Способ получения наноструктурных сплавов титан-никель с эффектом памяти формы

Способ получения наноструктурных сплавов титан-никель с эффектом памяти формы

Реферат

Изобретение относится к области металлургии, а именно к деформационно-термической обработке сплавов с эффектом памяти формы (ЭПФ), в частности сплавов на основе интерметаллического соединения титан-никель, с целью повышения их механических и функциональных свойств. Способ может быть использован при изготовлении преимущественно тонких металлических полуфабрикатов в виде ленты, проволоки, полосы толщиной менее 2,0 мм с формированием нанокристаллической структуры и может быть использован в металлургии, машиностроении и медицине.

Известны традиционные подходы регулирования структуры и свойств поликристаллических материалов, в частности металлов и сплавов, путем целенаправленного изменения химического состава и использования способов получения гранульной, порошковой и др. технологией. Например, в способе получения ультрамелкозернистой структуры в металлических материалах 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. М., Металлургия, 1989, 376 с.]. Недостатком этой технологии является то, что сплав получается в виде тонких лент или порошков, и требуется введение дополнительной операции компактирования, связанной с решение проблемы сплошности конечного объемного продукта.

Использование методов, основанных на применении различных схем деформационно-термической обработки для промышленных конструкционных материалов, позволяет кардинально изменять их физико-механические характеристики. К таким методам в значительной мере относятся способы обработки, включающие интенсивную деформацию сдвигом (В.М. Сегал и др. Процессы пластического структурообразования металлов. Минск, Наука и техника, 1994, с.232), а также различные способы его усовершенствования, например способ деформационной обработки материалов и устройство для его осуществления (Патент РФ №2146571, МКИ⁷ В21С 25/00, опубл. 20.03.2000 г.). Помимо сравнительно простых способов и устройств реализации деформации сдвигом известны и более сложные. Использование комбинированных схем деформационного воздействия на материал, например совмещение осадки с кручением, прессования и кручения («Способ получения заготовок с мелкозернистой структурой», Патент РФ №94010931, МКИ⁶ B21J 5/00, опубл. 10.11.1995 г.). Также способ, включающий совмещенную схему (осадка-сдвиг-кручение) интенсивной пластической деформации («Способ получения заготовок с мелкозернистой структурой», Патент РФ №2191652, МКИ⁷ B21J 5/00, опубл. 27.10.2002 г.). Однако реализация указанных способов и устройств в промышленных условиях весьма затруднительна из-за сложности модернизации серийного кузнечно-прессового оборудовании, высокой трудоемкости изготовления, низкой производительности и стойкости технологической оснастки. Кроме того, для большинства известных способов и устройств характерен низкий выход годного материала, из-за промежуточных операций по удалению поверхностных дефектов (закатов, зажимов и др.) и концевых отходов.

Известен способ изготовления сверхупругого сплава никель-титан (JP 6065741, МПК C22F 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 15-60%, а затем фиксируют определенную форму сплава, и нагревают его до 175-600°С, а также 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 C22F 1/18, 20.07.1998 г.) включает закалку, деформацию и последующий нагрев.

Недостатком известных способов в сплавах титан-никель с ЭПФ является низкая технологическая пластичность, что является ограничением для формирования нанокристаллической структуры и соответственно возможности одновременного улучшения их механических (прочностных и пластических) характеристик, а также комплекса служебных и специальных свойств, таких как обратимая деформация, реактивное напряжение, сверхэластичность и демпфирующая способность.

Наиболее близким по техническому результату является способ получения ультрамелкозернистых сплавов титан-никель с ЭПФ (Патент РФ №2266973, МКИ⁷ C22F 1/18, С22К 1/00, опубл. 27.12.2005 г.), включающий на первом этапе - 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% в температурном интервале 20-500°С. Способ обеспечивает получение однородной ультрамелкозернистой структуры с размером зерен <0,5 мкм в заготовках из сплавов с ЭПФ за счет высокой накопленной истинной степени деформации.

Основным недостатком способа является ограничение по минимальному размеру зерен (составляет 230 нм и более), а также сложность техпроцесса формирования однородной ультрамелкозернистой структуры на первом этапе. Для накопления высокой истинной степени деформации (е≥4) исходную заготовку подвергают многократному продавливанию в температурном интервале 300-550°С в устройстве для равноканального углового прессования, что и определяет следующие недостатки:

- необходимость изотермического равноканального углового прессования;

- ограничения по температурному интервалу - снижение температуры прессования ниже оптимальной приводит к разрушению образцов из-за низкой технологической пластичности, а использование температуры выше 550°С приводит к интесивному росту зерна и снижению характеристик прочности;

- многократность прессования, для достижения ультрамелкозернистой структуры с размером зерна 0,23-0,26 мкм требуется 8-12 проходов;

- длина заготовок ограничена геометрическими параметрами межштампового пространства пресса и соответствующей оснастки для прессования;

- проведение нескольких циклов прессования приводит к значительному снижению коэффициента использования материала и повышению трудоемкости обработки;

- на втором этапе - низкая технологическая пластичность накладывает ограничения на область применения методов обработки металлов давлением.

