Способ получения ультрамелкозернистых сплавов титан-никель с эффектом памяти формы

Способ получения ультрамелкозернистых сплавов титан-никель с эффектом памяти формы

Реферат

Изобретение относится к деформационно-термической формообразующей обработке сплавов с эффектом памяти формы (ЭПФ), в частности сплавов на основе интерметаллического соединения TiNi, с целью значительного повышения их механических и функциональных свойств, и может быть использовано в металлургии, машиностроении и медицине. Особенно привлекательно его использование в медицинских приборах и устройствах для травматологии, ортопедии, стоматологии, минимально-инвазивной хирургии и в других хирургических устройствах в виде имплантантов и инструментов.

Известны способы термомеханической обработки сплавов титан-никель для улучшения их механических и функциональных свойств. Например, способ выявления эффектов запоминания формы в сплавах на основе титана мартенситного и переходного классов (патент РФ №2115760, МПК С 22 F 1/18, 20.07.1998 г.) включает закалку, деформацию и последующий нагрев.

Известен также способ изготовления сверхупругого сплава никель-титан (JP 6065741, МПК С 22 F 1/10, опубл. 24.08.94 г., ИСМ, вып.48, №10/97), согласно которому сплав, содержащий 50-51 ат. % никеля, остальное - титан, подвергают отжигу, холодной деформации со степенью деформирования 15-60%, а затем фиксируют определенную форму сплава и нагревают его до 175-600°С.

Недостатком известных способов является использование лишь одного механизма повышения комплекса свойств сплавов - создание полигонизованной дислокационной субструктуры, что ограничивает возможность одновременного улучшения их механических (прочностных и пластических) характеристик и функциональных свойств, таких как обратимая деформация, реактивное напряжение, характеристические температуры превращения, сверхэластичность и демпфирующая способность.

Известно, что физико-механические свойства многих металлических материалов могут быть заметно улучшены созданием в них различными методами ультрамелкозернистой структуры. Например, используется метод быстрой закалки, в результате которой в сплаве формируется ультрамелкозернистая структура с размером зерен менее 1 мкм [Быстрозакаленные металлические сплавы, под ред. Штиба С, Варлимонта Г., пер. с англ., Металлургия, Москва, 1989, 376 с.]. Недостатком этой технологии является то, что сплав получается в виде тонких лент или порошков и требуется введение дополнительной операции компактирования и решение проблемы сплошности конечного объемного продукта.

Известны также методы интенсивной пластической деформации, позволяющие путем применения больших деформаций (накопленная истинная степень деформации е≥4), в условиях высоких давлений измельчать микроструктуру до ультрамелкозернистой в объемных заготовках титановых сплавов. Так, способ равноканального углового прессования (РКУП) [Патент РФ №2175685, МКИ⁷ C 22 F 1/18, B 21 J 5/00 - опубл. 10.11.2001 г., Бюл. №31] позволяет получать массивные ультрамелкозернистые заготовки из технически чистого титана со средним размером зерен 100 нм и наивысшим уровнем прочностных свойств. Однако влияние такого способа и обусловленной им структуры на функциональные и механические свойства сплавов с эффектом памяти формы ранее не было известно.

В качестве наиболее близкого аналога выбран способ получения сверхупругого титан-никелевого сплава (JP 58161753, МПК С 22 F 1/10, опубл. 26.09.1983 г.), включающий предварительную закалку крупнозернистого сплава, последующую холодную деформацию прокатной со степенью деформации ≥20% и отжиг при температуре 250-550°С.

Недостатками способа являются относительно низкие степени деформации (е<1) и ограничения по степени измельчения микроструктуры, не позволяющие достигать наиболее высоких механических и функциональных свойств.

Задача изобретения - повышение механических характеристик сплавов титан-никель с эффектом памяти формы с одновременным улучшением функциональных свойств за счет создания ультрамелкозернистой структуры.

Поставленная задача достигается способом получения ультрамелкозернистых сплавов титан-никель с эффектом памяти формы, включающим предварительную закалку и последующую термомеханическую обработку, сочетающую деформацию и дорекристаллизационный отжиг, в котором в отличие от прототипа деформацию осуществляют в два этапа, причем на первом этапе проводят интенсивную пластическую деформацию с накопленной истинной степенью деформации е≥4 в интервале температур 300-550°С, а на втором этапе проводят деформацию прокаткой или экструзией, или волочением со степенью не менее 20% при температурах 20-500°С, а отжиг проводят при температурах 350-550°С в течение 0,5-2,0 часов.

