Способ комбинированной термомеханической обработки сплава системы титан-цирконий-ниобий для получения длинномерных прутковых полуфабрикатов Российский патент 2025 года по МПК C22F1/18 B21J5/00 B21B3/00 

Способ комбинированной термомеханической обработки сплава системы титан-ниобий-цирконий для получения длинномерных прутковых полуфабрикатов

Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано для получения прутков из сверхупругих сплавов медицинского назначения.

Известен конструктивный узел рабочей клети и способ прокатки прутковых или трубных заготовок (патент РФ №2524018, опублик. 27.07.2014 г.), который позволяет минимизировать упругое и радиальное смещение натяжной поверхности гидравлического установочного блока и обеспечить лучшее восприятие передаваемых при прокатке на подушку усилий, а также в точности соблюсти допуски на размеры готовой продукции.

Недостатками способа являются отсутствие сведений о особенностях распределении полей напряжения и деформации в прутковом полуфабрикате в условиях совместного использования клетей с различными типами валков, а также их влияния на структурно-фазовое состояние, механические и функциональные свойства прутковых заготовок. Кроме того, способ не нацелен на обработку сплавов с памятью формы (СПФ) и в описании отсутствуют сведения о параметрах сверхупругости получаемых полуфабрикатов.

Кроме того, известен способ горячей правки растяжением высокопрочного титанового сплава, обработанного в области альфа/бета-фаз (патент РФ №2538467, опублик. 10.01.2015 г), согласно которому металлические заготовки на основе титана, никеля, алюминия или железа нагревают в интервале температур от 0,3T_m до на 25°F ниже температуры старения сплава с приложением растягивающего напряжения в интервале 0,2÷1,0 от предела текучести.

Недостатками способа являются ограничения применения обработки давлением титановых сплавов в области альфа/бета-фаз. В то же время обработка в области только бета-фазы титановых сплавов, демонстрирующих сверхупругое поведение, может иметь свои особенности.

Наиболее близким к заявленному является способ изготовления прутков из сверхупругих сплавов на основе системы титан-цирконий-ниобий (патент РФ №2753210, опублик. 12.08.2021 г. ), согласно которому из сплава с памятью формы изготавливают прутки методом мультиосевой ковки, поперечно-винтовой прокатки и ротационной ковки при температурах соответственно 950÷1050°С, 900÷950°С и 600÷750°С.

Недостатками способа являются более низкий уровень прочности и обратимых деформаций получаемых прутковых полуфабрикатов из сплава системы титан-цирконий- ниобий. Кроме того, применение способа с деформацией методом ротационной ковки на заключительной стадии термомеханической обработки приводит к снижению прямолинейности получаемых прутковых полуфабрикатов в отличие от применения продольной прокатки в трехвалковом калибре.

Задача, решаемая при создании заявленного способа, состоит в получении из слитков из сверхупругих сплавов системы титан-цирконий-ниобий длинномерных (l>2000 мм) прутков мелких сечений (диаметром 5÷10 мм) с мелкозернистой структурой (размер зерна 4÷10 мкм) и низком модулем Юнга (Е=40÷60 ГПа)

Технический результат, достигаемый при решении такой задачи, состоит в повышении прочности (σв=600÷800 МПа), высокой величины полной обратимой деформации (ε_обр=5,0÷7,0%) и сверхупругого поведения при комнатной температуре для дальнейшего их применения в области медицины.

Технический результат достигается следующим образом.

Способ изготовления длинномерных прутков диаметром 5÷10 мм из сверхупругого сплава системы титан-цирконий-ниобий, включающий обработку слитка методом мультиосевой ковки, последующую радиально-сдвиговую прокатку, ротационную ковку и горячую правку растяжением, отличающийся тем, что слиток подвергают мультиосевой ковке с истинной степенью деформации, составляющей 0,15÷0,25 от общей истинной степени деформации, радиально-сдвиговую прокату выполняют с истинной степенью деформации, составляющей 0,35÷0,55 от общей истинной степени деформации, ротационную ковку проводят с истинной степенью деформации, составляющей 0,15÷0,25 от общей истинной степени деформации, а после ротационной ковки и перед горячей правкой растяжением выполняют продольную прокатку в трехвалковом калибре на пруток окончательного размера с истинной степенью деформации, составляющей 0,15÷0,25.