Известен также способ пластификации и снижения сопротивления металла деформированию (Заявка на изобретение РФ №2005127525, МПК В21В 1/00, В21С 1/00 (2006.01), опубл. 10.04.2007 г.), применяемый при основных способах обработки металлов давлением. В предлагаемых процессах прокатки, волочения, штамповки и плющения металла к заготовке в зону очага пластической деформации вводят импульсы тока плотностью j=350000-1000000 А/см² длительностью τ=100-150 мкс с частотой следования F, определяемой из следующей зависимости:

F=k·V/ΔI,

V - скорость движения заготовки;

ΔI - длина зоны деформации заготовки между валками (внутри волоки или зоны пластического течения заготовки во время штамповки),

k - целочисленный коэффициент, k>1.

Электропластическое действие импульсного тока приводит к существенному снижению сопротивления материала деформированию. Однако предложенные способы подведения и параметры импульсного тока, например, при электропластической прокатке (ЭПП), имеют определенные ограничения. Частота, плотность и длительность импульсов тока зависят от скорости пластической деформации металла в рабочей зоне ЭПП. Технология ЭПП возможна при низких и средних скоростях прокатки или на тонких заготовках при повышенных скоростях прокатки.

В процессе ЭПП тонких исходных заготовок в ленту в очаге деформации происходит многократное изменение механизма деформации от внутризеренного к интенсификации механизма межзеренного проскальзывания и наоборот. Что приводит к более однородному распределению структурных элементов с разными кристаллографическими ориентациями в очаге деформации и соответственно к повышению физико-механических характеристик в конечной продукции. Однако реализация ЭПП как способа получения наноструктуры, а также влияние обусловленной им структуры на функциональные и механические свойства в сплавах титан-никель с ЭПФ ранее были не известны.

Наиболее близкий аналог по технологической схеме реализации является способ получения сверхупругого титан-никелевого сплава (JP 58161753, МПК С22F 1/10, опубл. 26.09.1983 г.), включающий предварительную закалку сплава, последующую холодную деформацию прокаткой со степенью деформации ≥20% и отжиг при температуре 250-550°С. Этот способ взят за прототип предлагаемого изобретения.

В способе-прототипе наиболее существенным недостатком является низкая технологическая пластичность (достигаемая истинная степень деформации е<0,4). Соответственно малая степень измельчения микроструктуры ограничивает возможности в достижении высоких механических и функциональных свойств в сплавах титан-никель с ЭПФ.

Задача данного изобретения - способ получения в сплавах титан-никель с ЭПФ регламентированных параметров (величина зерна, степень неоднородности и фазовый состав) нанокристаллической структуры и повышенным, по сравнению с прототипом, комплексом механических и функциональных свойств, а также снижение трудоемкости и упрощения технологии получения полуфабрикатов в виде ленты, проволоки, полосы толщиной менее 2,0 мм.

Поставленная задача достигается тем, что в известном способе получения ультрамелкозернистых сплавов титан-никель с ЭПФ включающем предварительную закалку сплава, последующую холодную деформацию прокаткой со степенью деформации ≥20% и отжиг при температуре 250-550°С, согласно изобретению холодная деформация прокаткой осуществляется с приложением к зоне деформации импульсного тока, выполняется дробной с суммарной истинной степенью деформации е≥0,6.

При реализации способа используются также приемы, расширяющие его технологические возможности:

- при выполнении дробной пластической деформации каждое последующее единичное обжатие выполняют со сменой направления прокатки;

- деформирование осуществляют при скоростях прокатки 20-250 мм/сек;

- параметры импульсного тока варьируют на каждом этапе деформирования;

- деформирование осуществляют с приложением к зоне деформации однополярного импульсного тока;

- применяют параметры импульсного тока с частотой 400-1200 Гц, с плотностью тока 60-300 А/мм² и длительностью импульсов в пределах 40-200 мкс.

Предложенный способ обеспечивает получение однородной наноструктуры с размером зерен <100 нм в сплавах титан-никель с ЭПФ за счет высокой накопленной истинной степени деформации, полученной в режиме дробной ЭПП. Способ позволяет получать регламентированные параметры наноструктуры, повышенный комплекс механических и функциональных свойств в широком диапазоне, а также снизить трудоемкость изготовления, значительно повысить качество полуфабрикатов и коэффициент использования материала.

