СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ НАНОСТРУКТУРИРОВАННЫХ ПОКРЫТИЙ НИКЕЛЬ-АЛЮМИНИЙ С ЭФФЕКТОМ ПАМЯТИ ФОРМЫ НА СТАЛИ
PROCEDURE FOR PRODUCTION OF NANO-STRUCTURED NICKEL-ALUMINIUM COATING ON STEEL WITH SHAPE MEMORY EFFECT

Изобретение относится к области металлургии, а именно к деформационно-термической обработке покрытий никель-алюминий с эффектом памяти формы, и может быть использовано в металлургии, машиностроении и медицине.
В настоящее время существуют следующие способы, улучшающие свойства покрытия термомеханической обработкой:
1
2
1
2
- 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 T<T<T, где T - критическая температура хрупкости покрытия, Т - температура, при которой происходит разупрочнение жаропрочных никелевых сплавов, и при величине давления 30-150 МПа (заявка на патент РФ №2007115483).
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.
Известны способы получения покрытий с эффектом памяти формы NiAl (Материалы с эффектом памяти формы: Справ. изд. / Под ред. Лихачева В.А. - Т.1. - СПб.: Изд-во НИИХ СПбГУ, 1997. - 424 с./ Т.2. - СПб.: Изд-во НИИХ СПбГУ, 1998. - 374 с./ Т.3 - СПб.: Изд-во НИИХ СПбГУ, 1998, 474 с./ Т.4. - СПб.: Изд-во НИИХ СПбГУ, 1998. - 268 с.К.Oоцука, К.Симидзу, Ю.Судзуки и др. Сплавы с эффектом памяти формы. / Под ред. Х.Фунакубо. Пер. с японск. - М.: Металлургия, 1990. - 224 с.)
Недостатком покрытия с эффектом памяти формы NiAl являются его слабые механические (прочностные и пластические) характеристики.
Задачей предложенного изобретения является повышение механических характеристик сплавов никель-алюминий с эффектом памяти формы.
Техническим результатом является получение наноструктурированного покрытия NiAl с эффектом памяти формы.
Поставленная задача решается предложенным способом получения наноструктурированных покрытий никель-алюминий с эффектом памяти формы на стали, включающим нанесение покрытия при помощи плазменной наплавки порошка NiAl с эффектом памяти формы, закалку при температуре 1000-1200°C с последующим охлаждением в жидком азоте, последующее проведение пластической деформации покрытия в три этапа, на первом этапе - в интервале температур 300-350°С со степенью пластической деформации ε=4,5-10%, на втором этапе - в интервале температур 350-400°С со степенью пластической деформации ε=10-15%, на третьем этапе - в интервале температур 400-480°С со степенью пластической деформации ε=15-40%, при этом после каждого этапа пластической деформации проводят отжиг при температуре 500-600°С в течение 1-1,5 ч. Пластическую деформацию покрытия NiAl осуществляют обкаткой трехроликовым приспособлением в радиальном направлении. В покрытии NiAl с эффектом памяти формы содержится 36-38% алюминия.
За счет того, что мы проводим закалку сплава с последующей трехэтапной пластической деформацией, в результате которой происходит активизация релаксаций, благодаря генерации вакансий или областей свободного объема атомарного размера, так же оптимально подобранной степени деформации без разрушения полученной структуры. Фаза нанокристаллизуется за счет высокой скорости аннигиляции в ней дефектов деформации. Предложенный способ обеспечивает получение наноструктуры с размером зерен 5-60 нм на стальных образцах, покрытых NiAl с эффектом памяти формы. Предложенный способ позволяет управлять параметрами наноструктурированного сплава NiAl и проявлять высокие механические свойства.
Способ осуществляется следующим образом.
Порошок NiAl с эффектом памяти формы Ni-(36-38%)at. Al наносят при помощи плазменной наплавки на стержень из стали 45 диаметром 10 мм и длиной 120 мм, получаем покрытие толщиной 0,2-3 мм, далее осуществляют закалку в интервале температур 1000-1200°C с последующим охлаждением в жидком азоте, покрытие (сплав) с эффектом памяти формы NiAl подвергают интенсивной пластической деформации. Пластическую деформацию покрытия с эффектом памяти формы NiAl проводят в три этапа.
