Способ комбинированной интенсивной пластической деформации заготовок

Изобретение относится к области обработки давлением и может быть использовано для получения нанокристаллических заготовок металлов и сплавов с улучшенными физико-механическими свойствами. Производят равноканальное угловое прессование цилиндрической заготовки. При этом в металле заготовки формируют ультрамелкозернистую структуру с размером зерна 200-300 нм. Затем заготовку разрезают на диски, каждый из которых подвергают интенсивной пластической деформации кручением при помощи двух вращающихся бойков. Деформацию кручением проводят при комнатной температуре под давлением 4-6 ГПа при количестве оборотов бойков n 2. При этом обеспечивают формирование однородной нанокристаллической структуры с размером зерна 100 нм. В результате улучшаются физико-механические свойства обрабатываемого металла. 1 з.п. ф-лы, 1 табл., 1 пр.

 

Изобретение относится к обработке материалов давлением и может быть использовано для получения нанокристаллических заготовок металлов и сплавов с улучшенными физико-механическими свойствами для применения в машиностроении, авиадвигателестроении, в медицине для изготовления имплантатов.

Известен способ обработки металлов равноканальным угловым прессованием (РКУП), по которому в металле получают ультрамелкозернистую (УМЗ) структуру, обеспечивающую улучшение физико-механических характеристик (Сегал В.М. Пластическая обработка металлов простым сдвигом / В.М. Сегал, В.И. Резников, А.С. Дробышевкий, В.И. Копылов // Известия АН СССР. Металлы. - 1981. - С.115-123). РКУП заключается в деформации заготовок сдвигом в зоне пересечения каналов равного сечения. Заготовка неоднократно прессуется в специальной оснастке через два канала с одинаковыми поперечными сечениями, пересекающимися обычно под углом от 90 до 120°. В случае труднодеформируемых материалов деформация осуществляется при повышенных температурах. Метод РКУП позволяет получить УМЗ-структуру с размером зерна около 200 нм в массивных образцах диаметром от 10 до 60 мм и длиной от 100 до 350 мм (Валиев Р.З., Александров И.В. Объемные наноструктурные металлические материалы: получение, структура и свойства. - М.: ИКЦ «Академкнига», 2007. - 398 с).

Недостаток РКУП заключается в следующем. С его помощью невозможно измельчать зерно металла до нанокристаллического (НК) состояния с размером зерна менее 100 нм (Валиев Р.З., Александров И.В. Объемные наноструктурные металлические материалы: получение, структура и свойства. - М.: ИКЦ «Академкнига», 2007. - 398 с).

Известен другой способ обработки металлов и сплавов - интенсивная пластическая деформация кручением под высоким давлением (ИПДК). ИПДК позволяет достигать наиболее высоких степеней деформации ( e = 7 10 ) и формировать НК структуру в материалах. Схема деформации была предложена П.В. Бриджменом (Бриджмен П. Исследования больших пластических деформаций и разрыва. Влияние высокого гидростатического давления на механические свойства материалов / П. Бриджмен; пер. с англ. А.И. Лихтера; под ред. Л.Ф. Верещагина. - М.: Ин. лит-ра, 1955. - 444 с).

Недостатки известного способа заключаются в следующем. Известно, что при ИПДК степень деформации е зависит от радиуса г образца по формуле: e = ln ( 2 π n r / l ) , где e - логарифмическая степень деформации, n - число оборотов бойков (наковален), к и д - соответственно радиус и толщина образца в точке, в которой определяется степень деформации. В связи с этим структура образцов после ИПДК при малом числе оборотов бойков неоднородна (Валиев Р.З., Александров И.В. Объемные наноструктурные металлические материалы: получение, структура и свойства. - М.: ИКЦ «Академкнига», 2007. - 398 с). Для достижения в образце однородной наноструктуры методом ИПДК требуется достаточно большое число оборотов (обычно n≤5), что при необходимых для реализации процесса больших давлениях (5 ГПа и более) может приводить к разрушению образца и оснастки.

