Способ получения прутков из сверхупругих сплавов системы титан-цирконий-ниобий
METHOD OF PRODUCING RODS FROM SUPERPLASTIC ALLOYS OF TITANIUM-ZIRCONIUM-NIOBIUM SYSTEM

Изобретение относится к термомеханической обработке титановых сплавов для медицины, а именно к созданию способа получения прутков из сверхупругих сплавов системы титан-цирконий-ниобий. Длинномерные прутки после обработки с использованием предлагаемого способа могут быть использованы в медицине, в качестве заготовок для изготовления костных имплантатов.
Известен способ получения способ получения проволоки из сплава титан-ниобий-тантал-цирконий с эффектом памяти формы, включающий гомогенизирующий отжиг слитка проводят в вакууме при температуре 600°С в течение 16 ч, интенсивную пластическую деформацию осуществляют путем многостадийной прокатки при температуре 15-30°С с обеспечением достижения в полученной заготовке накопленной степени деформации в 400%, а рекристаллизационный отжиг осуществляют в вакууме при температуре 550°С, затем заготовку нарезают на прутки электроэрозионным методом, проводят многостадийную ротационную ковку прутков при температуре 250°С и многостадийное волочение при температуре 80-100°С и степени деформации не более 80% с получением проволоки, при этом после каждой стадии ротационной ковки и волочения осуществляют отжиг в вакууме при температуре 550°С. (Патент РФ №2656626, МПК C22F 1/18, опубликовано: 06.06.2018 Бюл. №16). В отношении получения длинномерных прутков из сплавов системы титан-цирконий-ниобий известный способ имеет недостатки. Предписываемая способом деформация продольной прокаткой с накопленной степенью деформации в 400% формирует резко выраженную анизотропную структуру и свойства, которые:
- существенно снижают деформируемость прокатанных промежуточных заготовок и последующая ротационная ковка, сопровождается образованием разрывов.
- не позволяет получить требуемый уровень комплекса специальных свойств;
Финишное волочение, усугубляя структурную анизотропию, ведет к дальнейшему снижению свойств.
Известен также способ получения прутка из сплава системы никель-титан с эффектом памяти формы, характеризующийся тем, что изготавливают из сплава системы никель-титан с эффектом памяти формы прессованием или поперечно-винтовой прокаткой заготовку в виде прутка, которую далее нагревают и подвергают ротационной ковке в несколько стадий до требуемого размера со степенью деформации 5-25% на каждой стадии с промежуточным нагревом заготовки между стадиями ковки, при этом нагрев заготовки перед ротационной ковкой и промежуточный нагрев осуществляют до температуры 300-500°С в течение 30-180 минут, а после достижения суммарной деформации 40-90% между стадиями ковки осуществляют дополнительный отжиг заготовки при температуре 300-500°С в течение 30-180 минут. (Патент РФ №2536614, МПК C22F 1/18, опубликовано: 27.12.2014 Бюл. №36).
Данный способ не позволяет сформировать мелкодисперсную структуру свойства в прутках из титан-цирконий-ниобиевых сплавов, необходимые для создания костных имплантанов. Недостаток связан с тем, что в данном способе, подробно регламентированы только условия проведения ротационной ковки, при этом не указаны режимы поперечно-винтовой прокатки и нет связи между режимами винтовой прокатки и ковки. Это приводит к непредсказуемости получаемого результата. Поскольку, как известно, винтовая прокатка обладает максимально широким спектром деформационного воздействия на деформируемый металл; от его разрушения до интенсивного уплотнения. (Потапов И.Н., Полухин П.И. Технология винтовой прокатки. М.: Металлургия, 1990. - 344 с.)
Деформируемость сплавов системы титан-цирконий-ниобий весьма чувствительно циклическим и скоростным условиям деформации, несоблюдение которых при винтовой прокатке ведет либо к нарушениям сплошности металла и снижению его свойств, либо разрушению заготовок.
Наиболее близким техническим решением, принятым за прототип, является способ получения прутков из сплавов системы никель-титан с эффектом памяти формы, согласно которому создают сплав с эффектом памяти формы, изготавливают из сплава прессованием или поперечно-винтовой прокаткой полуфабрикаты в виде прутков, нагревают их до температуры 450-950°С и изготавливают из полуфабрикатов прутки ротационной ковкой. (Патент РФ №2162900, МПК C22F 1/18, опубликовано: 10.02.2001 Бюл. №4).