На первом этапе пластическую деформацию сплава с эффектом памяти формы NiAl осуществляют в интервале температур 300-350°С при помощи обкатки в трехроликовом приспособлении в радиальном направлении за 15-30 проходов с целью накопления степени деформации ε≥4,5-10%. После охлаждения стержня с деформируемым сплавом с эффектом памяти формы NiAl до комнатной температуры проводят отжиг при температуре 500-600°С в течение 1-1,5 ч. На втором этапе пластическую деформацию сплава с эффектом памяти формы NiAl осуществляют в интервале температур 350-400°С при помощи обкатки в трехроликовом приспособлении в радиальном направлении за 30-80 проходов с целью накопления степени деформации ε=10-15%. После охлаждения стержня с деформируемым сплавом с эффектом памяти формы NiAl до комнатной температуры проводят отжиг при температуре 500-600°С в течение 1-1,5 ч. На третьем этапе пластическую деформацию сплава с эффектом памяти формы NiAl осуществляют в интервале температур 400-480°С при помощи обкатки в трехроликовом приспособлении в радиальном направлении за 80-110 проходов с целью накопления степени деформации ε=15-40%. После охлаждения стержня с деформируемым сплавом с эффектом памяти формы NiAl до комнатной температуры проводят отжиг при температуре 500-600°С в течение 1-1,5 ч.
После трех этапов термомеханической обработки осуществляют закалку при температуре 1000-1200°C с последующим охлаждением в жидком азоте сплава NiAl с эффектом памяти формы.
Отжиг проводят при температуре 500-600°С в течение 1-1,5 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, соответственно к более высокой прочности и твердости сплава NiAl.
Пример 1
Порошок NiAl с эффектом памяти формы Ni-(36-38%) Al наносят при помощи плазменной наплавки на стержень из стали 45 диаметром 10 мм и длиной 120 мм, получаем покрытие толщиной 1 мм, далее осуществляют закалку при температуре 1200°C с последующим охлаждением в жидком азоте, покрытие (сплав) с эффектом памяти формы NiAl подвергают интенсивной пластической деформации. Пластическую деформацию покрытия с эффектом памяти формы NiAl проводят в три этапа.
На первом этапе пластическую деформацию сплава с эффектом памяти формы NiAl осуществляют при температуре 345°С при помощи обкатки в трехроликовом приспособлении в радиальном направлении за 30 проходов с целью накопления степени деформации ε=4,5-10%. После охлаждения стержня с деформируемым сплавом с эффектом памяти формы NiAl до комнатной температуры проводят отжиг при температуре 520°С в течение 1 ч. На втором этапе пластическую деформацию сплава с эффектом памяти формы NiAl осуществляют при температуре 400°С при помощи обкатки в трехроликовом приспособлении в радиальном направлении за 80 проходов с целью накопления степени деформации ε=10-15%. После охлаждения стержня с деформируемым сплавом с эффектом памяти формы NiAl до комнатной температуры проводят отжиг при температуре 525°С в течение 1,5 ч. На третьем этапе пластическую деформацию сплава с эффектом памяти формы NiAl осуществляют в интервале температур 475°С при помощи обкатки в трехроликовом приспособлении в радиальном направлении за 105 проходов с целью накопления степени деформации ε=15-40%. После охлаждения стержня с деформируемым сплавом с эффектом памяти формы NiAl до комнатной температуры проводят отжиг при температуре 545°С в течение 1,25 ч.
После трех этапов термомеханической обработки осуществляют закалку при температуре 1100°C с последующим охлаждением в жидком азоте сплава NiAl с эффектом памяти формы.
Полученные покрытия с эффектом памяти формы NiAl были подвергнуты многоцикловым усталостным испытаниям на установке МУИ-6000 для определения механических свойств, одновременно таким же испытаниям было подвергнуто известное NiAl покрытие с эффектом памяти формы.
Результаты испытаний сведены в таблицу 1.
Как видно из таблицы 1, полученное NiAl покрытие с эффектом памяти формы обладает повышенными механическими свойствами за счет получения наноструктурированных зерен, также улучшаются пластичные свойства покрытия с эффектом памяти формы, повышается твердость покрытия.