Способ термомеханической обработки полуфабрикатов из сплава никелида титана

Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано в энергетическом машиностроении и приборостроении, в медицине, при низкотемпературном формировании исходной формы изделий из материалов с термоупругими мартенситными превращениями. Способ термомеханической обработки полуфабрикатов из сплава никелида титана включает термоциклирование через интервал обратного мартенситного превращения. Термоциклирование начинают из мартенситного состояния при температуре 23°C и осуществляют в интервале температур до 142°C под действием постоянных растягивающих напряжений на этапах нагрева и охлаждения, причем отношение значений напряжений на этапах нагрева к напряжениям на этапах охлаждения равно 4. Получают высокие значения сверхпластической деформации. 1 з.п. ф-лы, 3 табл., 2 пр.

 

Изобретение относится к металлургии и может найти применение в энергетическом машиностроении и приборостроении, в медицине, при формировании исходной формы полуфабрикатов и изделий из материалов с термоупругими мартенситными превращениями (ТМП).

Известны несколько способов обработки материалов с целью получения сверхпластического состояния. Первый способ - это деформирование при температуре 440-480°C со скоростью 1·10^-3-1·10^-2 с^-1 сплава Al - 3.5-4.5 мас. % Zn - 3.5-4.5 мас. % Mg - 0.6-1.0 мас. % Cu - 2.0-3.0 мас. % Ni - 0.25-0.3 мас. % Zr [Патент. №2491365, C22F 1/047 (2006.01), C22F 1/053 (2006.01), С22 21/06 (2006.01), С22 21/10 (2006.01). Заявл. 2011133287/02, 09.08.2011, опубл. 27.08.2013. Бюл. №24].

Второй способ - это деформирование путем равноканального углового прессования со скоростью 3·10^-5-3·10^-1 с^-1 при температуре 20-450°C сплава (Al - 2 вес. % Li - 6 вес. % Mg - 0.1 вес. % Zr) [Грязнов М.Ю., Чувильдеев Р.В., Кузин В.Е., Мышляев М.М., Копылов В.И. Сверхпластичность (СП) алюминиевых сплавов системы Al-Li-Mg, полученных методом равноканального углового прессования «Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского» 2011. №6(1). С. 49-57].

Недостатком 1 и 2 способов является то, что все опыты осуществляли изотермическим путем на алюминиевых сплавах с постоянной скоростью активного деформирования или равноканального углового прессования, что исключает возможность неизотермического получения сверхпластических деформаций.

В качестве наиболее близкого аналога может быть принят способ термомеханической обработки полуфабрикатов из никелида титана, включающий термоциклирование через интервалы мартенситного превращения, раскрытый в статье Андронова И.Н. и др. Деформационные эффекты в никелиде титана после тренировки изотермическим механоциклированием. Известия Коми научного центра УРО РАН, Выпуск 2(10), Сыктывкар 2012, С. 98-103.

Недостатком прототипа является то, что максимальная сверхпластиченская деформация TiNi в этом случае не превышала 1%, что явно недостаточно для формирования исходной формы элементов конструкций исполнительных устройств.

Техническими результатом изобретения является получение значительных сверхпластических деформаций в результате термоциклирования через интервалы мартенситных переходов под действием растягивающих усилий. Поставленная задача решается тем, что, как и в известном прототипе, в предлагаемом способе осуществляют процедуру, включающую, в том числе, деформирование материала из сплава никелида титана в интервале обратного мартенситного перехода.

Новым является то, что сверхпластическое состояние достигается за счет термоциклирования в интервалах мартенситных превращений под действием растягивающих напряжений, постоянных на этапах нагревания и охлаждения, в температурном интервале 23-142°C, при этом термоциклирование начинают из мартенситного состояния.

Кроме того, напряжение на этапе нагревания в течение всего процесса поддерживают в 4 раза больше, чем на этапе охлаждения.

Изобретение поясняется таблицами 1, 2 и 3. В таблице 1 даны параметры использованных образцов. В таблице 2 приведены соответствующие экспериментальные параметры для примера 1. В таблице 3 приведены соответствующие экспериментальные параметры для примера 2.