Способ-прототип, не позволяет получить требуемые структуру и специальные свойства в прутках сплавов системы титан-цирконий-ниобий, применяемых в качестве заготовок для изготовления костных имплантатов. Особенно сплавов типа Ti-18Zr-14Nb (в ат. %), которые, благодаря формированию динамически полигонизованной субструктуры β-фазы с размером субзерен 1-2 мкм, проявляют совершенное сверхупругое поведение при температуре человеческого тела, низкий модуль Юнга (менее 50 ГПа) и высокую функциональную усталостную долговечность. Все это обуславливает высокий уровень биомеханической совместимости с костной тканью.
Данный недостаток обусловлен с отсутствием регламента проведения поперечно-винтовой прокатки, направленным на формирование заданной структуры и свойств в сплавах этого типа. Кроме, того возможно образование разрывов и несплошностей в структуре металла при проведении как поперчено-винтовой прокатки, так и при ковке. В частности, режимы поперечно-винтовой прокатки с неконтролирумыми цикличностью (количеством циклов деформации и числом проходов) и скоростью вращения заготовки сопровождаются нарушением рационального температурного интервала пластической обработки в условиях деформационного разогрева с одной стороны и захолаживания поверхностных слоев металла с другой. В результате формируемая структура свойства и не соответствуют установленным требованиям. Наблюдается существенное снижение деформируемости заготовок, при котором получение качественных прутков затруднительно.
Отсутствие в известном способе предписаний по долям истинной деформации при винтовой прокатке и ротационной ковке приводит к недопустимой потере стабильности получаемых результатов.
Технический результат изобретения состоит в повышении служебных свойств сверхупругих сплавов системы титан-цирконий-ниобий, работающих в условиях долговременных знакопеременных нагрузок. Применение этого способа позволит получать прутки из сверхупругих сплавов Ti-Zr-Nb длиной не менее 2000 мм размерного ряда по диаметру от 3 до 10 мм. Полученные прутки будут демонстрировать временное сопротивление при испытаниях на растяжении не менее 500 МПа по стандарту ASTM Е8/Е8М и относительное удлинение не менее 10% при испытаниях на растяжение по стандарту ASTM Е8/Е8М. Они будут адекватно функционировать в контакте с костной тканью человека, в частности, обладать схожим с живой тканью механическим поведением (низкий модуль Юнга менее 60 ГПа, выраженный эффект сверхупругости), а также обладать высокой коррозионной стойкостью (не ниже чистого титана).
Технический результат достигается тем, что в способе получения прутков из сверхупругих сплавов системы титан-цирконий-ниобий, включающем включающий нагрев заготовок до температуры 800-950°С и их деформационно-термическую обработку сочетанием многопроходной винтовой прокатки с промежуточными подогревами и ротационной ковки, деформирование заготовок винтовой прокаткой выполняют с истинной степенью деформации, составляющей 0,55-0,85 от суммарной, со скоростью вращения раската 9-70 рад/сек и при этом соблюдают соотношение
Σц
где n - где суммарное число частных обжатий за все проходы; N - число проходов.
Изобретение поясняется рисунком, где на фиг. 1 показана схема реализации винтовой прокатки, где а - проход; б - подогрев; в - следующий проход.
В данном способе реализуются принципы приспособляемости металла к условиям эксплуатации, путем адаптирующих условий проведения термомеханической обработки. Адаптация металла к знакопеременным нагрузкам производится за счет двух уровневой дробно-циклической деформации. Дробность деформации первого уровня выполняется многопроходной (2-10 проходов) винтовой прокаткой с промежуточными подогревами. В каждом отдельном проходе цикличность деформации второго уровня создается винтовым движением по заданным траекториям со скоростью вращения раската 9-70 рад/сек. При этом соблюдаются условие (*). В условиях реализации способа радиально-сдвиговой прокаткой и последующей ротационной ковкой формируется функционально градиентная структура металла. В периферийных слоях образуется мелкодисперсное строение с практически изотропным распределением структурных элементов и максимальным уровнем вязко-пластических свойств металла. По мере приближения к центру прутка линейные размеры зерен укрупняются и вытягиваются в осевом направлении. При это повышаются прочностные показатели. В целом создается естественный псевдокомпозит с пластичной оболочкой и «жесткой» сердцевиной, который обеспечивает достижение технического результата.
