Способ получения наноструктурной проволоки из сплава титан-никель-тантал с эффектом памяти формы Российский патент 2017 года по МПК B82Y40/00 C22F1/18 C22F3/00 

Описание патента на изобретение RU2621535C1

Изобретение относится к деформационнотермической обработке сплава TiNiTa с эффектом памяти формы. Может быть использовано в металлургии, машиностроении и медицине. Особенно привлекательно его использование в медицинских устройствах типа «стент», «Кафа-фильтр» и прочих.

Известен способ изготовления сверхупругого сплава никель-титан (JP 6065741, МПК C22F 1/10, опубл. 24.08.94 г.), согласно которому сплав, содержащий 50-51 ат. % никеля, остальное - титан, подвергают отжигу, холодной деформации со степенью деформирования 15-60%, а затем фиксируют определенную форму сплава и нагревают его до 175-600°С.

Недостатком способа является использование лишь одного механизма повышения комплекса свойств сплавов - создание полигонизованной дислокационной субструктуры, что ограничивает возможность одновременного улучшения их механических (прочностных и пластических) характеристик и функциональных свойств, таких как максимальная обратимая деформация и максимальное реактивное напряжение.

Известен способ получения сверхупругого титан-никелевого сплава (JP 58161753, МПК C22F 1/10, опубл. 26.09.83 г.), включающий предварительную закалку крупнозернистого сплава, последующую холодную деформацию прокаткой со степенью деформации более 20% и отжиг при температуре 250-550°С.

Недостатками способа являются относительно низкие степени деформации (е менее 100%) и ограничения по степени измельчения микроструктуры, не позволяющие достигать наиболее высоких механических и функциональных свойств.

Наиболее близким к предложенному является способ получения ультрамелкозернистых сплавав «титан-никель» с эффектом памяти формы, включающий термомеханическую обработку, сочетающую деформацию и дорекристаллизационный отжиг. Перед термомеханической обработкой осуществляют предварительную закалку сплава, а деформацию осуществляют в два этапа, причем на первом этапе проводят интенсивную пластическую деформацию с накопленной истинной степенью деформации е более 400% в интервале температур 300-550°С, а на втором этапе проводят деформацию прокаткой или экструзией, или волочением со степенью деформации не менее 20% при температурах 20-500°С, а отжиг проводят при температурах 350-550°С в течение 0,5-2,0 часов (Патент РФ №2266973 МПК C22F 1/18, опубл. 27.12.2005 г.).

Недостатком известного способа является высокая степень анизотропии структуры и свойств материала из-за неоднородной морфологии зерен в продольном и поперечном сечении заготовки, большая доля малоугловых границ. Такой материал обладает повышенной прочностью, но ограниченной пластичностью, не обеспечивающей высокой стойкости к усталостному разрушению.

Задачей изобретения является повышение механических характеристик сплавов титан-никель-тантал с эффектом памяти формы с одновременным улучшением функциональных свойств за счет создания нанокристаллической структуры.

Техническим результатом является повышение прочности и сохранение пластичности наноструктурного сплава титан-никель-тантал с эффектом памяти формы, характеризующимся структурой, образующейся после механического воздействия на сплав, из нанокристаллических аустенитных зерен В2 фазы, в которой объемная доля зерен с размером не более 0,1 мкм и с коэффициентом формы зерен не более 2 во взаимно-перпендикулярных плоскостях составляет не менее 90%, причем более чем 50% зерен имеют большеугловые границы, разориентированные относительно соседних зерен на углы от 15° до 90°.

Способ получения проволоки из наноструктурированного сплава титан-никель-тантал с эффектом памяти формы, включающий термомеханическую обработку заготовки из сплава титан-никель-тантал, сочетающую интенсивную пластическую деформацию и дорекристаллизационный отжиг, согласно изобретению интенсивную пластическую деформацию проводят в три этапа. На первом этапе осуществляют прокатку при температуре не выше 750°С с достижением накопленной степени деформации е более 400%, на втором этапе осуществляют ротационную ковку в несколько стадий со снижением температуры в диапазоне 600-700°С и степенью деформации не более 90%, и третьим этапом волочение в несколько стадий при температурах, снижающихся в диапазоне с 600 до 200°С, и степенью деформации не более 60%. Отжиг проводят после каждого этапа деформации при температуре, равной t=200-450°С.

Предложенное изобретение позволяет получить более высокий уровень механических и усталостных свойств в сочетании с хорошими функциональными свойствами - эффект памяти формы.

