Способ получения наноструктурированных покрытий с эффектом памяти формы на стали

Способ получения наноструктурированных покрытий с эффектом памяти формы на стали

Реферат

Изобретение относится к области металлургии, а именно к деформационно-термической обработке покрытий титан-никель-медь с эффектом памяти формы, и может быть использовано в металлургии, машиностроении и медицине.

В настоящее время существуют следующие способы, улучшающие свойства покрытия термомеханической обработкой:

- известен способ упрочнения покрытий деталей из жаропрочных никелевых сплавов, включающий термомеханическую обработку и рекристаллизационный отжиг покрытия, термомеханическую обработку покрытия осуществляют путем горячего изостатического прессования в инертной газовой среде при температуре Т, выбираемой в интервале T₁<T<T₂, где T₁ - критическая температура хрупкости покрытия, Т₂ - температура, при которой происходит разупрочнение жаропрочных никелевых сплавов, и при величине давления 30-150 МПа (патент РФ №2351685).

Недостатком способа является использование лишь одного механизма повышения комплекса свойств покрытий - создание полигонизованной дислокационной субструктуры, что ограничивает возможность одновременного улучшения их механических (прочностных и пластических) характеристик, невозможность получения эффекта памяти формы покрытий.

Известен способ получения наноструктурированных покрытий никель-алюминий с эффектом памяти формы на стали, включающий нанесение покрытия при помощи плазменной наплавки порошка NiAl с эффектом памяти формы, закалку при температуре 1000-1200°C с последующим охлаждением в жидком азоте и последующее пластическое деформирование покрытия в три этапа. На первом этапе - в интервале температур 300-350°C со степенью пластической деформации ε=4,5-10%. На втором этапе - в интервале температур 350-400°C со степенью пластической деформации ε=10-15%. На третьем этапе в интервале температур 400-480°C со степенью пластической деформации ε=15-40%. При этом после каждого этапа пластической деформации проводят отжиг при температуре 500-600°C в течение 1-1,5 ч. В результате получается наноструктурированное покрытие NiAl с эффектом памяти формы (патент РФ №2398027).

Недостатком покрытия с эффектом памяти формы TiNiCu являются его слабые механические (прочностные и пластические) характеристики.

Задачей предложенного изобретения является повышение механических характеристик сплавов с эффектом памяти формы.

Техническим результатом является повышение прочности сцепления покрытия с подложкой (адгезии), снижение пористости покрытий.

Технический результат достигается предложенным способом получения наноструктурированных покрытий с эффектом памяти формы на стали, включающий получение покрытия путем нанесения порошка с эффектом памяти формы на основе Ni на поверхность стали, закалку при нагревании до 1000°C с последующим охлаждением в жидком азоте, пластическое деформирование покрытия в три этапа при нагревании, при этом после каждого этапа пластической деформации проводят отжиг, отличающийся тем, что используют порошок для покрытия с ЭПФ с содержанием Ti, Ni и Cu при следующем соотношении компонентов, мас.%, Ni - 41-44, Cu - 5-10, Ti - остальное, при этом перед нанесением покрытия осуществляют предварительную механическую активацию порошка TiNiCu в вакууме для повышения его реакционной способности, а нанесение покрытия осуществляют путем высокоскоростного газопламенного напыления порошка. Пластическую деформацию покрытия TiNiCu осуществляют трехроликовым приспособлением в радиальном направлении. Пластическую деформацию покрытия на первом этапе в интервале температур 250-300°C со степенью пластической деформации ε=5-8%, на втором этапе в интервале температур 300-370°C со степенью пластической деформации ε=10-12%, на третьем этапе в интервале температур 370-450°С со степенью пластической деформации ε=12-30%. Отжиг после каждого этапа пластической деформации проводят при температуре 450-500°C в течение 0,5-1 ч. Предварительная механическая активация порошка осуществляется в вакууме 10^-4-10^-5 мм рт.ст. (защитной атмосфере, среде аргона) при следующих параметрах: рабочая камера объемом 0,5 л, скорость вращения мешалки 600-1200 мин^-1, диаметр стальных шаров составлял 6 мм, время работы 45 мин.

За счет проведения предварительной механической активации порошков с эффектом памяти формы в вакууме происходит деформация кристаллической решетки металла, вследствие чего возникает пространственная и энергетическая неоднородность поверхности, что приводит к увеличению дефектности и энергонасыщенности за счет их пластического деформирования и дробления. При взаимодействии высокоскоростной струи газопламенной установки с механически активированными порошками с ЭПФ происходит выделение накопленной энергии, приводящей к изменению свойств. В результате повышается адгезия, когезия и снижается их пористость.