Наиболее близким к заявляемому является способ комбинированной интенсивной пластической деформации (RU 2240197, МПК B21J 5/00, C22F 1/18, опубл. 20.11.2004), в котором процесс осуществляют в следующий последовательности: деформация кручением в винтовом канале, затем равноканальное угловое прессование, при этом заготовку дополнительно подвергают низкотемпературному отжигу для снятия внутренних напряжений.

Недостатком прототипа является невозможность измельчать зерно металла до нанокристаллического (НК) состояния с размером зерна менее 100 нм, что не обеспечивает обрабатываемому материалу высоких физико-механических свойств.

Задачей изобретения является улучшение физико-механических свойств обрабатываемого металла, в частности повышение твердости, за счет создания в металле однородной наноструктуры с размером зерна менее 100 нм.

Поставленная задача решается способом комбинированной интенсивной пластической деформации заготовок, включающим деформацию кручением и равноканальное угловое прессование. В отличие от прототипа деформацию кручением осуществляют после равноканального углового прессования, при котором в цилиндрической заготовке формируют ультрамелкозернистую структуру с размером зерна 200-300 нм, затем заготовку разрезают на диски, а каждый диск подвергают интенсивной пластической деформации кручением при помощи двух вращающихся бойков - верхнего и нижнего, причем деформацию кручением проводят при комнатной температуре под давлением 4-6 ГПа, при количестве оборотов бойков n≤2, с обеспечением формирования однородной нанокристаллической структуры в заготовке с размером зерна ≤100 нм.

Согласно изобретению на поверхности нижнего бойка выполнена канавка.

Технический результат достигается сочетанием РКУП+ИПДК в указанных режимах, что позволяет сформировать в материале однородную нанокристаллическую структуру с размером зерна ≤100 нм, приводящую к повышению механических характеристик материала.

Способ осуществляют следующим образом.

На первом этапе цилиндрическую заготовку подвергают РКУП при таких температурах и количестве циклов, которые обеспечивают формирование однородной УМЗ структуры в выбранном материале с размером зерна 200-300 нм.

После окончания этапа РКУП заготовку вынимают из оснастки и охлаждают до комнатной температуры. Проводится контроль микроструктуры и микротвердости в полученной заготовке.

После РКУП цилиндрическую заготовку разрезают на диски толщиной 0,8-1,5 мм. Далее заготовка-диск подвергается ИПДК при комнатной температуре под давлением 4-6 ГПа и количестве оборотов бойков n=1-2. В результате данной обработки происходит дополнительное измельчение зерна до размера ≤100 нм с формированием в материале заготовки НК структуры. После окончания ИПДК повторно проводят контроль микроструктуры и микротвердости образца.

Пример конкретного выполнения.

В качестве заготовки использовали пруток из титана Grade-4 диаметром 20 мм и длиной 80 мм. На первом этапе заготовку подвергали РКУП при температуре 450°C с числом циклов n=5. В результате в материале формировалась однородная УМЗ структура с размером зерна около 300 нм.

После окончания РКУП заготовку вынимали из оснастки и охлаждали до комнатной температуры. Проводился контроль микроструктуры и микротвердости полученной заготовки.

Затем заготовку разрезали на диски толщиной 1.1 мм и диаметром 20 мм.

На следующем этапе заготовку-диск подвергали ИПДК на бойках диаметром 20 мм с канавкой на поверхности нижнего бойка глубиной 0.7 мм, под давлением 6 ГПа и количестве оборотов бойков n=2. В результате ИПДК происходит дополнительное измельчение зерна материала заготовки, что приводит к формированию ПК структуры с размером зерна менее 100 нм по всему объему заготовки-диска. После окончания ИПДК повторно проводили контроль микроструктуры и микротвердости.

В таблице приведены сравнительные значения микротвердости в образцах из Ti Grade-4, полученных по традиционным схемам и по заявляемому способу.

Вид обработки Hv (микротвердость), МПа
3000 В центре образца По краю образца
РКУП 3000
ИПДК n=2 4000 5000
РКУП+ИПДК n=2 5000 5000

Из таблицы следует, что в результате обработки по заявляемому способу в материале заготовки получают однородную нанокристаллическую структуру и высокие показатели микротвердости.