Кроме того, мультиосевую ковку, радиально-сдвиговую прокатку, ротационную ковку и продольную прокатку в трехвалковом калибре при температурах соответственно 950÷1050°С, 900÷950°С, 600÷750°С, 675÷725°С.

Также при горячей правке растяжением усилие растяжения составляет не более 100% от предела текучести материала при 675÷725°С, в таком состоянии пруток охлаждают на воздухе до 375÷425°С, затем натяжение снимают и охлаждают до комнатной температуры.

Изобретение осуществляется следующим образом.

Логика заявленного способа построена на пятиэтапной высокотемпературной термомеханической обработке (ТМО), заключающейся в пластическом деформировании по схеме «мультиосевая ковка (МОК)+радиально-сдвиговая прокатка (РСП)+ротационная ковка (РК) + продольная прокатка в трехвалковом калибре (ПП)+горячая правка растяжением (ГПР)», с соблюдением последовательности и ограничения доли истинной деформации на каждом этапе обработки от общей степени.

Этап 1. Исходный слиток (литой) из сверхупругого сплава системы Ti-Zr-Nb характеризуется наличием ликвационной пористости и рыхлости, ослабленной межзеренной связью, крупнозеренной структурой, что существенно ограничивает способность к деформированию. В связи с этим МОК происходит в условиях неравномерного объемного обжатия с чередованием направления приложения деформирующих усилий, что наиболее благоприятно для начального этапа деформации литой структуры. Таким образом, основная цель МОК - это устранение рыхлости и пористости структуры исходного слитка, начальное дробление литых кристаллов и повышение деформируемости заготовки без разрушения на макроуровне на следующем этапе в условиях существенных сдвиговых деформаций.

Истинная степень деформации εмок при МОК должна составлять 0,15÷0,25 от общей истинной степени деформации ε_Σ=ε_МОК+ε_РСП+ε_РК+ε_ПП. Если доля ε_МОК<0,15ε_Σ, то начальной проработки оказывается недостаточно, что может привести к значительному росту вероятности разрушения исходного материала на этапе 2. При ε_МОК>0,25ε_Σ чрезмерно снижается доля последующих этапов для достижения общего технического результата. Схема МОК эффективна для относительно коротких прутковых заготовок, которые способны сохранить устойчивость при сжатии в продольном сечении. Чем больше МОК, тем длиннее становится поковка и возрастает вероятность потери устойчивости при очередной осадке в самом длинном измерении. Плотность металла после первого этапа 100% от теоретической, а средний размер зерна 50-200 мкм.

Этап 2. Радиально-сдвиговая прокатка (РСП) обеспечивает интенсивную проработку структуры путем ее измельчения, повышает деформируемость и физико-механические свойства металла.

Диапазон степени истинной деформации при РСП ε_РСП составляет 0,35÷0,55 от суммарной степени истинной деформации при МОК, РСП, РК и ПП, т.е. ε_РСП =(0,35÷0,55)ε_Σ.

Значение ε_РСП меньше 0,35 недостаточно для требуемого измельчения структуры и повышения пластических свойств металла и ведет к возможному образованию разрывов при ротационной ковке на третьем этапе. В случае если значение ε_РСП более 0,55 от ε_Σ, то формируется значительная анизотропия структуры и свойств по сечению получаемых прутков. Кроме того, получение прутков с диаметром менее 10 мм становится сложно реализуемым.

В результате формируется градиентная структура по сечению прутка с размером зерна от 10 до 100 мкм. Сплав в этом состоянии обладает высокой пластичностью (относительное удлинение до разрушения (20-40%), но сравнительно невысокой прочностью (σ_в=500÷600 МПа) и низким уровнем сопротивления пластической деформации.

Этап 3. Ротационная ковка (РК) применяется для снижения неоднородности зеренной структуры (размер зерна от 5 до 30 мкм) и получения прутков малого сечения (8-13 мм). Одновременно с этим формируется кристаллографическая текстура с преимущественной ориентацией зерен в направлении [011]_β параллельно оси пруткового полуфабриката, благоприятной для реализации максимальной обратимой деформации.