При анализе отличительных признаков было выявлено, что заявляемое изобретение не вытекает явным образом из известного уровня техники. Впервые предложено сочетание электропластической деформации с процессом получения накопления дробной суммарной истинной степени деформации е≥0,6, что позволяет получить новый эффект, приводящий к значительному улучшению физико-механических и функциональных свойств обрабатываемого материала. Способ отличается значительной простотой реализации и возможностью автоматизации процесса. Основополагающие признаки являются новыми и неочевидными. Таким образом, заявляемое изобретение соответствует условию "изобретательский уровень".

Способ осуществляют следующим образом. Исходную заготовку, в частности полосу из сплава титан-никель, в закаленном состоянии подвергают, например, в прокатном стане с клетью, оснащенной генератором импульсного тока, многократной ЭПП, получая высокую накопленную истинную степень деформации е≥0,6. Деформирование сплава ЭПП формирует в полуфабрикатах, в виде ленты, проволоки, полосы толщиной менее 2,0 мм, однородную наноструктуру. Количество проходов (накопленная истинная степень деформации) и режимы электропластической деформации определяются регламентированием параметров наноструктуры для получения определенного уровня или сочетания свойств (прочности, пластичности, памяти формы, сверхупругости).

Параметры однополярного импульсного тока, для формирования определенной микроструктуры при ЭПП, варьируют в следующих интервалах: плотность тока 60-300 А/мм²; частота следования импульсов 400-1200 Гц и длительность импульсов в пределах 40-200 мкс.

Эффективность ЭПП на процесс формирования микроструктуры снижается при плотности тока ниже 45 А/мм²,а также при длительности импульса тока менее 30 мкс и более 250 мкс.

Пример конкретного выполнения.

Исходным материалом является крупнозернистая полоса сечением 2×5 мм из сплава Ti_49.3 Ni_50.7, после гомогенизации при температуре 800°С в течение 1 часа и закалки в воду. Полосу подвергают дробной прокатке при комнатной температуре в двухвалковом стане, оснащенном генератором импульсного тока, при скорости прокатки 35 мм/с. Единичное обжатие составляет по сечению 5%, при этом каждое последующее обжатие выполняют со сменой направления прокатки и т.д. до конечной толщины 0,2 мм. Параметры импульсного тока, подводимого к зоне пластической деформации, регулируются генератором и составляют: плотность тока 160 А/мм²; частота и длительность следования импульсов 1000 Гц и 80 мкс соответственно. Температура окончательного отжига составляла 450°С, длительность 1,0 час.

ЭПП в приведенных режимах позволяет получить следующие результаты:

при накопленной истинной степени деформации е=0,7 ЭПП приводит к уменьшению среднего размера зерна до 100 нм, что на два-три порядка меньше по сравнению с прототипом, и в два раза меньше по сравнению с лучшим результатом, достигнутым в способе получения ультрамелкозернистой структуры методом равноканального углового прессования с последующей прокаткой и отжигом (размер зерна составляет 230-260 нм);

при степени деформации е≥1,8 - средний размер зерна составляет 50 нм, при этом комплекс функциональных свойств выше, по сравнению с прототипом, например, максимальное реактивное напряжение достигает 1100 МПа;

при степени деформации более е≥2,3 ЭПП позволяет получить нанокристаллическую структуру с размером зерен около 30 нм;

регламентирование режимов обработки дает возможность контролировать уменьшение размера зерна в пределах 100-30нм, что позволяет управлять пластическими, прочностными характеристиками, а также уровнем функциональных свойств. Способ, например, позволяет повысить прочность σ_в, σ_0,2 на 35-45%, показатели функциональных свойств - реактивное напряжение σ_r ^max (в два раза) и обратимой деформации ε_r ^max на 1,4-2,0%.

Помимо указанных свойств ЭПП в два раза повышает предел усталости и в несколько раз демпфирующую способность, что необходимо для имплантируемых материалов, используемых в медицине.

Таким образом, предложенный способ получения нанокристаллических сплавов позволяет существенно повысить уровень механических и функциональных свойств обрабатываемого материала и использовать его в ответственных технических конструкциях и устройствах, в том числе в медицине.

1. Способ получения наноструктурного сплава титан-никель с эффектом памяти формы, включающий холодную деформацию сплава многократной прокаткой с обеспечением суммарной истинной степени деформации e≥0,6 и отжиг при температуре 250-550°С, в котором осуществляют прокатку предварительно закаленного сплава с приложением к зоне деформации импульсного тока, параметры которого варьируют в следующих интервалах: плотность тока 60-300 А/мм², частота следования импульсов 400-1200 Гц и длительность импульсов 40-200 мкс.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что каждое последующее единичное обжатие при многократной прокатке осуществляют со сменой направления.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что прокатку осуществляют со скоростью 20-250 мм/с.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что параметры импульсного тока варьируют на каждом этапе деформирования.

5. Способ по п.4, отличающийся тем, что используют однополярный импульсный ток.