Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ДЕФОРМАЦИОННОЙ ОБРАБОТКИ ДЛИННОМЕРНЫХ ПОЛУФАБРИКАТОВ ТОНКОГО СЕЧЕНИЯ ИЗ СПЛАВОВ TiNi С ЭФФЕКТОМ ПАМЯТИ ФОРМЫ

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.