Интервал степени истинной деформации при РК ε_РК составляет 0,15÷0,25 от суммарной степени истинной деформации ε_РК =(0,15÷0,25)ε_Σ.

Этап 4. продольная прокатка в трехвалковом калибре (ПП) применяется для получения прутков требуемого сечения (5÷10 мм) и повышения физико-механических свойств.

Диапазон степени истинной деформации при ПП ε_пп составляет 0,15÷0,25 от суммарной степени истинной деформации при МОК, РСП, РК и ПП, т.е. ε_пп =(0,15÷0,25)ε_Σ;.

Особенностью этого этапа является последовательное прохождение прутка через несколько клетей треугольного и круглого профиля. Треугольные клети могу быть ориентированы с разным углом поворота (шаг 30°) относительно направления проката. Финальная клеть круглого профиля. Повороты необходимы для устранения анизотропии, вызванной неоднородным распределением полей напряжений и деформаций. Средний размер зерна снижается от центра (10-30 мкм) до периферии (5-15 мкм). После прокатки формируется динамически полигонизованная субструктура с преобладающей кристаллографической текстурой в направлении [011]_β параллельно оси пруткового полуфабриката. Это направление соответствует реализации максимального теоретического ресурса обратимой деформации. В результате такой обработки в длинномерном прутковом полуфабрикате обеспечивается высокий комплекс механических и функциональных свойств: низкий модуль Юнга (Е=40-60 ГПа), высокая прочность (предел прочности 650-800 МПа), высокая величина полностью обратимой деформации (4,5-7,0%), удовлетворительное относительное удлинение до разрушения (δ=12-18%).

Этап 5. Горячая правка растяжением (ГПР) применяется как финишная операция для устранения остаточной кривизны прутка, получения точной и прямолинейной геометрии. Методом электроконтактного нагрева пруток разогревают до 675-725°С, затем прикладывают растягивающее напряжение так, чтобы пруток удлинился на 1,5-2,5% от исходной длины. В таком состоянии пруток охлаждают на воздухе до 375-425°С. Дальнейшее охлаждение до комнатной температуры осуществляют без растягивающего напряжения. В результате такой обработки в сплаве происходит частичная статическая рекристаллизация структуры, преимущественно в приповерхностных слоях. Средний размер рекристаллизованных зерен 4÷10 мкм. При этом анизотропия структуры снижается, а благоприятная кристаллографическая текстура с преимущественной ориентацией в направлении [011]_β параллельно оси пруткового полуфабриката сохраняется в центральной зоне. Это незначительно понижает исходный комплекс прочностных свойств. Однако, полученные прутковые полуфабрикаты обладают наилучшим сочетанием низкого модуля Юнга (Е=40-60 ГПа), высокой прочности (предел прочности 650-750 МПа), высокой величиной полностью обратимой деформации (4,5-7,0%), удовлетворительного относительного удлинения до разрушения (δ=12-18%).

Нижеследующий пример иллюстрирует практические аспекты реализации заявленного способа.

Пример. Слиток сплава Ti-18Zr-15Nb (ат.%) массой 13,8 кг был получен методом четырехкратного вакуумного дугового переплава для минимизации неоднородности химического состава в объеме слитка.

Мультиосевую ковку проводили в три этапа со скоростью деформации 6 мм/с:

• на первом этапе слиток нагрели в печи в течение двух часов с 700°С до 1000°С и выдержкой в течении одного часа при температуре 1000°С. Далее провели осадку заготовки при 1000°С в торец на 25-30%. Затем производили ковку на квадрат со стороной 120 мм со сменой оси деформации;

• на втором этапе заготовку нагревали до 900°С с последующей выдержкой 40 мин. Далее, по аналогии с первым этапом, была проведена осадка заготовки при 950°С в торец на 25-30%). Затем производили ковку на квадрат со стороной 105 мм;

• на третьем этапе заготовку загружали в разогретую до 950°С печь. Далее печь переключали на температуру 900°С и выдержали 40 мин. При выгрузке заготовки температура печи опустилась до 920°С. При данной температуре провели осадку в торец на 25-30%. Затем провели ковки на квадрат со сторонами 92 мм и 87 мм, после чего сбили грани на круг. Полученный диаметр заготовки составил ∅92 мм. Суммарная относительная и истинная деформации, полный коэффициент вытяжки были рассчитаны исходя из начальных и конечных геометрических параметров для каждого этапа ковки. Полученную заготовку обточили до ∅85 мм для последующей радиально-сдвиговой прокатки.