Повышение прочности материала обусловлено очень малым размером зерна (не более 0,1 мкм) в структуре, что обеспечивает увеличение напряжения течения при пластической деформации согласно известному соотношению Холло-Петча (Большие пластические деформации и разрушение металлов. Рыбин В.В. М.: Металлургия, 1986, 224 с.). Значительное повышение прочности достигается также большим количеством зерен с большеугловыми границами (не менее 50%), которые в сравнении с малоугловыми и специальными границами обеспечивают наибольший вклад в упрочнение (Р.З. Валиев, И.В. Александров. Объемные наноструктурные металлические материалы. - М.: ИКЦ «Академкнига», 2007. - 398 с.). При этом формирование зерен с коэффициентом формы не более 2 (соотношение ширины и длины зерна 1:2) снижает неоднородность пластического течения металла, уровень микронапряжений, тем самым предотвращает раннюю локализацию деформации, приводящую к разрушению материала.

Та имеет атомный радиус RTa=0,1467 нм, близкий к размеру атомов Ti (RTi=0,1462 нм), хотя и несколько больше. По размерному фактору этот элемент должен хорошо замещать Ti на его подрешетках в сплавах на основе TiNi.

Атомы Та в никеле растворяются в незначительных количествах, тогда как в титане эти элементы хорошо растворяются, вплоть до образования при температурах выше 900°С непрерывных твердых растворов.

Влияние Та на температуры фазовых превращений в сплавах типа типа (Ni51Ti49)1-xTax и Ni50Ti50-xTax следующее: в сплавах (Ni51Ti49)1-xTax температура фазового превращения возрастает с увеличением содержания Та, особенно когда содержание Та еще меньше чем 4%. В сплавах типа Ni50Ti50-xTax температура фазового превращения уменьшается с увеличением содержания тантала. Температура начала мартенситного превращения менее чувствительна к изменениям содержания Ni в тройных сплавах Ni-Ti-Ta, чем в бинарных сплавах Ni-Ti. Температура фазового превращения в тройных сплавах Ni-Ti-Ta главным образом контролируется отношением Ni/Ti в матрице Ni-Ti.

Присутствие Та повышает химическую стойкость сплава. 1% Та блокирует выход ионов никеля в кислых средах и снижает в щелочных. Повышение до 3% Та делает сплав инертным к большей части кислот и щелочей.

Пример конкретной реализации изобретения:

В качестве заготовки использовали цилиндрический пруток (100×20) мм сплава Ti48.4Ni50.6Ta1. На первом этапе обработки проводили прокатку заготовки при температуре 750°С, количество проходов n=8. При этом заготовку после каждого прохода поворачивали вокруг своей продольной оси по часовой стрелке на угол 90° для обеспечения равномерности проработки структуры. Между каждым проходом осуществляли отжиг при температуре 450°С. В общей сложности накопленная степень деформации составила е=400%. В результате была получена цельная заготовка длиной 210 мм и диаметром 8 мм.

После прокатки заготовку подвергали пластической деформации в несколько стадий ротационной ковкой при постепенном снижении температуры в интервале t=600-700°C.

В результате обработки получили пруток диаметром 4,5 мм длиной 400 мм.

На следующем этапе осуществляют пластическую деформацию заготовки волочением. Обработку проводят при постепенном снижении температуры в интервале 200-600°С. Степень деформации менее 60% не приводит к существенному изменению структуры. Промежуточные отжиги на различных стадиях деформации в диапазоне температур 200-450°С служат для повышения деформируемости массивной заготовки, а выбор температуры отжига зависит от предварительной накопленной степени деформации. На конечных стадиях деформации с целью формирования однородной нанокристаллической структуры по всему сечению проволоки с размером зерен 0,09-0,1 мкм используют промежуточные низкотемпературные отжиги при температуре не более 200°С. Промежуточные отжиги при температуре более 200°С приводят к интенсификации процессов возврата и не позволяют сформировать нанокристаллическую структуру.

Сочетание пластической деформации и промежуточных отжигов способствует дальнейшей эволюции полученной после проката структуры: формированию новых субзеренных границ, их трансформации в зеренные, тем самым увеличению доли большеугловых границ, формированию новых нанокристаллических зерен, снижению плотности решеточных дислокаций за счет одновременно протекающих процессов возврата и динамической рекристаллизации.

Из полученного прутка были изготовлены образцы для исследования микроструктуры. Образцы для исследований были вырезаны электроэрозионным методом в виде пластин в поперечном и продольном сечениях прутка. Для приготовления тонких фольг пластины подвергались механическому утонению до толщины 150 мкм и последующему электролитическому полированию на установке Tenupol-5 (Struers) при комнатной температуре в электролите, состоящем из хлорной кислоты (НClO4) и бутанола (С4Н9OН).

Исследования микроструктуры показывают, что в результате обработки по предложенному способу в сплаве титан-никель-тантал происходит существенное измельчение структуры и формируется нанокристаллическая структура, в которой до 90% составляют зерна В2 фазы со средним размером 0,09-0,1 мкм по светлому и темному полю и с коэффициентом формы зерен не более 2 во взаимно-перпендикулярных плоскостях (рис. 1). Погрешность измерений составила не более 5%.

