Способ получения наноструктурированных покрытий титан-никель-гафний с высокотемпературным эффектом памяти формы на стали
METHOD OF PRODUCING NANOSTRUCTURED COATING OF TITANIUM-NICKEL-HAFNIUM WITH HIGH-TEMPERATURE SHAPE MEMORY EFFECT ON STEEL

Изобретение относится к области металлургии, а именно к деформационно-термической обработке покрытий титан-никель-гафний с эффектом памяти формы, и может быть использовано в металлургии, машиностроении и медицине.
Известны способы получения покрытий с эффектом памяти формы TiNiZr (Материалы с эффектом памяти формы: Справ. изд. / Под ред. Лихачева В.А. - Т. 1. - СПб.: Изд-во НИИХ СПбГУ, 1997. - 424 с. / T. 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. Ооцука, К. Симидзу, Ю. Судзуки и др. Сплавы с эффектом памяти формы / Под ред. Х. Фунакубо. Пер. с японск. - М.: Металлургия, 1990. - 224 с.)
Недостатком материалов с эффектом памяти формы являются их низкие прочностные характеристики.
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, последующее проведение пластической деформации 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. При этом пластическую деформацию покрытия NiAl осуществляют обкаткой трехроликовым приспособлением в радиальном направлении. Получают покрытие NiAl с эффектом памяти формы с содержанием алюминия 36-38% (патент РФ №2398027).
Недостатком покрытия с эффектом памяти формы NiAl являются его низкие прочностные характеристики и износостойкость.
Задачей предложенного изобретения является повышение прочностных характеристик, адгезии, износостойкости сплавов с эффектом памяти формы.
Техническим результатом является получение многофункционального наноструктурированного покрытия с эффектом памяти формы.
Технический результат достигается предложенным способом получения наноструктурированных покрытий титан-никель-гафний с высокотемпературным эффектом памяти формы на стали, включающий нанесение порошка TiNiHf путем высокоскоростного газопламенного напыления, проведение пластической деформации покрытия в четыре этапа, на первом этапе в интервале температур 500-550°C со степенью пластической деформации ε=6-9%, на втором этапе в интервале температур 570-600°C со степенью пластической деформации ε=9-12%, на третьем этапе в интервале температур 600-700°C со степенью пластической деформации ε=12-15%, на четвертом этапе в интервале температур 850-890°C со степенью пластической деформации ε=15-40%, при этом после каждого этапа пластической деформации проводят отжиг при температуре 500-600°C в течение 2-3 часов, и последующую закалку при температуре 900-950°C с последующим охлаждением. Пластическую деформацию покрытия осуществляют обкаткой трехроликовым приспособлением в радиальном направлении в защитной среде (аргоне) и при пропускании электрического тока в зоне контакта трехроликового приспособления с покрытием Ti-Ni-Hf. В покрытии Ti-Ni-Hf с эффектом памяти формы содержится 19-23% гафния.
Осуществление четырехэтапной пластической деформации сопровождается активизацией релаксационных процессов благодаря генерации вакансий или областей свободного объема атомарного размера, а также благодаря оптимально подобранной степени деформации без разрушения полученной структуры. Нагрев в зоне контакта покрытие - основа (сталь) с одновременной пластической деформацией способствует увеличению пластических свойств, интенсификации пластической деформации и заполнению пор, что ведет к увеличению плотности покрытия и повышению когезионной прочности, вследствие диффузии материала покрытия и основы (стали). Покрытие Ti-Ni-Hf нанокристаллизуется за счет высокой скорости аннигиляции в нем дефектов деформации. Увеличение количества этапов термомеханической обработки приводит к уменьшению размера структуры (зерен) в покрытии Ti-Ni-Hf. Предложенный способ обеспечивает получение наноструктуры с размером зерен 20-80 нм на стальных образцах покрытых Ti-Ni-Hf с эффектом памяти формы. Наличие Hf в составе покрытия позволяет повысить пластичность и износостойкость. Предложенный способ позволяет управлять параметрами обработки, обеспечивающей многофункциональность наноструктурированного покрытия Ti-Ni-Hf, проявляющего оптимальное сочетание прочности, пластичности и износостойкости.
Осуществление закалки при температуре 900-950°C после каждого их четырех этапов термомеханической обработки сопровождался отжигом, что позволило сформировать однородную нанокристаллическую структуру Ti-Ni-Hf, химический и фазовый состав которой соответствует сплаву с эффектом памяти формы.
Пример 1
Порошок Ti-Ni-Hf с эффектом памяти формы наносят высокоскоростным газопламенным напылением на стержень из стали 45 диаметром 10 мм и длиной 120 мм, получаем покрытие толщиной 1 мм, далее покрытие (сплав) с эффектом памяти формы Ti-Ni-Hf подвергают интенсивной пластической деформации. Пластическую деформацию покрытия с эффектом памяти формы Ti-Ni-Hf проводят в четыре этапа.
На первом этапе пластическую деформацию сплава с эффектом памяти формы Ti-Ni-Hf осуществляют при температуре 545°C обкаткой в трехроликовом приспособлении в радиальном направлении за 30 проходов в защитной среде (аргоне) при пропускании электрического тока в зоне контакта трехроликового приспособления с покрытием Ti-Ni-Hf с целью накопления степени деформации ε=6-9%.
После охлаждения стержня с деформированным слоем из сплава с эффектом памяти формы Ti-Ni-Hf до комнатной температуры проводят отжиг при температуре 520°С в течение 2 часов. На втором этапе пластическую деформацию сплава с эффектом памяти формы Ti-Ni-Hf осуществляют при температуре 600°C обкаткой в трехроликовом приспособлении в радиальном направлении за 80 проходов в защитной среде (в аргоне) при пропускании электрического тока в зоне контакта трехроликового приспособления с покрытием Ti-Ni-Hf с целью накопления степени деформации ε=9-12%. После охлаждения стержня с деформируемым сплавом с эффектом памяти формы Ti-Ni-Hf до комнатной температуры проводят отжиг при температуре 525°C в течение 2,5 ч. На третьем этапе пластическую деформацию сплава с эффектом памяти формы Ti-Ni-Hf осуществляют в интервале температур 700°C обкаткой в трехроликовом приспособлении в радиальном направлении за 90 проходов в защитной среде (в аргоне) при пропускании электрического тока в зоне контакта трехроликового приспособления с покрытием Ti-Ni-Hf с целью накопления степени деформации 8=12-15%. После охлаждения стержня с деформированным сплавом с эффектом памяти формы Ti-Ni-Hf до комнатной температуры проводят отжиг при температуре 550°C в течение 2,6 часа.
На четвертом этапе пластическую деформацию сплава с эффектом памяти формы Ti-Ni-Hf осуществляют в интервале температур 890°C обкаткой в трехроликовом приспособлении в радиальном направлении за 90 проходов в защитной среде (в аргоне) при пропускании электрического тока в зоне контакта трехроликового приспособления с покрытием Ti-Ni-Hf с целью накопления степени деформации ε=15-50%. После охлаждения стержня с деформированным сплавом с эффектом памяти формы Ti-Ni-Hf до комнатной температуры проводят отжиг при температуре 600°C в течение 3 часов.
Далее осуществляют закалку при температуре 950°C с последующим охлаждением в жидком азоте.
Полученные покрытия с эффектом памяти формы Ti-Ni-Hf были подвергнуты многоцикловым усталостным испытаниям при изгибе с вращением на машине 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.