Способ получения наноструктурированных покрытий титан-никель-цирконий с эффектом памяти формы

Изобретение относится к области металлургии, а именно к деформационно-термической обработке покрытий титан-никель-цирконий с эффектом памяти формы, и может быть использовано в металлургии, машиностроении и медицине. Способ получения наноструктурированных покрытий титан-никель-цирконий с эффектом памяти формы, включающий нанесение на поверхность при помощи высокотемпературных нанесений порошка металлов с эффектом памяти формы и термомеханическую обработку полученного покрытия, предусматривающую пластическую деформацию покрытия, проводимую по этапам, и отжиг, причем отжиг проводят после каждого этапа пластической деформации, а закалку проводят после этапов термомеханической обработки с последующим охлаждением в жидком азоте, в качестве порошка, наносимого на поверхность, используют смесь титана (Ti), никеля (Ni) и циркония (Zr), а само нанесение порошка осуществляют путем диффузионной металлизации, при этом пластическую деформацию полученного покрытия проводят в пять этапов, на первом этапе в интервале температур 400-450°C со степенью пластической деформации ε≥2,5%, на втором этапе в интервале температур 480-500°C со степенью пластической деформации ε≥5%, на третьем этапе в интервале температур 500-520°C со степенью пластической деформации ε≥7%, на четвертом этапе в интервале температур 520-550°C со степенью пластической деформации ε≥12%, на пятом этапе в интервале температур 550-600°C со степенью пластической деформации ε≥15%. Технический результат: получение наноструктурированного покрытия TiNiZr с эффектом памяти формы. 2 з.п. ф-лы, 1 табл.

 

Изобретение относится к области металлургии, а именно к деформационно-термической обработке покрытий титан-никель-цирконий с эффектом памяти формы, и может быть использовано в металлургии, машиностроении и медицине.

Известны способы получения покрытий с эффектом памяти формы TiNiZr (Материалы с эффектом памяти формы: Справ. изд. / Под ред. Лихачева В.А. - Т. 1. - СПб.: Изд-во НИИХ СПбГУ, 1997. - 424 с. / Т. 2. - СПб.: Изд-во НИИХ СПбГУ, 1998. - 374 с. / Т. 3 - СПб.: Изд-во НИИХ СПбГУ, 1998, 474 с. / Т. 4. - СПб.: Изд-во НИИХ СПбГУ, 1998. - 268 с. К. Ооцука, К. Симидзу, Ю. Судзуки и др. Сплавы с эффектом памяти формы / Под ред. Х. Фунакубо. Пер. с японск. - М.: Металлургия, 1990. - 224 с.).

Недостатком покрытий с эффектом памяти формы являются их низкие прочностные характеристики.

Известен способ получения наноструктурированных покрытий никель-алюминий с эффектом памяти формы на стали, включающий нанесение покрытия при помощи плазменной наплавки порошка NiAl с эффектом памяти формы, закалку при температуре 1000-1200°C с последующим охлаждением в жидком азоте, последующее проведение пластической деформации покрытия в три этапа, на первом этапе - в интервале температур 300-350°C со степенью пластической деформации = 4,5-10%, на втором этапе - в интервале температур 350-400°C со степенью пластической деформации = 10-15%, на третьем этапе в интервале температур 400-480°C со степенью пластической деформации = 15-40%, при этом после каждого этапа пластической деформации проводят отжиг при температуре 500-600°C в течение 1-1,5 ч (патент РФ №2398027).

Недостатком покрытия с эффектом памяти формы NiAl являются его низкие прочностные характеристики, пластичность и износостойкость.

Задачей предложенного изобретения является получение наноструктурированного покрытия титан-никель-цирконий (TiNiZr) с эффектом памяти формы.

Техническим результатом является повышение прочностных характеристик, пластичности и износостойкости сплавов TiNiZr с эффектом памяти формы.

Технический результат достигается тем, что способ получения наноструктурированных покрытий титан-никель-цирконий с эффектом памяти формы включает нанесение на поверхность при помощи высокотемпературных нанесений порошка металлов с эффектом памяти формы и термомеханическую обработку полученного покрытия, предусматривающую пластическую деформацию покрытия, проводимую по этапам, и отжиг, причем отжиг проводят после каждого этапа пластической деформации, а закалку проводят после этапов термомеханической обработки с последующим охлаждением в жидком азоте, при этом в качестве порошка, наносимого на поверхность, используют смесь титана (Ti), никеля (Ni) и циркония (Zr), а само нанесение порошка осуществляют путем диффузионной металлизации, при этом пластическую деформацию полученного покрытия проводят в пять этапов, на первом этапе в интервале температур 400-450°C со степенью пластической деформации ε≥2,5%, на втором этапе в интервале температур 480-500°C со степенью пластической деформации ε≥5%, на третьем этапе в интервале температур 500-520°C со степенью пластической деформации ε≥7%, на четвертом этапе в интервале температур 520-550°C со степенью пластической деформации ε≥12%, на пятом этапе в интервале температур 550-600°C со степенью пластической деформации ε≥15%, а отжиг проводят после каждого этапа пластической деформации при температуре 600-800°C в течение 0,5-1 часа, пластическую деформацию покрытия осуществляют обкаткой трехроликовым приспособлением в радиальном направлении, покрытие с эффектом памяти формы содержит цирконий 15-20%.

