СПОСОБ ДЕФОРМАЦИОННОЙ ОБРАБОТКИ ДЛИННОМЕРНЫХ ПОЛУФАБРИКАТОВ ТОНКОГО СЕЧЕНИЯ ИЗ СПЛАВОВ TiNi С ЭФФЕКТОМ ПАМЯТИ ФОРМЫ Российский патент 2019 года по МПК C22F1/18 C22F3/00 

Изобретение относится к электропластической формообразующей обработке титан-никелевых сплавов с целью значительного повышения их деформационной способности и свойств эффекта памяти формы, и может быть использовано в металлургии и машиностроении. Особенно привлекательно его использование в получении длинномерных полуфабрикатов тонкого сечения методами обработки металлов давлением в медицине при изготовлении хирургических устройств в травматологии, ортопедии, стоматологии, минимально-инвазивной хирургии, а также в других хирургических устройствах в виде имплантатов и инструментов.

Известны способы термомеханической обработки сплавов титан-никель с эффектом памяти формы для улучшения их механических и функциональных свойств. Например, способ выявления эффектов запоминания формы в сплавах на основе титана мартенситного и переходного классов (патент РФ №2115760, МПК C22F 1/18, 20.07.1998 г.), который включает термическую закалку, пластическую деформацию и нагрев.

Известен также способ изготовления сверхупругого сплава никель-титан с эффектом памяти формы (JP 6065741, МПК C22F 1/10, опубл. 24.08.94 г, ИСМ, вып. 48, №10/97), 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.

Известен также способ получения сплавов TiNi методом теплого равноканального углового прессования при температурах 400-450°С, который позволяет создать ультрамелкозернистую структуру с размером зерен 250-500 нм в прутках диаметром от 8 мм и выше (Патент РФ, №2266973, опубл. в Бюллетене №36, 27.12.2005).

Недостатками известных способов является использование малых и средних степеней деформации, необходимость проведения промежуточных отжигов и, как следствие, невозможность формообразования изделий тонкого сечения из-за низкой деформационной способности упрочненных или ультрамелкозернистых сплавов.

Известно, что технологическая пластичность при обработке металлов давлением может быть значительно улучшена при использовании электропластического эффекта - введении в зону деформации электрического тока. Например, в монокристаллах чистых металлов (Zn, Ni, Ti) и крупнозернистых сплавах конструкционного назначения (сталь, сплавы на основе W) пластическая деформация в сочетании с током позволяет повысить технологическую пластичность на 50-100% (Троицкий О.А., Баранов Ю.В., Авраамов Ю.С., Шляпин А.Д., Физические основы и технологии обработки современных материалов, в 2-х томах, т. 1. - М. Ижевск: Институт компьютерных исследований, 2004). Известен способ обработки металлов давлением, в котором деформация осуществляется совместно с электрическим током (02.09.2005, заявка №2005127525/02, 030890). Данный способ ограничен материалами без фазового превращения, в которых тепловое действие тока не имеет существенного влияния на структурную стабильность деформируемого материала. Однако в сплавах с эффектом памяти формы влияние возможного нагрева при пропускании тока на функциональные и механические свойства может быть значительным вследствие обратимого термоупругого фазового превращения А↔М. Оно может вызывать упрочнение или разупрочнение в зависимости от структурно-фазового состояния сплава и степени деформации [А.А. Misochenko, А.А. Fedotkin, V.V. Stolyarov, Influence of grain size and electric current regimes on deformation behavior under tension of shape memory alloy Ti_49.3Ni_50.7, Materials Today Proceedings, 4 (2017) 4753-4757].

В качестве прототипа выбран способ получения сплавов TiNi методом (Патент РФ №2367713, публ. 20.09.2009), включающий термическую обработку закалкой и пластическую деформацию, которую осуществляют при температуре ниже температуры мартенситного превращения и совмещают с воздействием импульсного электрического тока плотностью 10-1000 А/мм², частотой 100-10000 Гц, длительностью импульса 10-1000 мкс, при этом обеспечивают суммарную истинную деформацию е≥1, а на последнем проходе разовую 5% деформацию, которую сопровождают импульсным нагревом.