В данном способе винтовая прокатка выполняет функцию начального структурообразующего фактора, повышающего пластические свойства металла и делающая возможной последующую ротационную ковку. Ротационная ковка применяется как финишная обработка для удержания градиентной структуры в заданных пределах и получения прутков малого сечения (<10 мм).
Существенные отличительные признаки предлагаемого способа, выражаемые количественными интервалами режимов винтовой прокатки, установлены в результате прямой экспериментальной отработки. Они необходимы для достижения технического результата.
Интервал истинной степени деформации при винтовой прокатке составляет 0,55-0,85 от суммарной истинной степени деформации при винтовой прокатке и ротационной ковке. При истинной степени меньше 0,55 деформации винтовой прокаткой недостаточно для требуемого измельчения структуры и повышения пластических свойств металла. При этом технический эффект изобретения исчезает. Возможно образование разрывов при ковке. Если доля деформации винтовой прокаткой превышает 0,85 от суммарной, то, образуется чрезмерный градиент структуры и свойств по сечению получаемых прутков, который также ведет к потере технического результата. Кроме того, становится затруднительным получение прутков диаметром менее 10 мм.
Соблюдение скорости вращения раската в пределах 9-70 рад/с, контролируя скорость деформации и деформационный разогрев, поддерживает заданную температуру деформируемого металла по всему объему проката. Чрезмерно высокая скорость вращения раската (>70 рад/с) разогревает прокат на 50-80°С выше заданного уровня. При этом наблюдается недопустимый рекристаллизационный рост зерен и снижение пластичности. Кроме, того высокие скорости деформации являются прямым фактором, снижающим деформируемость сплавов системы титан-цирконий-ниобий. Возрастает опасность разрушения заготовок при прокатке. При малых скоростях вращения раската (<9 рад/с) наблюдается обратная температурная картина. Деформируемый металл на контакте с относительной холодными валками «захолаживается». При этом его пластичность в приконтактной зоне также снижается и образуются поверхностные дефекты.
Существенный отличительный признак способа по соотношению (*) задает требуемые условия по цикличности пластической деформации. Физическая сущность признака поясняется схемой реализации винтовой прокатки на фиг. 1. и состоит в следующем. Цикличность винтовой прокатки является, с одной стороны, фактором прямого действия, обеспечивающим искомый технический результат, но с другой стороны, от числа циклов зависит деформируемость заготовок и вероятность образования разрыв и дефектов. Что-бы получить результат и не допустить образования дефектов, необходимо предусматривать подогрев (выдержку прутка при температуре 800-950°С) через каждые 2,8-12 циклов в очаге деформации при винтовой прокатке (фиг. 1а) (фиг. 1б). В процессе подогрева в сплаве титан-цирконий-ниобий за счет термо-диффузионных процессов и релаксационных явлений снимается накопленная деформационная поврежденность металла. Его пластические свойства восстанавливаются на повышенном уровне и становится возможной дальнейшая прокатка (фиг. 1в.).
Описанная схема термодеформационной обработки «винтовая прокатка → подогрев (выдержка) → винтовая прокатка» воспроизводится необходимое число раз для получения прутка заданного диаметра. При этом целесообразно в каждом последующем проходе винтовой прокатке увеличивать число циклов деформации на 12-18% и повышать скорость вращения заготовки на 15-25%.
Если  то количество циклов при винтовой прокатке недостаточно для формирования требуемого структурного строения. При  образуется периферийные разрывы металла вследствие чрезмерно большого числа без промежуточного подогрева.
Кроме, того достижению и усилению положительного эффекта способствует проведение винтовой прокатки в трехвалковом стане, при углах подачи валков 18-24°, отрицательных углах раскатки -5-20° и углах наклона образующей валков к оси прокатки 7-13°. Положительно сказывается на результате проведение ротационной ковки при температуре на 100-200 градусов ниже, чем при винтовой прокатке. Возможна также холодная ротационная ковка.
Пример 1 реализации способа.
Слиток сплава Ti-18Zr-14Nb (в ат. %) диаметром 50 мм, длиной 660 мм был выплавлен методом вакуумной индукционной плавки
Слиток обтачивался до диаметра 46 мм и отбирались контрольные пробы на образцы для исследования структуры и свойств.
Далее слиток подвергался деформационно-термической обработке. Нагревался в камерной электропечи сопротивления до температуры 900°С в течении 60 мин.
