СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ НАНОСТРУКТУРИРОВАННЫХ ПОКРЫТИЙ С ЭФФЕКТОМ ПАМЯТИ ФОРМЫ НА СТАЛИ
METHOD FOR OBTAINING NANOSTRUCTURED SURFACES WITH STEEL SHAPE MEMORY EFFECT

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:
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 (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.
-4
-5
-1
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 10-10 мм рт.ст. (защитной атмосфере, среде аргона) при следующих параметрах: рабочая камера объемом 0,5 л, скорость вращения мешалки 600-1200 мин, 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, Т<sub>отж</sub>, °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