Исследования показали, что предложенный способ термомеханической обработки сплава титан-никель-тантал, сочетающий прокатку и последующую ротационную ковку и волочение (e=90%) с отжигами в процессе обработки при заданных температурно-временных параметрах, позволил получить следующие характеристики материала: предел прочности до 1750 МПа при пластичности 19%, максимальная обратимая деформация - 8%. Достигнутые показатели по совокупности механических и функциональных свойств превосходят показатели, обеспечиваемые по прототипу.

Таким образом, предложенное изобретение позволяет сформировать в сплаве титан-никель-тантал с эффектом памяти формы нанокристаллическую структуру В2 фазы, обеспечивающую материалу повышенную прочность, пластичность и улучшенные эксплуатационные характеристики.

Похожие патенты RU2621535C1

название год авторы номер документа
Способ получения проволоки из сплава титан-ниобий-тантал-цирконий с эффектом памяти формы 2017
  • Севостьянов Михаил Анатольевич
  • Сергиенко Константин Владимирович
  • Баикин Александр Сергеевич
  • Насакина Елена Олеговна
  • Колмаков Алексей Георгиевич
  • Конушкин Сергей Викторович
  • Морозов Михаил Михайлович
  • Каплан Михаил Александрович
  • Шатова Людмила Анатольевна
  • Леонов Александр Владимирович
RU2656626C1
НАНОСТРУКТУРНЫЙ СПЛАВ ТИТАН-НИКЕЛЬ С ЭФФЕКТОМ ПАМЯТИ ФОРМЫ И СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ПРУТКА ИЗ НЕГО 2012
  • Валиев Руслан Зуфарович
  • Гундеров Дмитрий Валерьевич
  • Салимгареев Хамит Шафкатович
  • Лукьянов Александр Владимирович
  • Жариков Александр Иванович
  • Рааб Георгий Иосифович
RU2503733C1
МЕТАЛЛИЧЕСКИЙ НАНОСТРУКТУРНЫЙ СПЛАВ НА ОСНОВЕ ТИТАНА И СПОСОБ ЕГО ОБРАБОТКИ 2011
  • Прокошкин Сергей Дмитриевич
  • Петржик Михаил Иванович
  • Филонов Михаил Рудольфович
  • Дубинский Сергей Михайлович
  • Жукова Юлия Сергеевна
  • Браиловский Владимир Иосифович
  • Инаекян Каринэ Эрнестовна
RU2485197C1
Способ получения проволоки из сплава титан-ниобий-тантал для применения в производстве сферического порошка 2020
  • Севостьянов Михаил Анатольевич
  • Сергиенко Константин Владимирович
  • Баикин Александр Сергеевич
  • Насакина Елена Олеговна
  • Колмаков Алексей Георгиевич
  • Конушкин Сергей Викторович
  • Каплан Михаил Александрович
  • Морозова Ярослава Анатольевна
  • Михайлова Анна Владимировна
RU2751065C1
Способ получения тонкой проволоки из сплава TiNiTa 2020
  • Севостьянов Михаил Анатольевич
  • Сергиенко Константин Владимирович
  • Баикин Александр Сергеевич
  • Насакина Елена Олеговна
  • Конушкин Сергей Викторович
  • Каплан Михаил Александрович
  • Морозова Ярослава Анатольевна
RU2759624C1
Способ изготовления тонкой проволоки из биосовместимого сплава TiNbTaZr 2018
  • Севостьянов Михаил Анатольевич
  • Сергиенко Константин Владимирович
  • Баикин Александр Сергеевич
  • Насакина Елена Олеговна
  • Колмаков Алексей Георгиевич
  • Конушкин Сергей Викторович
  • Морозов Михаил Михайлович
  • Каплан Михаил Александрович
RU2694099C1
Способ получения объёмных наноструктурированных полуфабрикатов из сплавов с памятью формы на основе никелида титана (варианты) 2019
  • Карелин Роман Дмитриевич
  • Хмелевская Ирина Юрьевна
  • Прокошкин Сергей Дмитриевич
  • Комаров Виктор Сергеевич
  • Андреев Владимир Александрович
  • Перкас Михаил Маркович
  • Юсупов Владимир Сабитович
RU2717764C1
Способ получения заготовки из наноструктурного сплава Ti49,3Ni50,7 с эффектом памяти формы 2016
  • Гундеров Дмитрий Валерьевич
  • Валиев Руслан Зуфарович
  • Рааб Георгий Иосифович
  • Прокофьев Егор Александрович
  • Чуракова Анна Александровна
  • Ломакин Иван Владимирович
RU2641207C1
СПОСОБ ОБРАБОТКИ ДЛИННОМЕРНЫХ ИЗДЕЛИЙ ИЗ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ 2013
  • Столяров Владимир Владимирович
RU2537675C2
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ УЛЬТРАМЕЛКОЗЕРНИСТЫХ СПЛАВОВ ТИТАН-НИКЕЛЬ С ЭФФЕКТОМ ПАМЯТИ ФОРМЫ 2004
  • Столяров В.В.
  • Валиев Р.З.
  • Рааб Г.И.
  • Прокофьев Е.А.
  • Гундеров Д.В.
  • Пушин В.Г.
  • Юрченко Л.И.
  • Прокошкин С.Д.
  • Добаткин С.В.
  • Хмелевская И.Ю.
  • Трубицына И.Б.
RU2266973C1