Таким образом, предлагаемый способ позволяет улучшить физико-механические свойства обрабатываемого металла, в частности повысить микротвердость, за счет создания в металле однородной наноструктуры с размером зерна менее 100 нм. Данная обработка позволяет получать наноструктурные образцы из титана и сплава TiNi, в том числе для изготовления медицинских имплантатов.

1. Способ комбинированной интенсивной пластической деформации металлических заготовок, включающий деформацию кручением и равноканальное угловое прессование, отличающийся тем, что деформацию кручением осуществляют после равноканального углового прессования, при котором в металле цилиндрической заготовки формируют ультрамелкозернистую структуру с размером зерна 200-300 нм, затем заготовку разрезают на диски, а каждый диск подвергают интенсивной пластической деформации кручением при помощи двух вращающихся бойков - верхнего и нижнего, причем деформацию кручением проводят при комнатной температуре под давлением 4-6 ГПа при количестве оборотов бойков n≤2 с обеспечением формирования однородной нанокристаллической структуры в заготовке с размером зерна ≤100 нм.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что на поверхности нижнего бойка выполнена канавка.



 

Похожие патенты:
Изобретение относится к цветной металлургии, в частности к изготовлению заготовок из титановой губки. Способ изготовления заготовок из титана включает размещение частиц титановой губки в камере пресса, компактирование частиц губки до получения заготовки, ее прессование, удаление загрязнений с поверхности прессованной заготовки, покрытие ее смазкой и последующую прокатку.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к жаропрочным сплавам на основе алюминида титана Ti3Al, и может быть использовано для изготовления деталей газотурбинных двигателей, силовых установок и агрегатов авиационного, топливно-энергетического и морского назначения.

Изобретение относится к обработке металлов давлением, а именно к способам изготовления тонких листов из псевдо-альфа титановых сплавов. Способ изготовления тонких листов из псевдо-альфа титановых сплавов включает деформацию слитка в сляб, механическую обработку сляба, многопроходную прокатку сляба на подкат, резку подката на листовые заготовки, их сборку в пакет и его прокатку и адъюстажные операции.
Изобретение относится к обработке металлов и может быть использовано при изготовлении поковок дисков горячим деформированием слитков из сплава на основе алюминида титана, основанного на орторомбической фазе Ti2NbAl.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к сплавам на основе гамма-алюминида титана и может быть использовано при получении изделий ответственного назначения, работающих при температурах до 800°C, в частности лопаток газотурбинных двигателей.
Изобретение относится к способу изготовления сварных изделий, преимущественно сварных каркасов искусственных клапанов сердца ИКС. Способ изготовления каркасов искусственных клапанов сердца из технически чистого титана включает сборку и сварку деформированной волочением проволоки и пластины и термическую обработку.

Изобретение относится к обработке металлов давлением и может быть использовано при изготовлении термомеханической детали турбомашины из бета- или альфа/бета-титанового сплава.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к получению труб из технически чистого титана с радиальной структурой. Для получения трубы из технически чистого титана с радиальной текстурой изготавливают заготовки в виде колец, деформируют с уменьшением толщины их стенок и увеличением их диаметра, а затем сваривают торцами встык с получением трубы.

Изобретение относится к способам термической обработки литых заготовок из заэвтектоидных интерметаллидных сплавов на основе фаз γ-TiAl и α2-Ti3Al. Способ термической обработки литых заготовок из заэвтектоидных интерметаллидных сплавов на основе фаз γ-TiAl+α2-Ti3Al, затвердевающих полностью через β-фазу, содержащих легирующие элементы, по крайней мере, бор и элементы, стабилизирующие β-фазу, включает охлаждение заготовок от температур β-фазовой области.

Изобретение относится к деформационно-термической обработке сплавов с эффектом памяти формы, в частности сплавов на основе TiNi. Наноструктурный сплав титан-никель с эффектом памяти формы характеризуется структурой из наноскристаллических аустенитных зерен В2 фазы, в которой объемная доля зерен с размером менее 0,1 мкм и с коэффициентом формы зерен не более 2 во взаимно перпендикулярных плоскостях составляет не менее 90%.

