈的远端导丝部件的键合尤其优选。总而言之，如在此所述的钽的使用提供了更牢固更柔性的焊缝，其能够通过X射线检查可视化。
[0059]在此公开的优选实施例的大量改变、修订和变化将对本领域技术人员是显而易见的，并且它们在本发明的精神和范围内都是可以估计和预料的。例如，尽管已经详细说明了特定实施例，本领域的技术人员应该理解能够修订在前的实施例和变化来包含各种类型的替代，和/或额外或替换材料，元件的相对布置，和尺寸构造。因此，即使在此仅仅描述了本发明的几个变化，应该理解这种额外修订和变化及其等同物的实践在以下权利要求书中所限定的本发明的精神和范围内。
[0060]以下权利要求书中所有装置或步骤加功能元件的对应结构、材料、动作和等同物意味包括用于完成功能的任何结构、材料、或动作结合如特定声明的其它声明元件。
【权利要求】
1.一种将钛或钛基合金结合到含铁金属以产生牢固可延展的焊缝的方法，包括步骤: 放置至少一个钛或钛基合金工件紧靠含铁金属工件，从而限定接缝前体； 基本在接缝前体处添加钽；以及 熔焊接缝前体从而产生合并所述至少一个钛或钛基合金工件的一部分、所述含铁金属工件的一部分和所述钽的一部分的熔池； 允许熔池冷却并形成焊缝。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述至少一个钛或钛基合金工件是镍钛并且所述至少一个含铁金属工件是不锈钢。
3.根据权利要求1所述的方法，还包括步骤:清洁钛或钛基合金工件和含铁金属工件，以便移除污染物。
4.根据权利要求1所述的方法，其中钛或钛基合金工件是钛或钛基合金丝，并且含铁金属工件是含铁金属丝。
5.根据权利要求1所述的方法，其中钛或钛基合金丝是镍钛，并且含铁金属丝是不锈钢。
6.根据权利要求1所述的方法，其中熔焊是指通过利用激光束产生熔池。
7.根据权利要求6所述的方法，其中激光束在熔焊期间脉动。
8.根据权利要求1所述的方法，其中钛或钛基合金是镍钛诺。
9.根据权利要求1所述的方法，其中含铁金属是不锈钢。
10.根据权利要求1所述的方法，其中钛或钛基合金工件和含铁金属工件是医疗设备的部件。
11.根据权利要求10所述的方法，其中钛或钛基合金工件是用于导丝的芯丝，并且含铁金属工件是不锈钢导丝线圈。
12.—种将钛基合金结合到含铁金属以便产生牢固可延展的焊缝的方法，包括步骤: 放置至少一个镍钛工件紧靠不锈钢工件，从而限定接缝前体； 在接缝前体处放置钽工件；以及 熔焊接缝前体从而产生合并钽的熔池； 允许熔池冷却并固化，产生具有增强接缝或焊缝的焊接。
13.根据权利要求12所述的方法，其中镍钛工件是医疗导丝的镍钛诺芯丝，并且不锈钢工件是用于导丝的不锈钢线圈。
14.根据权利要求12所述的方法，其中钛或钛基合金是镍钛诺。
15.—种熔池，本质上由镍钛合金、含铁合金和钽的熔合组成。
16.根据权利要求15所述的熔池，其中镍钛合金是镍钛诺，并且含铁金属合金是不锈钢。
17.根据权利要求12所述的方法，其中熔池基本无脆性金属间化合物。
【文档编号】B23K26/32GK104245212SQ201280067132
【公开日】2014年12月24日 申请日期:2012年12月13日 优先权日:2011年12月15日
【发明者】A·豪斯拉登, M·S·莱万多夫斯基, R·B·塞夫科夫 申请人:湖区制造公司,商用名湖区医药