Влияние технологии выплавки и обработки давлением на структуру и свойства полуфабрикатов из сплавов на основе никелида титана тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.16.09, кандидат технических наук Александров, Андрей Валентинович

• Александров, Андрей Валентинович
• кандидат технических наук
• 2011

Оглавление диссертации кандидат технических наук Александров, Андрей Валентинович

Введение.

Глава 1. Состояние вопроса.

1.1 Методы плавки сплавов на основе титана.

1.1.1 Вакуумно-дуговая плавка (ВДП).

1.1.2 Плавка по методу ГРЭ.

1.1.3 Процессы выплавки титана в печах с холодным подом.

1.1.4 Индукционная плавка титана.

1.1.5 СВЧ плавка.

1.2 Получение деформированных полуфабрикатов титановых сплавов.

1.3 Термическая обработка титановых сплавов.

1.4 Особенности технологии получения и применения сплавов на основе никелида титана.

1.4.1 Эффект памяти формы.

1.4.2 Получение никелида титана и полуфабрикатов на его основе.

1.4.3 Обзор некоторых зарубежных исследований, посвященных вопросам термомеханических свойств никелида титана.

1.4.4 Применение никелида титана.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Влияние технологии выплавки и обработки давлением на структуру и свойства полуфабрикатов из сплавов на основе никелида титана»

Актуальность проблемы

Сплавы на основе интерметаллидов могут существенно отличаться по своим физикомеханическим свойствам от сплавов на основе их компонентов, что I позволяет создавать новые материалы с особыми механическими > и функциональными свойствами. Так соединения титана и алюминия обладают высокими жаропрочными свойствами, а эквиатомный интерметаллид титана и никеля (никелид титана) - эффектом запоминания формы (ЭЗФ) и , ' ^ сверхупругостью (СУ). Сплавы на основе никелида титана были разработаны в

1965 году в США и получили название нитинол. В Советском Союзе они, ч" • исследовались с конца 70-х годов прошлого века и известны как сплавы ТН1 (Тл -53,5-56,5% №°*), ТН1К (Т1 - 48-57% № - 1,5-3% ¥е) и ТНМЗ СП: 48-57% ,№г

1 ' , * I ( « 11 ,

2,5-3,5%Си). , ' ' ' «' ■

Эти материалы нашли применение в различных областях техники: в авиа- и судостроении (термомеханические соединения трубопроводов), космическойг

I ч технике (самораскрывающиеся антенны и солнечные батареи), медицине (имплантаты и инструменты). Однако, широкому применению сплавов на основе никелида титана препятствовала их высокая стоимость, связанная со сложностью^ технологии производства и обеспечения требуемого уровня характеристик ЭЗФ и

СУ. Разработанная в середине 90-х годов прошлого века технология получения

I у полуфабрикатов, включающая комбинированный метод плавки (гарнисажная1 плавка и последующий вакуумно-дуговой переплав), позволяла получать большие слитки (до 700кг), но не обеспечивала необходимые прецезионность и 1 однородность их состава и структуры. В результате этого характеристики ЭЗФ и СУ такого материала различаются по объему слитка и полученного последующей деформацией полуфабриката. Необходимость отбора материала „ с требуемыми здесь и далее по тексту содержание легирующих элементов приведено в массовых процентах характеристиками увеличивает его стоимость и тормозит внедрение в серийное производство.

В конце прошлого века совершенствовались методы плавки титановых сплавов (вакуумно-индукционная, электронно-лучевая плавки), обработки давлением и термической обработки, которые позволяли получать полуфабрикаты сложных по составу титановых сплавов с регламентированными структурой и свойствами. Однако, в связи с сокращением в нашей стране производства авиационной и космической техники они не нашли применения для получения новых интерметаллидных материалов, а сплавы на основе никелида титана не плавили в сколько-нибудь значимых объемах. В то же время потребность в таких материалах для медицины и машиностроения остается очень высокой. Поэтому исследования новых методов получения и обработки полуфабрикатов из прецизионных функциональных материалов является актуальной научной задачей машиностроения, имеющей важное практическое значение.

Поэтому целью работы является установления закономерностей формирования структуры сплавов на основе никелида титана при выплавке и обработке давлением для разработки технологии получения полуфабрикатов с регламентированным уровнем свойств эффекта запоминания формы и сверхупругости.