Кроме того, рекомендуется:

осуществлять интенсивную пластическую деформацию путем

равноканального углового прессования при угле пересечения каналов 90-150°;

вести обработку при равноканальном угловом прессовании в изотермических условиях;

проводить равноканальное угловое прессование при понижении температуры в интервале 550-300°С;

отжиг осуществлять в процессе и (или) после равнокального углового прессования;

отжиг осуществлять в процессе и (или) после второго этапа деформации.

Предложенный способ обеспечивает получение однородной ультрамелкозернистой структуры с размером зерен <0,5 мкм в массивных заготовках из сплавов титан-никель с эффектом памяти формы за счет высокой накопленной истинной степени деформации без их разрушения. Он позволяет управлять параметрами ультрамелкозернистой структуры и обеспечивать комплекс высоких механических и функциональных свойств в широком диапазоне.

Таким образом, предложенная совокупность признаков способа позволяет получить новый эффект, приводящий к значительному улучшению физико-механических и функциональных свойств обрабатываемого материала. Это позволяет сделать вывод о соответствии заявленного изобретения критерию «изобретательский уровень».

Способ осуществляют следующим образом. На первом этапе исходную заготовку, в частности, из сплава титан-никель в крупнозернистом состоянии подвергают интенсивной пластической деформации. Например, помещают ее в устройство для равноканального углового прессования и осуществляют многократное продавливание с целью накопления высокой истинной степени деформации (е≥4) при определенной температуре в интервале 300-550°С для формирования однородной мелкозернистой структуры. Количество проходов (накопленная истинная степень деформации) определяется требуемыми параметрами структуры для достижения тех или иных свойств.

Деформация РКУП при температурах ниже 300°С может приводить к разрушению образцов из-за низкой технологической пластичности, а использование температуры выше 550°С нецелесообразно вследствие происходящего при этом интенсивного роста зерен и снижения прочности.

Для повышения технологической пластичности и формирования определенного типа микроструктуры с целью достижения одновременно высокой прочности и пластичности заготовки может быть использован промежуточный между проходами или окончательный после последнего прохода отжиг в интервале температур 350-550°С в течение 1-2 часов.

Эффективность отжига при температурах ниже 350°С снижается из-за увеличения длительности термообработки, а применение отжига при температурах выше 550°С уменьшает эффект упрочнения от РКУП.

Все состояния сплавов, полученные методом РКУП, характеризуются более высокими не только прочностными свойствами, но и функциональными параметрами по сравнению со свойствами прототипа. Исходя из конкретных требований к материалу, варьируя режимы РКУП и отжига, можно получить состояния, имеющие различное сочетание свойств.

На следующем этапе, являющемся одновременно формообразующей стадией и термомеханической обработкой (ТМО), заготовку подвергают холодной и/или теплой деформации прокаткой, экструзией или волочением с промежуточными и (или) окончательным отжигами, в интервале температур 350-550°С. Деформация заготовки по сечению составляет не менее 20%. Степень деформации менее 20% не приводит к заметному изменению структуры и свойств. Промежуточный отжиг служит для повышения деформируемости массивной заготовки, а температура отжига зависит от предварительной накопленной степени деформации. Окончательный отжиг может служить для выполнения процедуры придания сплаву эффекта памяти формы.

Пример конкретного выполнения.

Исходным материалом является горячедеформированный пруток диаметром 15 мм и длиной 100 мм сплава Ti_49.8 Ni_50.2. Пруток подвергают гомогенизации при температуре 800°С в течение 1 часа и последующей закалке в воде. Затем пруток подвергают равноканальному угловому прессованию в оснастке с углом пересечения каналов 110° при температуре 450°С за 8 проходов, в результате чего достигается накопленная истинная степень деформации е>6. После охлаждения заготовки до комнатной температуры проводят отжиг при температуре 500°С в течение 1 часа, правку и механическую обработку для снятия поверхностного дефектного слоя.