Радиально-сдвиговую прокатку (РСП) проводили поэтапно на нескольких станах до достижения определенных геометрических параметров. РСП проводили на трехвалковом стане винтовой прокатки МИСИС-130Т на заготовке с ∅85 мм, полученной в результате описанной выше обработки. Заготовку нагревали до температуры 950°С с выдержкой 40 мин. Прокатку проводили до ∅54 мм. Затем заготовку предварительно подогрели в печи на 950°С в течении 15 мин и прокатывали на стане винтовой прокатки МИСИС-100Т до ∅41 мм. Далее заготовку разделили на четыре равные части и дальнейшую обработку производили по одинаковым геометрическим и деформационным параметрам. Прутки прокатывали на трехвалковом министане винтовой прокатки 14-40 до ∅36 мм. Образовавшийся оксидный слой удалили обточкой прутков до ∅30 мм. Дальнейшую обработку проводили на министане винтовой прокатки 10-30. Диаметр полученных заготовок без чистовой обработки составил 20 мм. На данном этапе степень истинной деформации составила ε_РСП=2,53.

Горячая ротационная ковка прутков Ti-Zr-Nb. После РСП прутки с ∅20 мм были обточены до ∅17,6 мм для удаления поверхностного дефектного слоя. Заготовку предварительно нагрели в муфельной печи до 700°С. В промежутке для замены байков заготовку возвращали в печь. Температуру контролировали оптическим пирометром. Чем меньше становился диаметр заготовки, тем больше становилась скорость продольной подачи. Это изменение значительно влияет на режим течения металла в зоне деформации и качество получаемой поверхности. После всех проходов пруток охлаждали в воде. Степень истинной деформации в этом случае составила ε_РК=0,98.

Продольную прокатку в трехвалковом калибре проводили посредством последовательного обжатия в трех клетях по схеме треугольник - треугольник - круг. Заготовку предварительно нагрели электроконтактным методом до 700°С. После первой и второй клети, которая была повернута на 180° по направлению вытяжки относительно предыдущей клети, форма поперечного сечения была приближенна к треугольной с вписанной (d_ВП1=9,2 мм и d_ВП2=8,25 мм) и описанной (d_ОП1=7,2 мм и d_ОП2=6,3 мм) окружностью соответственно. Затем третьей клетью формируют необходимую круглую форму поперечного сечения (d=7,0 мм) со степенью истинной деформации ε_ПП =0,87.

После ПП заготовка была охлаждена на воздухе и перенесена в установку для горячей правки растяжением. Для выпрямления к прутковому полуфабрикату одновременно прикладывали растягивающее напряжение и электроконтактный нагрев до ~700°С. После процесса правки горячим растяжением заготовку охлаждали на воздухе до ~300°С под напряжением, а затем давали остыть без напряжения до комнатной температуры. Для удаления поверхностных дефектов была проведена механическая обработка пруткового полуфабриката на станке бесцентровой шлифовки. Полное устранение поверхностных дефектов было достигнуто при уменьшении диаметра до 6,7 мм. Конечный диаметр чистовых прутков после шлифовальной обработки составил 6,7 мм. ГПР приводит к частичной рекристаллизации со средним размером рекристализованных зерен 7-9 мкм в поперечном сечении, в основном в приповерхностных слоях, что незначительно снижает механические и функциональные свойства. Однако, в центральных слоях сохраняется сформированная в результате ПП микроструктура со средним размером зерна 8-10 мкм в перпендикулярном и 20-27 мкм в парольном направлении вытяжки соответственно. Преимущественная благоприятная [011]_β текстура сохраняется.