Способ осуществляется следующим образом.

Предварительно механически активированный в вакууме порошок TiNiCu с эффектом памяти формы Ti(49-54%)Ni(41-44%)Cu(5-10%), наносят при помощи высокоскоростного газопламенного напыления на стержень из стали 45 диаметром 8-15 мм и длиной 100-150 мм, получают покрытие толщиной 0,1-5 мм, далее осуществляют закалку в интервале температур 500-1000°С с последующим охлаждением в жидком азоте, покрытие (сплав) с эффектом памяти формы TiNiCu подвергают интенсивной пластической деформации. Пластическую деформацию покрытия с эффектом памяти формы TiNiCu проводят в три этапа.

На первом этапе пластическую деформацию сплава с эффектом памяти формы TiNiCu осуществляют в интервале температур 250-300°C при помощи обкатки в трехроликовом приспособлении в радиальном направлении за 20-25 проходов с целью накопления степени деформации ε=5-8%. После охлаждения стержня с деформируемым сплавом с эффектом памяти формы TiNiCu до комнатной температуры проводят отжиг при температуре 450-500°C в течение 0,5-1 ч. На втором этапе пластическую деформацию сплава с эффектом памяти формы TiNiCu осуществляют в интервале температур 300-370°C при помощи обкатки в трехроликовом приспособлении в радиальном направлении за 35-85 проходов с целью накопления степени деформации ε=10-12%. После охлаждения стержня с деформируемым сплавом с эффектом памяти формы TiNiCu до комнатной температуры проводят отжиг при температуре 450-500°C в течение 0,5-1 ч. На третьем этапе пластическую деформацию сплава с эффектом памяти формы TiNiCu осуществляют в интервале температур 370-450°C при помощи обкатки в трехроликовом приспособлении в радиальном направлении за 85-120 проходов с целью накопления степени деформации ε=12-30%. После охлаждения стержня с деформируемым сплавом с эффектом памяти формы TiNiCu до комнатной температуры проводят отжиг при температуре 450-500°C в течение 0,5-1 ч.

После трех этапов термомеханической обработки осуществляют закалку при температуре 600-800°C с последующим охлаждением в жидком азоте сплава TiNiCu с эффектом памяти формы.

Отжиг проводят при температуре 450-500°C в течение 0,5-1 ч для повышения технологической пластичности и формирования определенного типа наноструктуры с одновременным увеличением прочности и пластичности сплава, придания сплаву эффекта памяти формы.

Как показывают полученные результаты, пластическая деформация в трехроликовом приспособлении приводит к уменьшению размера зерен, увеличению адгезии, когезии, снижению пористости и соответственно к более высокой прочности и твердости сплава TiNiCu.

Пример 1

Предварительно механически активированный в вакууме порошок TiNiCu с эффектом памяти формы Ti51Ni44Cu5, наносят при помощи высокоскоростного газопламенного напыления на стержень из стали 45 диаметром 12 мм и длиной 100 мм, получают покрытие толщиной 1,3 мм, далее осуществляют закалку при температуре 950°C с последующим охлаждением в жидком азоте, покрытие с эффектом памяти формы Ti51Ni44Cu5 подвергают интенсивной пластической деформации. Пластическую деформацию покрытия с эффектом памяти формы Ti51Ni44Cu5 проводят в три этапа.

На первом этапе пластическую деформацию сплава с эффектом памяти формы Ti51Ni44Cu5 осуществляем при температуре 280°C при помощи обкатки в трехроликовом приспособлении в радиальном направлении за 20 проходов с целью накопления степени деформации ε≥5,2%. После охлаждения стержня с деформируемым сплавом с эффектом памяти формы Ti51Ni44Cu5 до комнатной температуры проводят отжиг при температуре 450°C в течение 0,5 ч. На втором этапе пластическую деформацию сплава с эффектом памяти формы Ti51Ni44Cu5 осуществляют при температуре 350°C при помощи обкатки в трехроликовом приспособлении в радиальном направлении за 60 проходов с целью накопления степени деформации ε=10,5%. После охлаждения стержня с деформируемым сплавом с эффектом памяти формы Ti51Ni44Cu5 до комнатной температуры проводят отжиг при температуре 480°C в течение 0,7 ч. На третьем этапе пластическую деформацию сплава с эффектом памяти формы Ti51Ni44Cu5 осуществляют при температуре 450°C при помощи обкатки в трехроликовом приспособлении в радиальном направлении за 110 проходов с целью накопления степени деформации ε=20,5%. После охлаждения стержня с деформируемым сплавом с эффектом памяти формы Ti51Ni44Cu5 до комнатной температуры проводят отжиг при температуре 500°C в течение 1 ч.