Для достижения этой цели необходимо решить следующие задачи:

1. Исследовать влияние метода выплавки на структуру и свойства сплавов на основе никелида титана.

2. Изучить влияние температуры и схемы деформации на структуру и свойства сплавов на основе никелида титана.

3. Установить роль химического состава и структуры полуфабрикатов из сплавов на основе никелида титана в управлении его свойствами эффекта запоминания формы и сверхупругости методами термической обработки.

4. Разработать технологические рекомендации по выплавке сплавов на основе никелида титана и обработке полуфабрикатов и изделий для получения регламентированного уровня свойств эффекта запоминания формы и сверхпругости.

Научная новизна работы;

1. Установлено, что уменьшение концентрации никеля, увеличение содержания кислорода и снижение скорости кристаллизации приводит к повышению в слитках сплавов на основе никелида титана объемной доли У соединения Т^М (ТцЭДгО), что вызывает обеднение матричной В2-фазы титаном по сравнению со средним составом сплава и понижение температур мартенситного превращения. (

2. Показано, что горячая деформация слитка и/или отжиг при температурах выше 800°С приводит к частичному растворению в В2-фазе соединения ТлгМ (ТцТ^О), что повышает в ней концентрацию титана и температуры мартенситного превращения.

3. Установлено, что теплая и холодная пластическая деформации полуфабрикатов из сплавов на основе никелида титана, приводящие к повышению концентрации дефектов кристаллического строения В2-фазы вызывает снижение температур мартенситного превращения и восстановления формы, а последующий рекристаллизационный отжиг - к их повышению. " г

Практическая значимость работы

1. Разработаны программы для корректировки содержания никеля в сплаве на основе никелида титана в зависимости от используемой шихты и метода выплавки при получении материала с заданными температурами восстановления формы.

2. Показано, что максимальную однородность химического состава и структуры слитка можно получить при использовании индукционной плавки с холодным тиглем. Определены оптимальные способы и режимы выплавки сплавов на основе никелида титана.

3. Разработаны технологические рекомендации по выбору химического состава сплавов на основе никелида титана, режимов выплавки слитков, деформационной и термической обработки полуфабриката для обеспечения требуемых характеристик эффекта запоминания формы и сверхупругости.

Рекомендации диссертационной работы использованы НПО «Галион-инвест» при малотоннажном производстве полуфабрикатов из сплавов на основе никелида титана и ЗАО «КИМПФ» при серийном выпуске имплантатов и инструментов медицинского назначения, что подтверждено соответствующими актами.

1 I

Заключение диссертации по теме «Материаловедение (по отраслям)», Александров, Андрей Валентинович

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. На основании исследований структуры слитков сплавов на основе никелида титана, полученных различными способами установлено, что объемная доля выделений интерметаллида Тл2№ (ТцЭДгО) увеличивается с повышением концентрации кислорода, вносимого с шихтовым материалом или насыщением в процессе плавки.

2. Снижение скорости кристаллизации с увеличением объема сливаемого расплава и удаленности части слитка от поверхности изложницы приводит к увеличению объемной доли интерметаллида Т^ЭД (ТцЭДгО), что приводит к повышению содержания никеля в В2-фазе и снижению температур мартенситного превращения.

3. Показано, что применение вакуумно-индукционной плавки в установке с холодным тиглем (ВИХТ) позволяет получать сплавы на основе никелида титана с минимальным содержанием примесей и максимальной химической однородностью по объему слитка по сравнению вакуумно-дуговым переплавом с расходуемым электродом.

4. На основании исследования структуры и свойств полуфабрикатов сплавов на основе никелида титана после горячей и теплой обработки давлением установлено, что деформация при температурах 980-860°С приводит к снижению объемной доли интерметаллида Тл2№ (П4№20), что вызывает повышение температур мартенситного превращения материала, а при температурах 850-600°С - к уменьшению размера частиц этого интерметаллида.

5. Установлено, что деформация полуфабрикатов из сплавов на основе никелида титана более 20% при температурах ниже 600°С приводит к увеличению концентрации дефектов кристаллического строения В2-фазы и снижению температур мартенситного превращения.

6. Показано, что полиголизационный (400-550°С) и рекристаллизационный (выше 600°С) отжиги холоднодеформированных полуфабрикатов из титановых сплавов приводят к повышению температур мартенситного превращения материала.