Иллюстрации к изобретению RU 2 621 535 C1

Реферат патента 2017 года Способ получения наноструктурной проволоки из сплава титан-никель-тантал с эффектом памяти формы

Изобретение относится к деформационнотермической обработке сплава TiNiTa с эффектом памяти формы и может быть использовано в медицине при изготовлении стентов. Способ получения наноструктурной проволоки из сплава титан-никель-тантал с эффектом памяти формы включает термомеханическую обработку заготовки, сочетающую интенсивную пластическую деформацию и дорекристаллизационный отжиг. Интенсивную пластическую деформацию проводят в три этапа. На первом этапе осуществляют прокатку при температуре не выше 750°C с достижением накопленной степени деформации (е) более 400%. На втором этапе осуществляют ротационную ковку в несколько стадий со снижением температуры в диапазоне от 700 до 600°C и степенью деформации не более 90%. На третьем этапе осуществляют волочение в несколько стадий со снижением температуры в диапазоне от 600 до 200°C и степенью деформации не более 60%. Отжиг проводят после каждого этапа деформации при температуре 200-450°C. Повышается прочность при сохранении пластичности наноструктурного сплава. 1 ил., 1 пр.

Формула изобретения RU 2 621 535 C1

Способ получения наноструктурной проволоки из сплава титан-никель-тантал с эффектом памяти формы, включающий термомеханическую обработку заготовки из сплава титан-никель-тантал, сочетающую интенсивную пластическую деформацию и дорекристаллизационный отжиг, отличающийся тем, что интенсивную пластическую деформацию проводят в три этапа, причем на первом этапе осуществляют прокатку при температуре не выше 750°C с достижением накопленной степени деформации (е) более 400%, на втором этапе осуществляют ротационную ковку в несколько стадий со снижением температуры в диапазоне от 700 до 600°C и степенью деформации не более 90%, а на третьем этапе осуществляют волочение в несколько стадий при температурах, снижающихся в диапазоне от 600 до 200°C, и степенью деформации не более 60%, при этом отжиг проводят после каждого этапа деформации при температуре t=200-450°C.

Документы, цитированные в отчете о поиске Патент 2017 года RU2621535C1

СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ УЛЬТРАМЕЛКОЗЕРНИСТЫХ СПЛАВОВ ТИТАН-НИКЕЛЬ С ЭФФЕКТОМ ПАМЯТИ ФОРМЫ 2004
  • Столяров В.В.
  • Валиев Р.З.
  • Рааб Г.И.
  • Прокофьев Е.А.
  • Гундеров Д.В.
  • Пушин В.Г.
  • Юрченко Л.И.
  • Прокошкин С.Д.
  • Добаткин С.В.
  • Хмелевская И.Ю.
  • Трубицына И.Б.
RU2266973C1
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ПРУТКОВ И СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ТОНКОЙ ПРОВОЛОКИ ИЗ СПЛАВА СИСТЕМЫ НИКЕЛЬ-ТИТАН С ЭФФЕКТОМ ПАМЯТИ ФОРМЫ 2013
  • Андреев Владимир Александрович
RU2536614C2
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ПРУТКОВ И СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ПРОВОЛОКИ ИЗ СПЛАВОВ СИСТЕМЫ НИКЕЛЬ-ТИТАН С ЭФФЕКТОМ ПАМЯТИ ФОРМЫ И СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ЭТИХ СПЛАВОВ 2000
  • Андреев В.А.
  • Бондарев А.Б.
  • Писарева Е.А.
  • Шупик А.В.
RU2162900C1
Пресс для выдавливания из деревянных дисков заготовок для ниточных катушек 1923
  • Григорьев П.Н.
SU2007A1

RU 2 621 535 C1

Авторы

Сергиенко Константин Владимирович

Севостьянов Михаил Анатольевич

Баикин Александр Сергеевич

Насакина Елена Олеговна

Колмаков Алексей Георгиевич

Конушкин Сергей Викторович

Каплан Михаил Александрович

Леонова Юлия Олеговна

Леонов Александр Владимирович

Даты

2017-06-06Публикация

2016-11-02Подача