После трех этапов термомеханической обработки осуществляют закалку при температуре 800°C с последующим охлаждением в жидком азоте сплава Ti51Ni44Cu5 с эффектом памяти формы.

Полученные покрытия с эффектом памяти формы TiNiCu были подвергнуты многоцикловым усталостным испытаниям на установке МУИ-6000 для определения механических свойств, одновременно таким же испытаниям было подвергнуто известное TiNiCu покрытие с эффектом памяти формы.

Результаты испытаний сведены в таблицу 1.

Как видно из таблицы 1, полученное TiNiCu покрытие с эффектом памяти формы обладает повышенными механическими свойствами за счет повышения адгезии, снижения пористости покрытий, также за счет формирования наноструктуры, улучшаются пластические свойства покрытия с эффектом памяти формы.

Таблица 1
Механические характеристики и свойства стали 45 с покрытием TiNiCu
№ п/п	Воздействие на сплав	Количество этапов	Температура отжига, Тотж, °С	Температура, при которой ведется пластическая деформация и число проходов	Прочность сцепления покрытия с подложкой (адгезия), МПа	Пористость, %	Средний размер зерна, нм	Предел выносливости, МПа
1	Пластическая деформация в трехроликовом приспособлении в радиальном направлении	I	470	295-20	78	1,95	89	615
2	465	290-22	82	1,59	85	621
3	460	285-24	85	1,38	76	653
4	455	260-25	90	1,24	71	668
5	Пластическая деформация в трехроликовом приспособлении в радиальном направлении	II	480	370-45	107	1,17	67	671
6	475	350-55	124	0,98	62	689
7	470	330-65	132	0,89	57	702
8	465	310-75	145	0,75	52	715
9	Пластическая деформация в трехроликовом приспособлении в радиальном направлении	III	500	450-90	162	0,56	48	729
10	490	420-100	183	0,37	44	746
11	485	400-110	197	0,28	40	765
12	480	380-120	238	0,18	38	780
13	Наноструктурированное покрытие NiAl с эффектом памяти формы, после всех этапов обработки (патент РФ №2398027)	I+II+III	545	475-105	186	0,42	45	720
14	Покрытие TiNiCu с эффектом памяти формы (известный)	-	600	-	75	2,96	348	405

1. Способ получения наноструктурированных покрытий с эффектом памяти формы на стальной поверхности, включающий нанесение порошка с эффектом памяти формы на основе Ni на стальную поверхность, закалку с нагревом до 1000°C и последующим охлаждением в жидком азоте, пластическую деформацию полученного покрытия в три этапа при нагреве, при этом после каждого этапа пластической деформации проводят отжиг, отличающийся тем, что используют порошок с эффектом памяти формы, содержащий компоненты при следующем соотношении, мас.%: Ni - 41-44,Cu - 5-10,Ti - остальное,при этом перед нанесением покрытия осуществляют предварительную механическую активацию порошка TiNiCu в вакууме для повышения его реакционной способности, а нанесение порошка осуществляют высокоскоростным газопламенным напылением.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что пластическую деформацию покрытия TiNiCu осуществляют трехроликовым приспособлением в радиальном направлении.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что пластическую деформацию покрытия на первом этапе осуществляют в интервале температур 250-300°C со степенью пластической деформации ε=5-8%, на втором этапе - в интервале температур 300-370°C со степенью пластической деформации ε=10-12%, на третьем этапе - в интервале температур 370-450°C со степенью пластической деформации ε=12-30%.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что отжиг после каждого этапа пластической деформации проводят при температуре 450-500°С в течение 0,5-1 ч.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что предварительную механическую активацию порошка осуществляют посредством стальных шаров с диаметром 6 мм в течение 45 мин, в вакууме 10^-4-10^-5 мм рт.ст., в среде аргона при следующих параметрах: рабочая камера с объемом 0,5 л и скоростью вращения мешалки 600-1200 мин^-1.