Способ термомеханической обработки объемных образцов из сплава с памятью формы на основе никелида титана Российский патент 2025 года по МПК C22F1/18 B21J5/06 B82Y40/00 

Изобретение относится к металлургическому производству, конкретно к способу термомеханической обработки объемных образцов из сплава с памятью формы (СПФ) на основе никелида титана (TiNi) и может быть использовано для производства микроактуаторов и миниатюрных функциональных элементов с эффектом памяти формы (сверхупругости), для применения в медицине и технике. Использование данного способа обработки особенно актуально при изготовлении изделий и устройств с повышенными требованиями к эксплуатационным свойствам. Применение наноструктурированного никелида титана позволит существенно повысить срок службы и функциональные характеристики существующих устройств, действующих на основе эффекта памяти формы и уменьшить их массогабаритные характеристики, а также откроет возможность создания нового поколения изделий из СПФ на основе TiNi.

Известен способ получения заготовки из наноструктурного сплава Ti_49,3Ni_50,7 с эффектом памяти формы, включающий комбинировании РКУП в интервале температур 300-550°С с накопленной степенью деформации более 4 и осадку в оболочке при температуре 20-300°С с накопленной относительной деформацией не менее 30% и отжиг в интервале температур 200-400°С (Патент РФ №2641207, МПК C22F 1/16 B82Y 40/00 B21J 5/00, 2018 г.).

К недостаткам данного способа можно отнести заявленную применимость данного способа только к заэквиатомному по никелю сплаву конкретного химического состава, присутствие нескольких технологических операций обработки давлением для формирования нанокристаллической структуры и наличие операции удаления оболочки после осадки, а также увеличенный средний размер структурных элементов по сравнению с предлагаемым способом.

Известен способ получения объёмных наноструктурированных полуфабрикатов из сплавов с памятью формы на основе никелида титана прутка, включающий РКУП в квазинеперывном режиме в интервале температур 350-450°С за 5-7 проходов и последеформационный отжиг в интервале температур 350-450°C в течение 1-2 ч или сочетание РКУП по тем же режимам с ротационной ковкой в интервале температур 350-400°С с единичными обжатиями 1-15% и последеформационным отжигом в интервале температур 350-450°C в течение 1-2 ч (Патент РФ 2 717 764, МПК C22F 1/18 B82Y 30/00 B21J 5/00, 2020 г.)

Недостатки данного способа заключаются также в необходимости использования нескольких технологических операций обработки давлением и термической обработки, а также в формировании структуры с средним размером структурных элементов более 100 нм, что больше по сравнению с предлагаемым способом.

Технический результат, решаемый изобретением, заключается в формировании нанокристаллического состояния в объемных образцах никелида титана, которое позволяет добиться высоких механических и функциональных свойств.

Технический результат достигается тем, что исходную заготовку из никелида титана подвергают предварительной закалке в воде в интервале температур 700-900°C. Далее проводят многоосевую циклическую деформацию в интервале температур 250-450°C для нестареющих (околоэквиатомных, Ti-49,8-50,2 ат.% Ni) сплавов и 300-500°C для стареющих (заэквиатомных по никелю, Ti-50,5-51,0 ат.% Ni) сплавов с количеством обжатий не менее 8 с единичной относительной деформацией за обжатие 35-50%.

Сущность заявленного способа заключается в том, что многоосевую деформацию, которая заключается в чередующемся обжатии заготовок в двух взаимоперпендикулярных плоскостях и отличается благоприятной семой напряженно-деформированного состояния, осуществляют в области температурного интервала формирования динамически полигонизованной структуры, что позволяет накопить большие степени деформации без разрушения заготовки и приводит к формированию нанокристаллической структуры в объемном образце СПФ TiNi и не требует проведения последующей термомеханической обработки для измельчения структуры. Деформации заключается в обжатии заготовки с двух сторон двумя бойками из карбида вольфрама. После одного цикла обжатия на 35-50% образец поворачивается (по часовой стрелке) на 90° вокруг своей продольной оси и снова сжимается в направлении, перпендикулярном к первоначальному направлению обжатия. Далее, его поворачивают против часовой стрелки на 90° к предыдущей ориентировке и снова деформируют. Этот цикл может повторяться многократно, что приводит к накоплению деформации в образце.

Многоосевую деформацию проводят в интервале температур 250-450°C для нестареющих (околоэквиатомных, Ti-49,8-50,2 ат.% Ni) сплавов и 300-500°C для стареющих (заэквиатомных по никелю, Ti-50,5-51,0 ат.% Ni) сплавов. Проведение деформации при температурах ниже 250°C нестареющих и 300°C для стареющих сплавов приводит к разрушению заготовки до формирования нанокристаллической структуры, в то время как деформация при повышенных температурах приводит к интенсификации процессов динамического разупрочнения и росту структурных элементов. Разница в температурах деформации сплавов различного состава заключается в выделении частиц фазы Ti₃Ni₄, влияющих на протекание процессов разупрочнения. Отжиг образцов СПФ следует проводить только при необходимости снижения деформационного наклепа перед последующей обработкой для изготовления изделий. В случае отсутствия такой необходимости отжиг следует проводить только для запоминания формы готовым изделием. Причем отжиг для стареющих сплавов может также использоваться для прецизионного регулирования требуемого комплекса свойств, в особенности температурного интервала восстановления формы.