Изобретение относится к средствам для защиты от электромагнитных полей электротехнических и электронных устройств и биологических объектов и может использоваться для создания электромагнитных экранов и безэховых камер.

Изобретение направлено на получение функционализированных углеродных нанотрубок, обладающих хорошей совместимостью с полимерными матрицами. Углеродные нанотрубки подвергают обработке в парах перекиси водорода при температуре от 80°С до 160°С в течение 1-100 ч.

Изобретение относится к нанокомпонентной энергетической добавке в жидкое углеводородное топливо в виде наночастиц металла, при этом в качестве наночастиц металла используются неоксидированные наночастицы алюминия размером не более 25 нм, покрытые антиоксидантным протектором.

Изобретение относится к способу получения насыщенных карбоновых кислот, в частности к новому способу гидрирования непредельных карбоновых кислот, и позволяет получать насыщенные карбоновые кислоты, которые находят применение в качестве полупродуктов в органическом синтезе.
Изобретение может быть использовано в химической промышленности для тонкой очистки водородсодержащих газовых смесей от оксидов углерода путем их гидрирования до метана.
Изобретение может быть использовано для получения модифицированных углеродных нанотрубок. Способ модифицирования углеродных нанотрубок включает обработку углеродных нанотрубок водным раствором окислителя, в качестве которого применяют раствор персульфата или гипохлорита при рН более 10, проводимую одновременно с механической обработкой.

Изобретение относится к нанотехнологии, а именно к материалу и способу получения сферических конгломератов, содержащих наноразмерные частицы (НРЧ) металла, в частности меди, в оболочке из другого вещества или органического полимера.

Изобретение относится к композиции матриксного носителя для применения в фармацевтической системе доставки для перорального введения, которая является суспензией состоящего из частиц материала в непрерывной масляной фазе.

Изобретение относится к полимерному электрохромному устройству, способному контролируемо изменять величину светопоглощения при приложении электрического напряжения.

Использование: для замкнутого цикла производства новых изделий наноэлектроники. Сущность изобретения заключается в том, что в нанотехнологический комплекс на основе ионных и зондовых технологий, включающий распределительную камеру со средствами откачки, в которой расположен центральный робот распределитель с возможностью осевого вращения, содержащий захват носителей подложек, при этом распределительная камера содержит фланцы, которыми она соединена с камерой загрузки и модулем ионной имплантации, захват носителей подложек имеет возможность взаимодействия с камерой загрузки и модулем ионной имплантации, введен измерительный модуль, включающий сканирующий зондовый микроскоп и модуль ионных пучков с системой газовых инжекторов, при этом они соединены с фланцами распределительной камеры и имеют возможность взаимодействия с захватом носителей подложек.

Изобретение относится к области обработки давлением и может быть использовано для повышения физико-механических свойств металлов и сплавов. Производят нагружение нагретой заготовки с получением интенсивной пластической деформации при температурно-скоростных режимах, обеспечивающих развитие динамической рекристаллизации, измельчение вторичных фаз и создание мелкозернистой структуры.

Изобретение относится к области обработки давлением и может быть использовано для получения нанокристаллических заготовок металлов и сплавов с улучшенными физико-механическими свойствами. Производят равноканальное угловое прессование цилиндрической заготовки. При этом в металле заготовки формируют ультрамелкозернистую структуру с размером зерна 200-300 нм. Затем заготовку разрезают на диски, каждый из которых подвергают интенсивной пластической деформации кручением при помощи двух вращающихся бойков. Деформацию кручением проводят при комнатной температуре под давлением 4-6 ГПа при количестве оборотов бойков n≤2. При этом обеспечивают формирование однородной нанокристаллической структуры с размером зерна ≤100 нм. В результате улучшаются физико-механические свойства обрабатываемого металла. 1 з.п. ф-лы, 1 табл., 1 пр.

Наверх