На следующем этапе из прутка вырезали пластину толщиной 2 мм и подвергали дробной холодной прокатке на 2-валковом стане с окончательными отжигами или без них. Степень деформации составила 20%. Температура окончательного отжига составляла 450 и 500°С, длительность 1,0 час.

Структурные состояния, режимы обработки, результаты механических испытаний и определения функциональных свойств полученной заготовки после первого и второго этапа приведены в таблице. Для сравнения приведены данные заготовки, обработанной по способу-прототипу (термомеханическая обработка ТМО).

Как показывают полученные результаты, РКУП приводит к уменьшению размера зерен на два порядка и в зависимости от режимов обработки - либо к более высокой прочности (σ_В, σ_0,2) (режим 8), либо к более высокой пластичности (δ) (режим 7), либо к более высоким реактивному напряжению σ_r ^max (режим 4 и 8) и максимальной обратимой деформации ε_r ^max (режимы 3 и 6) по сравнению с прототипом - ТМО (режим 13). При этом, температура обратного мартенситного превращения A_f близка к температуре человеческого тела, что обеспечивает применимость сплава для медицинских целей, аналогично чистому титану.

Комбинация РКУП и последующей прокатки (Пр) (режим 10) приводит к дополнительному повышению предела текучести сплава при сохранении заметного для практических целей запаса пластичности. Окончательный отжиг позволяет улучшить функциональные свойства (режимы 11, 12).

Помимо указанных свойств в сплаве Ti_49.8 Ni_50.2 после РКУП в два раза увеличивается предел усталости и в несколько раз демпфирующая способность, что необходимо для имплантируемых материалов, используемых в медицине.

Таким образом, предложенный способ получения ультрамелкозернистых сплавов позволяет существенно повысить механические и функциональные свойства обрабатываемого материала и использовать его в ответственных технических конструкциях и устройствах, в том числе в медицине.

Таблица
№	Состояние	ТРКУП и число проходов	ТОТЖ,°С	Средний размер зерен, мкм	Механические свойства	Функциональные свойства
σm, МПа	σВ, МПа	σ0.2, МПа	δ, %	εr max, %	σr max,МПа
1	РКУП	400-8		0.23	280	1240	1150	25	7.5-8	940
2	450-1		0.47	230	1080	760	46	8	650
3	450-4		0.45	290	1220	1010	33	9	820
4	450-8		0.24	290	1240	1140	25	8	1150
5	450	0.26	320	1240	1180	33	8	730
6	500	0.28	350	1260	1160	50	9	550
7	600	3.4	240	1150	860	67	-	-
8	450-12		0.23	320	1410	1360	23	7.5	1100
9	500-8		0.24	330	1250	1150	25	7.5-8	780
10	РКУП+Пр 20%	450-8			310		1413		6.5-7	920
11	450		218		1003		8	730
12	500		220		942		9	550
13	ТМО (по прототипу)			80	360	1040	540	30	6	630
σm - критическое напряжение образования и переориентации мартенситаεr max - максимальная полностью обратимая деформацияσr max - максимальное реактивное напряжениеТотж - температура окончательного отжига

1. Способ получения ультрамелкозернистых сплавов титан-никель с эффектом памяти формы, включающий термомеханическую обработку, сочетающую деформацию и дорекристаллизационный отжиг, отличающийся тем, что перед термомеханической обработкой осуществляют предварительную закалку сплава, деформацию осуществляют в два этапа, причем на первом этапе проводят интенсивную пластическую деформацию с накопленной истинной степенью деформации е≥4 в интервале температур 300-550°С, а на втором этапе проводят деформацию прокаткой, или экструзией, или волочением со степенью деформации не менее 20% при температурах 20-500°С, а отжиг проводят при температурах 350-550°С в течение 0,5-2,0 ч.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что интенсивную пластическую деформацию осуществляют путем равноканального углового прессования при угле пересечения каналов 90-150°.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что равноканальное угловое прессование ведут в изотермических условиях.

4. Способ по п.2, отличающийся тем, что равноканальное угловое прессование проводят при понижении температуры в интервале 550-300°С.

5. Способ по п.2, отличающийся тем, что отжиг осуществляют в процессе и(или) после равноканального углового прессования.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что отжиг осуществляют в процессе и(или) после второго этапа деформации.