Недостатками способа являются использование сплавов только в мартенситном состоянии, при котором проявляется склонность сплавов к сильному растрескиванию при е≥0.1 за счет циклического превращения аустенит-мартенсит-аустенит А↔М и связанного с этим малоциклового усталостного повреждения.

Ожидаемый технический результат в предложенном способе изобретения - снижение напряжений течения и повышение деформационной способности тонких и супертонких полуфабрикатов в виде листа, проволоки, полосы (толщиной менее 1.0 мм) из сплавов TiNi с эффектом памяти формы с одновременным улучшением трещиностойкости за счет регулирования соотношения двух разнонаправленных эффектов - эффекта памяти формы и электропластического эффекта.

В предлагаемом способе достижение указанного результата осуществляется путем деформационной обработки длинномерных полуфабрикатов тонкого сечения из сплавов Ti_50-xNi_50+x с эффектом памяти формы, включающий многопроходную прокатку с одновременным воздействием импульсным электрическим током, при этом выполняют многопроходную прокатку предварительно закаленного полуфабриката в аустенитном состоянии при температуре деформации Т_д>М_д, для сплавов Ti_50-xNi_50+x при х>0,3 и в мартенситном состоянии при температуре М_к<Т_д<М_н для сплавов Ti_50-xNi_50+x при х=0-0,3 и до достижения суммарной истинной степени деформации e>0,3,

где Т_д - температура деформации;

М_н и М_к - температуры начала и конца прямого превращения;

М_д - температура существования стабильного аустенита,

при этом производят одновременное воздействие однополярным импульсным электрическим током плотностью 5-1000 А/мм², частотой 100-1000 Гц и длительностью 10-1000 мкс. В процессе обработки направление пластической деформации изменяют на противоположное на каждом проходе,

Предложенный способ обеспечивает получение полуфабрикатов тонкого сечения из сплавов Ti_50-xNi_50+x с эффектом памяти формы при многоходовой прокатке с повышенной деформационной способностью е>1 без разрушения и промежуточных отжигов, получение однородной ультрамелкозернистой структуры с размером зерен 50<d<500 нм за счет электростимулирования пластической деформации. Способ позволяет управлять параметрами структуры и обеспечивать комплекс высоких технологических и функциональных свойств в широком диапазоне.

Таким образом, предложенная совокупность признаков способа позволяет получить новый эффект, приводящий к повышенной деформируемости сплава без разрушения изделий тонкого сечения со значительным улучшением технологических и функциональных свойств обрабатываемого материала, а также повышения производительности и снижения энергозатрат.

Способ осуществляют следующим образом. Исходную заготовку, в частности, полосу из сплава Ti_50-xNi_50+x, в состоянии после термической закалки подвергают многоходовой электропластической деформации. Например, помещают ее в клеть прокатного стана с генератором импульсного тока и осуществляют многократную прокатку с током с целью формоизменения при температуре не выше температуры прямого мартенситного превращения М_н для сплава Ti₅₀Ni₅₀, и при температуре выше М_д для сплава Ti_49.3Ni_50.7 для получения сечения толщиной менее 1 мм и формирования однородной наноструктуры. Количество проходов (накопленная истинная степень деформации) определяется исходной и конечной толщиной заготовки, а также требуемыми параметрами структуры для достижения тех или иных свойств.

Для повышения технологической пластичности и формирования определенного типа микроструктуры с целью достижения повышения технологической пластичности заготовки используется импульсной электрический ток плотностью 5-1000 А/мм², частотой 100-1000 Гц, длительностью не менее 10 мкс.

Электропластический эффект импульсного тока снижается и может исчезать при температурах выше М_н, плотности тока ниже 10 А/мм², длительности импульса менее 10 мкс и более 1000 мкс.

Все состояния сплавов, полученные методом электропластической прокатки, характеризуются более высокими служебными свойствами по сравнению со свойствами прототипа. Исходя из конкретных требований к материалу, варьируя режимы пластической деформации и импульсного тока, можно получить состояния, имеющие различное сочетание свойств - деформируемости, прочности, обратимой деформации, температуры проявления эффекта памяти формы.

Пример конкретного выполнения.