Нагретый слиток деформировался винтовой прокаткой за три прохода до диаметра 12 мм. по маршруту ∅46→∅36→∅22→∅12. Между проходами раскат подогревался (выдерживался) в печи в течении 10-15 мин при температуре 900°С. Полученный пруток диаметром 12 мм. подвергался ротационной ковке до диаметра 7 мм. по маршруту ∅12→∅11→∅10→∅9→∅8→∅7 при температуре 600°С также с промежуточными подогревами в течении 8-10 мин. При этом суммарная истинная степень деформации составила:  а истинная степень деформации при винтовой прокатке  или 0,71 от суммарной.
Скорость вращения заготовки и количество циклов деформации в процессе винтовой прокатки приведены в табл. 1.
Суммарное число циклов деформации за три прохода (N=3) составило
Винтовая прокатка выполнялась в трехвалковом стане, при угле подачи валков 20°, угле раскатки -7° и угле наклона образующей валков к оси прокатки 12,5°.
Деформационно-термическая обработка слитка сочетанием многопроходной винтовой прокатки с промежуточными подогревами и ротационной ковки на всех этапах проходила устойчиво без образования каких-либо дефектов.
Полученные прутки подвергались всесторонним исследованиям, в результате которых установлено, что технический результат, достигнут в полном объеме.
Таким образом, в результате применения способа, включающего деформационно-термическую обработку заготовок сочетанием многопроходной винтовой прокатки и ротационной ковки по определенному режиму получены прутки из сверхупругого сплава системы Ti-18Zr-14Nb длиной более 2000 мм и диаметром 7 мм. Показано, что полученные прутки демонстрируют временное сопротивление при испытаниях на растяжении 653 МПа по стандарту ASTM Е8/Е8М и относительное удлинение 12% при испытаниях на растяжение по стандарту ASTM Е8/Е8М. Они будут адекватно функционировать в контакте с костной тканью человека благодаря схожему с живой тканью механическим поведением (низкий модуль Юнга 46 ГПа, выраженный эффект сверхупругости).
Пример 2 реализации способа.
Слиток сплава Ti-18Zr-15Nb (в ат. %) диаметром 60 мм, длиной 200 мм был выплавлен методом вакуумной индукционной плавки
Слиток обтачивался до диаметра 55 мм и отбирались контрольные пробы на образцы для исследования структуры и свойств.
Далее слиток подвергался деформационно-термической обработке. Нагревался в камерной электропечи сопротивления до температуры 950°С в течении 60 мин.
Нагретый слиток деформировался винтовой прокаткой за три прохода до диаметра 12 мм. по маршруту ∅55→∅44→∅36→∅22→∅13. Между проходами раскат подогревался (выдерживался) в печи в течении 10-15 мин при температуре 900°С. Полученный пруток диаметром 12 мм. подвергался ротационной ковке до диаметра 7 мм. по маршруту ∅13→∅12→∅11→∅10→∅9→∅8→∅7→∅6 при температуре 700°С также с промежуточными подогревами в течении 8-10 мин. При этом суммарная истинная степень деформации составила:  а истинная степень деформации при винтовой прокатке  или 0,65 от суммарной.
Скорость вращения заготовки и количество циклов деформации в процессе винтовой прокатки приведены в табл. 2.
Суммарное число циклов деформации за три прохода (N=3) составило
Винтовая прокатка выполнялась в трехвалковом стане, при угле подачи валков 20°, угле раскатки -7° и угле наклона образующей валков к оси прокатки 12,5°.
Деформационно-термическая обработка слитка сочетанием многопроходной винтовой прокатки с промежуточными подогревами и ротационной ковки на всех этапах проходила устойчиво без образования каких-либо дефектов.
Полученные прутки подвергались всесторонним исследованиям, в результате которых установлено, что технический результат, достигнут в полном объеме.
Таким образом, в результате применения способа, включающего деформационно-термическую обработку заготовок сочетанием многопроходной винтовой прокатки и ротационной ковки по определенному режиму получены прутки из сверхупругого сплава системы Ti-18Zr-14Nb длиной более 2000 мм и диаметром 6 мм. Показано, что полученные прутки демонстрируют временное сопротивление при испытаниях на растяжении 620 МПа по стандарту ASTM Е8/Е8М и относительное удлинение 16% при испытаниях на растяжение по стандарту ASTM Е8/Е8М. Они будут адекватно функционировать в контакте с костной тканью человека благодаря схожему с живой тканью механическим поведением (низкий модуль Юнга 42 ГПа, выраженный эффект сверхупругости).