Средний размер зерна был определен методом случайных секущих для всех подготовленных образцов. Полученный пруток обладает необходимой мелкозернистой структурой, которая положительно влияет на функциональные свойства материала. Для изучения механических и функциональных свойств были подготовлены цилиндрические образцы с длинной рабочей части 30 мм и диаметром 4 мм. Статические механические испытания на растяжение были проведены на разрывной машине со скоростью деформации 1 мм/мин. Были построены диаграммы «напряжение - деформация», и были определены следующие параметры диаграмм: фазовый предел текучести σ_ф на пересечения касательных линий области упругости и области текучести; модуль Юнга Е на стадии упругости, тангенс угла наклона на линейной части восходящей ветви диаграммы деформации к оси деформации; предел прочности σ_в, максимальное напряжение на полученной диаграмме «напряжение - деформация»; деформация до разрушения ε, максимальное значение деформации образца во время испытания. Циклические испытания проводили по схеме «деформация на 1% - разгрузка» в каждом цикле с накоплением деформации до разрушения образца. По полученным полным (включающим ветвь разгрузки) диаграммам «напряжение - деформация» был рассчитан следующий параметр: максимальная обратимая сверхупругая деформация ε^су_обр, определяемая вычитанием из наведенной деформации остаточную и упругую деформации. Полученные прутковые полуфабрикаты демонстрируют сочинение низкого модуля Юнга (Е ≈ 45 ГПа), удовлетворительной прочности (σ_в=678 МПа), высокой величины обратимой сверхупругой деформации ε^су_обр =3,5%, удлинения до разрушения ε=15,1%, фазового предела текучести σ_ф=482 МПа и сверхупругого поведения при комнатной температуре.

Изобретение относится к металлургии и может быть использовано для получения длинномерных прутковых полуфабрикатов из сверхупругих сплавов для изготовления ортопедических имплантатов. Способ изготовления длинномерных прутков диаметром 5÷10 мм из сверхупругого сплава системы титан-цирконий-ниобий, включающий обработку слитка методом мультиосевой ковки, последующую радиально-сдвиговую прокатку, ротационную ковку и горячую правку растяжением. Слиток подвергают мультиосевой ковке с истинной степенью деформации, составляющей 0,15÷0,25 от общей истинной степени деформации, радиально-сдвиговую прокату выполняют с истинной степенью деформации, составляющей 0,35÷0,55 от общей истинной степени деформации, ротационную ковку проводят с истинной степенью деформации, составляющей 0,15÷0,25 от общей истинной степени деформации, а после ротационной ковки и перед горячей правкой растяжением выполняют продольную прокатку в трехвалковом калибре на пруток окончательного размера с истинной степенью деформации, составляющей 0,15÷0,25. Технический результат состоит в повышении прочности (σ_в=600÷800 МПа), высокой величины обратимой деформации (ε_обр=5,0÷7,0%) и сверхупругого поведения при комнатной температуре для дальнейшего их применения в области медицины. 2 з.п. ф-лы, 1 пр.

1. Способ изготовления длинномерных прутков диаметром 5÷10 мм из сверхупругого сплава системы титан-цирконий-ниобий, включающий обработку слитка методом мультиосевой ковки, последующую радиально-сдвиговую прокатку, ротационную ковку и горячую правку растяжением, отличающийся тем, что слиток подвергают мультиосевой ковке с истинной степенью деформации, составляющей 0,15÷0,25 от общей истинной степени деформации, радиально-сдвиговую прокату выполняют с истинной степенью деформации, составляющей 0,35÷0,55 от общей истинной степени деформации, ротационную ковку проводят с истинной степенью деформации, составляющей 0,15÷0,25 от общей истинной степени деформации, а после ротационной ковки и перед горячей правкой растяжением выполняют продольную прокатку в трехвалковом калибре на пруток окончательного размера с истинной степенью деформации, составляющей 0,15÷0,25.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что мультиосевую ковку, радиально-сдвиговую прокатку, ротационную ковку и продольную прокатку в трехвалковом калибре проводят при температурах соответственно 950÷1050°С, 900÷950°С, 600÷750°С, 675÷725°С.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что при горячей правке растяжением усилие растяжения составляет не более 100% от предела текучести материала при 675÷725°С, в таком состоянии пруток охлаждают на воздухе до 375÷425°С, затем натяжение снимают и охлаждают до комнатной температуры.