За счет того, что мы проводим пятиэтапную пластическую деформацию, происходит активизация релаксаций благодаря генерации вакансий или областей свободного объема атомарного размера, также оптимально подобранной степени деформации без разрушения полученной структуры. Фаза нанокристаллизуется за счет высокой скорости аннигиляции в ней дефектов деформации. Увеличение количества этапов термомеханической обработки приводит к уменьшению размера структуры (зерен) в покрытии TiNiZr. Предложенный способ обеспечивает получение наноструктуры с размером зерен 5-50 нм на стальных образцах покрытых TiNiZr с эффектом памяти формы и позволяет управлять параметрами наноструктурированного сплава TiNiZr, обеспечивая тем самым высокие прочностные свойства, высокую пластичность и износостойкость. Наличие Zr в сплаве позволяет повысить пластичность и износостойкость.

Способ осуществляется следующим образом.

Порошок TiNiZr с эффектом памяти формы Ti (31-36%) Ni (49%) Zr (15-20%) наносят при помощи диффузионной металлизации на стержень из стали 3 диаметром 8-10 мм и длиной 80-100 мм, получают покрытие толщиной 0,05-0,1 мм, далее покрытие (сплав) с эффектом памяти формы TiNiZr подвергают интенсивной пластической деформации. Пластическую деформацию покрытия с эффектом памяти формы TiNiZr проводят в пять этапов.

На первом этапе пластическую деформацию сплава с эффектом памяти формы TiNiZr осуществляют в интервале температур 400-450°C при помощи обкатки в трехроликовом приспособлении в радиальном направлении за 10-15 проходов с целью накопления степени деформации ε=2,5-4,5%. После охлаждения стержня с деформируемым сплавом с эффектом памяти формы TiNiZr до комнатной температуры проводят отжиг при температуре 600-800°C в течение 0,5-1 ч. На втором этапе пластическую деформацию сплава с эффектом памяти формы TiNiZr осуществляют в интервале температур 480-500°C при помощи обкатки в трехроликовом приспособлении в радиальном направлении за 20-35 проходов с целью накопления степени деформации ε=5-6,5%. После охлаждения стержня с деформируемым сплавом с эффектом памяти формы TiNiZr до комнатной температуры проводят отжиг при температуре 600-800°C в течение 0,5-1 ч. На третьем этапе пластическую деформацию сплава с эффектом памяти формы TiNiZr осуществляют в интервале температур 500-520°C при помощи обкатки в трехроликовом приспособлении в радиальном направлении за 40-55 проходов с целью накопления степени деформации ε=7-11,5%. После охлаждения стержня с деформируемым сплавом с эффектом памяти формы TiNiZr до комнатной температуры проводят отжиг при температуре 600-800°C в течение 0,5-1 ч. На четвертом этапе пластическую деформацию сплава с эффектом памяти формы TiNiZr осуществляют в интервале температур 520-550°C при помощи обкатки в трехроликовом приспособлении в радиальном направлении за 60-75 проходов с целью накопления степени деформации ε=12-14,5%. После охлаждения стержня с деформируемым сплавом с эффектом памяти формы TiNiZr до комнатной температуры проводят отжиг при температуре 600-800°C в течение 0,5-1 ч. На пятом этапе пластическую деформацию сплава с эффектом памяти формы TiNiZr осуществляют в интервале температур 550-600°C при помощи обкатки в трехроликовом приспособлении в радиальном направлении за 80-95 проходов с целью накопления степени деформации ε=15-17,5%. После охлаждения стержня с деформируемым сплавом с эффектом памяти формы TiNiZr до комнатной температуры проводят отжиг при температуре 600-800°C в течение 0,5-1 ч. После пяти этапов термомеханической обработки осуществляют закалку при температуре 800-1000°C с последующим охлаждением в жидком азоте сплава TiNiZr с эффектом памяти формы. Отжиг проводят при температуре 600-800°C в течение 0,5-1 ч для повышения технологической пластичности и формирования определенного типа наноструктурированного состояния с одновременным увеличением прочности и пластичности сплава, придания сплаву эффекта памяти формы.

Как показывают полученные результаты, пластическая деформация в трехроликовом приспособлении приводит к уменьшению размера зерен, увеличению адгезии, когезии и соответственно к более высокой прочности, пластичности, износостойкости и твердости сплава TiNiZr. Пример 1

Порошок TiNiZr с эффектом памяти формы Ti (31-36%) Ni (49%) Zr (15-20%) наносят при помощи диффузионной металлизации на стержень из стали 3 диаметром 8-10 мм и длиной 80-100 мм, получают покрытие толщиной 0,05-0,1 мм, далее покрытие (сплав) с эффектом памяти формы TiNiZr подвергают интенсивной пластической деформации. Пластическую деформацию покрытия с эффектом памяти формы TiNiZr проводят в пять этапов.