Способ осуществляет термомеханическую обработку цилиндрических образцов из никелида титана ТН-1 путем предварительного термоциклирования через интервалы обратного и прямого мартенситного превращения в условиях действия растягивающих напряжений σ_н - на этапе нагревания и σ₀ - на этапе охлаждения с целью формирования в полуфабрикате сверхпластической деформации. В процессе термоциклирования выдерживают соотношение σ_н/σ₀=4. Термоциклирование осуществляли в интервале температур 23-142°C.

Кроме того, термоциклирование начинают из мартенситного состояния.

Для проведения испытаний был отобран материал в виде сплошных цилиндрических образцов из сплава ТН-1 (с длиной и диаметром рабочей части соответственно 33 и 4 мм). Перед испытанием образцы отжигают (в муфельной печи в специальном контейнере) при температуре 550°C в течение 1 часа с последующим охлаждением до комнатной температуры на воздухе. Экспериментальная часть работы проводилась на специальной установке, спроектированной и изготовленной в Ухтинском государственном техническом университете [А.С. №1809356 СССР, G01N 3/08. Установка для испытания образцов материалов при сложном напряженном состоянии / В.П. Власов, И.Н. Андронов, Ю.Б. Какулия. - 4908828/28; заявл. 07.02.91; опубл. 15.04.93, бюл. №14: чертеж]. Она позволяла сообщать образцу постоянные во времени растягивающие усилия величиной до 5000 Н.

Нагрев производят электропечью. Температуру в процессе эксперимента регистрируют при помощи милливольтметра М2038, подключенного к хромель-копелевой термопаре, спай которой подсоединяют к рабочей части образца. Для контроля однородности нагрева образца устанавливают две термопары в различных точках его рабочей части. Скорость изменения температуры составляет 0.02°C с^-1. Для получения результата изобретения полуфабрикат, находящийся в мартенситном состоянии при температуре 23°C, нагружают заданной растягивающей силой, сообщая ему фиксированное значение нормальных напряжений, после чего нагревают до 142°C, далее частично снимают нагрузку, уменьшая значения напряжений вчетверо, и охлаждают до исходной температуры. После этого термоциклирование через интервалы мартенситных превращений повторяют до заметного появления шейки, в том числе вплоть до разрушения образца. Условное напряжение термоциклирования определяют по формуле σ=N/F₀, где N - величина растягивающей силы, F₀ - площадь поперечного сечения образца в исходном состоянии. Для оценки деформированного состояния в шейке используют истинные деформации, традиционно используемые в курсе сопротивления материалов [Феодосьев В.И. Сопротивление материалов. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1999. 592 с.], ε_и=(F₀/F-1)- 100%, где F - текущее значение площади поперечного сечения. Погрешности определения величин σ и ε_и не превышали 1 МПа и 0.4% соответственно.

Пример 1. Образец термоциклируют в интервале температур 23-142°C в нагруженном состоянии на этапах нагревания и охлаждают в течение 18 термоциклов под растягивающими напряжениями на этапах нагревания и охлаждения 340 и 85 МПа соответственно, после чего определяют истинную остаточную деформацию в шейке и по длине образца. Пример показывает, что уже на 18 цикле сверхпластическая (истинная) деформация достигает 177.0%, что примерно в 180 раз превосходит сверхпластическую деформацию, заявленную в прототипе.

Пример 2. Образец термоциклируют в интервале температур 23-142°C в нагруженном состоянии на этапах нагревания и охлаждения в течение 22 термоциклов под растягивающими напряжениями на этапах нагревания и охлаждения 340 и 85 МПа соответственно вплоть до разрушения, после чего образец соединяют по излому и измеряют истинную деформацию в шейке и по длине образца. Пример показывает, что на 22 цикле сверхпластическая (истинная) деформация достигает 343.2%, что примерно в 340 раз превосходит сверхпластическую деформацию, заявленную в прототипе.

1. Способ термомеханической обработки полуфабрикатов из сплава никелида титана, включающий термоциклирование через интервал обратного мартенситного превращения, отличающийся тем, что термоциклирование начинают из мартенситного состояния при температуре 23°C и осуществляют в интервале температур до 142°C под действием постоянных растягивающих напряжений на этапах нагрева и охлаждения, причем отношение значений напряжений на этапах нагрева к напряжениям на этапах охлаждения равно 4.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что напряжения на этапах нагрева и этапах охлаждения составляют 340 и 85 МПа соответственно.