Исходным материалом является полоса сечением 2×6 мм и длиной 200 мм сплава Ti_49.8Ni_50.7, полученная методом горячей или теплой прокатки листа и последующей его разрезкой на полосы. Предварительно отожженную для снятия внутренних напряжений полосу подвергают многоходовой прокатке с током при температуре около 150°С, скорости 6 мм/с со сменой направления в двухвалковом стане с единичным обжатием по сечению 10% до конечной толщины 0.2 мм, в результате чего достигается накопленная истинная степень деформации е=1.5. Параметры импульсного тока, вводимого в зону деформации, регулируются генератором и составляют: плотность тока 100 А/мм², частота и длительность импульсов 1000 Гц и 80 мкс, соответственно.

Структурные состояния, режимы обработки, результаты механических испытаний, определения технологических и функциональных свойств полученной заготовки приведены в таблице 1. Для сравнения приведены данные заготовки, обработанной по способу-прототипу (режим позиции 2).

А - аустенит

ε_r^max - максимальная полностью обратимая деформация

σ_r^max - максимальное реактивное напряжение

Как показывают полученные результаты, прокатка с током (режимы 2 и 3) позволяет в несколько раз повысить степень максимальной деформации е, уменьшить размер зерен на три порядка и повысить прочность (σ_В), реактивное напряжение σ_r^max, максимальную обратимую деформацию ε_r^max по сравнению с прототипом (режим 2). Однако только прокатка по режиму 3 (данный способ) позволяет избежать появления трещин.

Таким образом, предложенный способ обработки сплавов позволяет получать полуфабрикат тонкого сечения без промежуточных отжигов, с повышенными механическими, технологическими и функциональными свойствами обрабатываемого материала, и использовать его в ответственных технических конструкциях и устройствах, в том числе в медицине.

Изобретение относится к электропластической формообразующей обработке титан-никелевых сплавов для повышения их деформационной способности и эффекта памяти формы и может быть использовано в металлургии и машиностроении. Способ деформационной обработки длинномерных полуфабрикатов тонкого сечения из сплавов Ti_50-xNi_50+x с эффектом памяти формы включает многопроходную прокатку предварительно закаленного полуфабриката в аустенитном состоянии при температуре деформации Т_д>М_д для сплавов Ti_50-xNi_50+x при х>0,3 и в мартенситном состоянии при температуре М_к<Т_д<М_н для сплавов Ti_50-xNi_50+x при х=0-0,3 и до достижения суммарной истинной степени деформации e>0,3, где Т_д - температура деформации, М_н и М_к - температуры начала и конца прямого превращения, М_д - температура существования стабильного аустенита. При этом производят одновременное воздействие импульсным электрическим током плотностью 5-1000 А/мм², частотой 100-1000 Гц и длительностью 10-1000 мкс. Получают полуфабрикаты тонкого сечения из сплавов Ti_50-xNi_50+x с эффектом памяти формы и с однородной ультрамелкозернистой структурой с размером зерен 50<d<500 нм, обладающие высокой деформационной способностью е>1 и высокой трещиностойкостью. Способ позволяет управлять параметрами структуры и обеспечивать комплекс высоких технологических и функциональных свойств. 2 з.п. ф-лы, 1 табл., 1 пр.

1. Способ деформационной обработки длинномерных полуфабрикатов тонкого сечения из сплавов Ti_50-xNi_50+x с эффектом памяти формы, включающий многопроходную прокатку с одновременным воздействием импульсным электрическим током, отличающийся тем, что осуществляют многопроходную прокатку предварительно закаленного полуфабриката в аустенитном состоянии при температуре деформации Т_д>М_д для сплавов Ti_50-xNi_50+x при х>0,3 и в мартенситном состоянии при температуре М_к<Т_д<М_н для сплавов Ti_50-xNi_50+x при х=0-0,3 и до достижения суммарной истинной степени деформации e>0,3,

где Т_д - температура деформации;

М_н и М_к - температуры начала и конца прямого превращения;

М_д - температура существования стабильного аустенита,

при этом производят одновременное воздействие импульсным электрическим током плотностью 5-1000 А/мм², частотой 100-1000 Гц и длительностью 10-1000 мкс.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что направление пластической деформации изменяют на противоположное на каждом проходе.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что используют однополярный импульсный или постоянный ток.