СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ НАНОСТРУКТУРИРОВАННЫХ ПОКРЫТИЙ С ЭФФЕКТОМ ПАМЯТИ ФОРМЫ НА СТАЛИ Российский патент 2014 года по МПК C23C4/08 C22C19/03 B82Y40/00 

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:

- 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 T₁<T<T₂, где T₁ - критическая температура хрупкости покрытия, Т₂ - 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.

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

Изобретение относится к области металлургии, а именно нанесению покрытий с эффектом памяти формы. Способ получения наноструктурированных покрытий с эффектом памяти формы на стальной поверхности включает нанесение порошка с эффектом памяти формы на основе Ni на стальную поверхность, закалку с нагревом до 1000°C и последующим охлаждением в жидком азоте, пластическую деформацию полученного покрытия в три этапа при нагреве. После каждого этапа пластической деформации проводят отжиг. Используют порошок с эффектом памяти формы, содержащий компоненты при следующем соотношении, мас.%: Ni - 41-44, Cu - 5-10, Ti - остальное. Перед нанесением покрытия осуществляют предварительную механическую активацию порошка TiNiCu в вакууме. Нанесение порошка осуществляют высокоскоростным газопламенным напылением. Полученное TiNiCu покрытие с эффектом памяти формы обладает повышенными механическими свойствами за счет повышения адгезии, снижения пористости покрытий, а за счет формирования наноструктуры улучшаются пластические свойства покрытия. 4 з.п. ф-лы, 1 табл., 1 пр.

1. Способ получения наноструктурированных покрытий с эффектом памяти формы на стальной поверхности, включающий нанесение порошка с эффектом памяти формы на основе Ni на стальную поверхность, закалку с нагревом до 1000°C и последующим охлаждением в жидком азоте, пластическую деформацию полученного покрытия в три этапа при нагреве, при этом после каждого этапа пластической деформации проводят отжиг, отличающийся тем, что используют порошок с эффектом памяти формы, содержащий компоненты при следующем соотношении, 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 порошка осуществляют высокоскоростным газопламенным напылением.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что пластическую деформацию покрытия TiNiCu осуществляют трехроликовым приспособлением в радиальном направлении.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что пластическую деформацию покрытия на первом этапе осуществляют 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°C со степенью пластической деформации ε=12-30%.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что отжиг после каждого этапа пластической деформации проводят при температуре 450-500°С в течение 0,5-1 ч.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что предварительную механическую активацию порошка осуществляют посредством стальных шаров с диаметром 6 мм в течение 45 мин, в вакууме 10^-4-10^-5 мм рт.ст., в среде аргона при следующих параметрах: рабочая камера с объемом 0,5 л и скоростью вращения мешалки 600-1200 мин^-1.