На первом этапе пластическую деформацию сплава с эффектом памяти формы TiNiZr осуществляют в интервале температур 400-450°C при помощи обкатки в трехроликовом приспособлении в радиальном направлении за 10-15 проходов с целью накопления степени деформации ε=2,5-4,5%. После охлаждения стержня с деформируемым сплавом с эффектом памяти формы TiNiZr до комнатной температуры проводят отжиг при температуре 600-800°C в течение 0,5-1 ч. На втором этапе пластическую деформацию сплава с эффектом памяти формы TiNiZr осуществляют в интервале температур 480-500°C при помощи обкатки в трехроликовом приспособлении в радиальном направлении за 20-35 проходов с целью накопления степени деформации ε=5-6,5%. После охлаждения стержня с деформируемым сплавом с эффектом памяти формы TiNiZr до комнатной температуры проводят отжиг при температуре 600-800°C в течение 0,5-1 ч. На третьем этапе пластическую деформацию сплава с эффектом памяти формы TiNiZr осуществляют в интервале температур 500-520°C при помощи обкатки в трехроликовом приспособлении в радиальном направлении за 40-55 проходов с целью накопления степени деформации ε=7-11,5%. После охлаждения стержня с деформируемым сплавом с эффектом памяти формы TiNiZr до комнатной температуры проводят отжиг при температуре 600-800°C в течение 0,5-1 ч. На четвертом этапе пластическую деформацию сплава с эффектом памяти формы TiNiZr осуществляют в интервале температур 520-550°C при помощи обкатки в трехроликовом приспособлении в радиальном направлении за 60-75 проходов с целью накопления степени деформации ε=12-14,5%. После охлаждения стержня с деформируемым сплавом с эффектом памяти формы TiNiZr до комнатной температуры проводят отжиг при температуре 600-800°C в течение 0,5-1 ч. На пятом этапе пластическую деформацию сплава с эффектом памяти формы TiNiZr осуществляют в интервале температур 550-600°C при помощи обкатки в трехроликовом приспособлении в радиальном направлении за 80-95 проходов с целью накопления степени деформации ε=15-17,5%. После охлаждения стержня с деформируемым сплавом с эффектом памяти формы TiNiZr до комнатной температуры проводят отжиг при температуре 600-800°C в течение 0,5-1 ч. После пяти этапов термомеханической обработки осуществляют закалку при температуре 800-1000°C с последующим охлаждением в жидком азоте сплава TiNiZr с эффектом памяти формы. Отжиг проводят при температуре 600-800°C в течение 0,5-1 ч для повышения технологической пластичности и формирования определенного типа наноструктурированного состояния с одновременным увеличением прочности и пластичности сплава, придания сплаву эффекта памяти формы.

Как показывают полученные результаты, пластическая деформация в трехроликовом приспособлении приводит к уменьшению размера зерен, увеличению адгезии, когезии и соответственно к более высокой прочности, пластичности, износостойкости и твердости сплава TiNiZr.

Результаты испытаний сведены в таблицу 1.

Как видно из таблицы 1, полученное TiNiZr покрытие с эффектом памяти формы обладает повышенными механическими свойствами за счет повышения адгезии, получения наноструктурированного состояния, улучшаются пластические свойства покрытия с эффектом памяти формы.

1. Способ получения наноструктурированных покрытий титан-никель-цирконий с эффектом памяти формы, включающий нанесение на поверхность при помощи высокотемпературного нанесения порошка металлов с эффектом памяти формы и термомеханическую обработку полученного покрытия, включающую пластическую деформацию покрытия, проводимую по этапам, и отжиг, причем отжиг проводят после каждого этапа пластической деформации, а закалку проводят после этапов термомеханической обработки с последующим охлаждением в жидком азоте, отличающийся тем, что в качестве порошка, наносимого на поверхность, используют смесь титана (Ti), никеля (Ni) и циркония (Zr), а нанесение порошка осуществляют путем диффузионной металлизации, при этом пластическую деформацию полученного покрытия проводят в пять этапов, на первом этапе в интервале температур 400-450°C со степенью пластической деформации ε≥2,5%, на втором этапе в интервале температур 480-500°C со степенью пластической деформации ε≥5%, на третьем этапе в интервале температур 500-520°C со степенью пластической деформации ε≥7%, на четвертом этапе в интервале температур 520-550°C со степенью пластической деформации ε≥12% и на пятом этапе в интервале температур 550-600°C со степенью пластической деформации ε≥15%, а отжиг проводят после каждого этапа пластической деформации при температуре 600-800°C в течение 0,5-1 часа.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что пластическую деформацию покрытия осуществляют обкаткой трехроликовым приспособлением в радиальном направлении.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что получают покрытие с эффектом памяти формы, содержащее 15-20% циркония.