7. Разработаны рекомендации по выбору химического состава, метода плавки и технологии получения полуфабриката из сплавов на основе никелида титана с требуемыми, в зависимости от назначения, температурами и силовыми характеристиками эффекта запоминания формы и сверхупругости материала.

8. Разработанные рекомендации использованы при производстве прутков с температурами восстановления формы в интервале 74-84°С для элементов пожарных датчиков и листов с температурами восстановления формы в интервале 26-ь35°С для опорных пластин для исправления воронкообразной деформации грудной клетки ЗАО «Галион-инвест» и ЗАО «КИМПФ», соответственно.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Александров, Андрей Валентинович, 2011 год

1. Плавка и литье титановых сплавов. Андреев А.Л., Аношкин Н.Ф., Борзецовская K.M. и др. М.: «Металлургия», 1978. - 13 с.

2. Цвиккер У. Титан и его сплавы. М.: Металлургия, 1979.

3. Добаткин В.И., Аношкин Н.Ф., Андреев А.Л., Бочвар Г.А., Мусатов М.И., Тетюхин В.В., Чистяков Е.П. Слитки титановых сплавов М.: Металлургия, 1966.-286 с.

4. Пузаков И.Ю., Чащин М.В., Носков К.Н., Федотов О.Г. Разработка и внедрение технологии консолидации шихты для производства слитков титановых сплавов авиационного назначения // В кн. Труды Международной конференции

5. Ti-2010 в СНГ» Межгосударственная ассоциация Титан, 2010. - С. 252-255.

6. Добаткин В.И., Ливанов В.А., Аношкин Н.Ф. и др. Технология производства и качества слитков титановых сплавов // В сб.: Вакуумная дуговая плавка металлов и сплавов, вып.2. М.: Металлургия, 1964.

7. Кононов И.А. Электродуговой переплав титановых шихтовых материалов. Технология легких сплавов, 1998, № 5-6.

8. Трубин А.Н., Горбатюк А.Ф. Управление электрической дугой впроцессе вакуумной дуговой плавки расходуемого электрода трехмерныммагнитным полем // В кн.Труды Международной конференции «Ti-2006 в СНГ» -Межгосударственная ассоциация Титан, 2006. С. 92-94.

9. Аношкин Н.Ф. Зональная химическая неоднородность слитков. М.: Металлургия, 1976. - 240 с.

10. Гармата В.А. и др. Металлургия титана. М.: Металлургия, 1968.

11. Гармата В.А., Гуляницкий Б.С., Крамник В.Ю. и др. Титан М.: Металлургия, 1983. - 559 с.

12. Тарасов A.B. Металлургия титана. М.:ИКЦ Академкнига, 2003. - 328 с.

13. Тетюхин В.В., Левин И.В., Мусатов М.И., Пузаков И.Ю., Чечулин С.М., Таренкова Н.Ю. Гарнисажная плавка перспективный способ производствасложнолегированных титановых сплавов // Технология легких сплавов, 2007, № 4. -С. 7-12.

14. Александров A.B., Мусатов М.И., Фридман А.Ш. Производство слитков титановых сплавов для изготовления полуфабрикатов различного назначения // Технология легких сплавов, 1998, № 5-6. С. 98-102.

15. Александров A.B., Фридман А.Ш., Фролов В.А. Производство слитков титановых сплавов из шихты на базе аммортизационного лома с целью снижения себестоимости // Технология легких сплавов, 2000, № 6. С. 14-17.

16. Мусатов М.И. Приготовление сплавов порционным легированием при плавке способом ГРЭ // Технология легких сплавов. 2000. № 6. С. 13-14

17. Смелянский М.Я. и др. Дуговые вакуумные печи и электронные плавильные установки. Металлургиздат, 1962.

18. Патон Б.Е., Тригуб Н.П., Ахонин C.B., Жук Г.В. Электронно-лучевая плавка титана // Киев: Наук.думка, 2006. 248 с.

19. Амелин А.И., Костенко В.И., Кругленко М.П., Пап П.А. Сегрегация кислорода при затвердевании слитков титана // В кн.Труды международной конференции «Ti-2009 в СНГ» Межгосударственная ассоциация Титан, 2009. - С. 92-96.