Проведение многоосевой деформации в интервале температур 250-450°C для нестареющих сплавов и 300-500°C для стареющих сплавов с количеством обжатий не менее 8 с единичной относительной деформацией за обжатие 35-50% позволяет сформировать в объемном образце СПФ TiNi, нанокристаллическую структуру с замером элементов структуры менее 80 нм и увеличить значение максимально полностью обратимой деформации до 9,5% для эквиатомного сплава и до 12,0% для заэквиатомного по никелю сплава.

Результаты апробации заявленного способа приведены в виде конкретных примеров.

Пример №1. Исходным материалом служил пруток из сплава Ti-50,1 ат.% Ni диаметром 25 мм и длиной 500 мм, полученный горячей поперечно-винтовой прокаткой. Перед многоосевой деформацией образец подвергали закалке в течение 30 минут при температуре 800 ºC с охлаждением в воде. Далее осуществляли многоосевую деформацию при температурах 270°C и 320°C за 12 обжатий с единичной относительной деформацией 35-50%. В результате применения данного способа в рабочей части образца объёмом 1 см³ была сформирована нанокристаллическая структура со средним размером структурных элементов 70±10 нм для деформации при температуре 320°C и 60±10 нм – при 270°C. Полученные в результате применения данного способа твердость и максимальная полностью обратимая деформация приведены в таблице 1. В качестве контрольной обработки использовали пруток, подвергнутый закалке при температуре 800°C в течение 30 минут с охлаждением в воде.

Пример №2. Исходным материалом служил пруток из сплава Ti-50,85 ат.% Ni диаметром 25 мм и длиной 500 мм, полученный горячей поперечно-винтовой прокаткой. Перед деформацией образец подвергали закалке в течение 30 минут при температуре 800°C с охлаждением в воде. Далее осуществляли многоосевую деформацию при температуре 320°C и 400°C за 12 обжатий с единичной относительной деформацией 35-50%. В результате применения данного способа в рабочей части образца объёмом 1 см³ была сформирована нанокристаллическая структура со средним размером структурных элементов 80±10 нм для деформации при температуре 400°C и 60±10 нм – при 320°C. Полученные в результате применения данного способа твердость и максимальная полностью обратимая деформация приведены в таблице 1. В качестве контрольной обработки использовали пруток, подвергнутый закалке при температуре 800°C в течение 30 минут с охлаждением в воде.

Таблица 1.

Обработка Сплав Температура
деформации Количество обжатий Размер структурных элементов Твердость Максимальная полностью обратимая деформация T, °C N d, нм HV , % Контрольная обработка Ti-50,1ат.% Ni - - 2500 180 2,0 Пример 1-1 Ti-50,1 ат.% Ni 320 12 70 315 8,3 Пример 1-2 Ti-50,1 ат.% Ni 270 12 60 340 9,5 Контрольная обработка Ti-50,85 ат.% Ni - - 2500 220 4,0 Пример 2-1 Ti-/50,85 ат.% Ni 400 12 80 320 11,0 Пример 2-2 Ti-/50,85 ат.% Ni 320 12 60 355 12,0

Приведенный примеры показывают, что использование представленного способа, позволяет получить объемные образцы СПФ TiNi с нанокристаллической структурой, высокой твердостью и полностью обратимой деформацией. Режимы деформации могут быть использованы при разработке технологических процессов ротационной ковки и сортовой прокатки. Полученные образцы могут быть использованы для производства микроактуаторов и функциональных элементов технического и медицинского назначения, действующих на основе эффекта памяти формы.

Технико-экономический эффект заявленного способа состоит в обеспечении возможности получения объемных наноструктурных образцов из СПФ TiNi технического и медицинского назначения с высокими механическими и функциональными свойствами. Использование данных образцов позволит существенно повысить срок службы и функциональные характеристики существующих устройств, действующих на основе эффекта памяти формы и уменьшить их массогабаритные характеристики, а также откроет возможность создания нового поколения изделий из СПФ на основе TiNi.

Изобретение относится к металлургическому производству и может быть использовано для производства микроактуаторов и миниатюрных функциональных элементов с эффектом памяти формы (сверхупругости). Используют исходную заготовку из сплава с составом по никелю Ti – 49,8-50,2 ат.% Ni или из сплава с составом по никелю Ti – 50,5-51,0 ат.% Ni. Заготовку подвергают закалке при температуре 700-900°С с охлаждением в воде. Осуществляют многоосевую деформацию при температуре из интервала температур 250-450°С для заготовки из сплава с составом по никелю Ti – 49,8-50,2 ат.% Ni и при температуре из интервала температур 300-500°С для заготовки из сплава по никелю Ti – 50,5-51,0 ат.% Ni. Деформацию проводят не менее чем за 8 обжатий с единичной относительной деформацией за обжатие, составляющей 35-50%. В результате обеспечивается повышение механических и функциональных свойств образцов за счет формирования в них нанокристаллической структуры. 1 табл., 2 пр.

Способ термомеханической обработки объемных образцов из сплава с памятью формы на основе никелида титана, включающий закалку исходной заготовки и ее многоосевую деформацию, отличающийся тем, что используют исходную заготовку из сплава с составом по никелю Ti – 49,8-50,2 ат.% Ni или из сплава с составом по никелю Ti – 50,5-51,0 ат.% Ni, осуществляют закалку исходной заготовки при температуре 700-900°С с охлаждением в воде, а многоосевую деформацию осуществляют при температуре из интервала температур 250-450°С для заготовки из сплава с составом по никелю Ti – 49,8-50,2 ат.% Ni и при температуре из интервала температур 300-500°С для заготовки из сплава по никелю Ti – 50,5-51,0 ат.% Ni не менее чем за 8 обжатий с единичной относительной деформацией за обжатие, составляющей 35-50%.