СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ НАНОСТРУКТУРНЫХ СПЛАВОВ ТИТАН-НИКЕЛЬ С ЭФФЕКТОМ ПАМЯТИ ФОРМЫ
METHOD OF RECEIVING OF NANO-STRUCTURAL ALLOYS TITANIUM-NICKEL WITH EFFECT OF SHAPE MEMORY

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.
7
6
7
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, МКИ 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, МКИ 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, МКИ 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.
7
Наиболее близким по техническому результату является способ получения ультрамелкозернистых сплавов титан-никель с ЭПФ (Патент РФ №2266973, МКИ 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.
2
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/см 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;
2
- применяют параметры импульсного тока с частотой 400-1200 Гц, с плотностью тока 60-300 А/мм 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).
2
Параметры однополярного импульсного тока, для формирования определенной микроструктуры при ЭПП, варьируют в следующих интервалах: плотность тока 60-300 А/мм; частота следования импульсов 400-1200 Гц и длительность импульсов в пределах 40-200 мкс.
2
Эффективность ЭПП на процесс формирования микроструктуры снижается при плотности тока ниже 45 А/мм,а также при длительности импульса тока менее 30 мкс и более 250 мкс.
Пример конкретного выполнения.
49.3
50.7
2
Исходным материалом является крупнозернистая полоса сечением 2×5 мм из сплава Ti Ni, 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/мм; 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;
в
0,2
r
r
max
max
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, σ на 35-45%, показатели функциональных свойств - реактивное напряжение σ  (в два раза) и обратимой деформации ε  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.