20. MJ Blackburn, DR Malley. Plasma arc melting of titanium alloys // Materials & Design, Volume 14, Issue 1, 1993. P. 19-27

21. Еременко B.H. Титан и его сплавы. Изд-во АН УССР, 1960.

22. Бабат Г.И. Индукционный нагрев металлов и его промышленное применение. Изд-во «Энергия», 1965. - 28 с.

23. Донской A.B., Ратников Д.Г. Электротермия. 1963, № 3. - С. 3-6

24. Тир JI.JL, Чайкин П.М., Никольский JI.E. // В сб. «Электротермия». Отделение ВНИИЭМ, 1968, вып.73-74. 68 с.

25. Осико В.А., Александров В.И., Татаринцев В.М. Приборы и техника эксперимента. 1970, № 5. - 222 с.

26. Тир J1.JI., Смирнов Н.М. О влиянии частоты на отжатие расплава магнитным полем в коротких индукторах. Труды IV Совещания по применению магнитной гидродинамики в промышленности. Донецк, 1969.

27. Зырин A.B., Дубок В.А., Тресвятский С.Г. // В сб. «Химия высокотемпературных материалов». Изд-во «Наука», 1967. - 59 с.

28. Крестовников А.Н. Вигдорович В.Н. Химическая термодинамика. -Металлургиздат, 1961.

29. Петров Ю.Б., Безрукова Э.А. Известия АН СССР. «Неорганические материалы», 1968, т.6, № 7. -1152 с.

30. Лопатина Г.Г. и др. Оптические печи. Изд-во «Металлургия», 1968.

31. Кудрявцев Ю.Н. Индукционные тигельные печи для плавки и литья титановых сплавов // Титан.1993, № 1. С. 39-42.

32. Волохонский JI.A. Теплофизические процессы и энергетический баланс при плавке в гарнисаже. ВНИИЭМ, 1965.

33. Кудрявцев Ю.Н., Кузьмин В.А. // в кн.: Современные формы и сплавы для специальных методов литья. Межвузовский сборник научных трудов. Пермь, ППИ, 1984. С. 81-85.

34. Вологдин В.В. Трансформаторы для высокочастотного нагрева. Изд-во «Машиностроение», 1965. - 88 с.

35. Петров Ю.Б. // В сб. «Промышленное применение токов высокой частоты». Изд-во «Машиностроение». Труды ВНИТИ ТВЧ, 1965, вып. 7. 171 с.

36. Александров A.B., Афонин Е.А., Делло С.А., Коллеров М.Ю., Константинов В.В., Кузнецов С.Ю., Полькин И.С. Основы правки титана и сплавов на его основе в установке с холодным тиглем // Титан, 2010, № 2. С. 36-41.

37. Александров В.К., Аношкин Н.Ф., Белозеров А.П. Полуфабрикаты из титановых сплавов и др. М.: ВИЛС, 1996. - 518 с.

38. Аношкин Н.Ф., Брун М.Я., Шаханова Г.В. Требования к бимодальной структуре с оптимальным комплексом механических свойств и режимы ее получения // Титан, 1998 № 1(10). С. 35-41.

39. Воронцов В.К., Полухин П.И., Беливитин В.А. и Бринза В.В. Экспериментальные методы механики деформируемых тел (технологические задачи обработки давлением). М.:Металлургия, 1990. - 480 с.

40. Гун Г.Я. Теоретические основы обработки металлов давлением. -М.:Металлургия, 1980. С. 188-190.

41. Машеков С.А., Зимаков Е.А., Кавтаев Е.Е. Методика определения напряженно-деформированного состояния при ковке // Технология легких сплавов, 2003, №3.-С. 22-25.

42. Ушков С.С., Кудрявцев A.C., Карасев Э.А., Береславский A.JL, Сорокин

43. B.П., Мачишина JI.A. Создание и развитие производства слитков и полуфабрикатов из титановых сплавов для судостроения // Технология легких сплавов, 2000, № 6.1. C. 32-40.

44. Сигалов Ю.М., Тарасевич Ю.Ф., Шелест А.Е. Применение методов моделирования при разработке технологии прокатки титановых сплавов // Технология легких сплавов, 2000, № 6. С. 17-25.

45. Сигалов Ю.М., Александров В.К., Кушакевич С.А. Разработка параметров прокатки листов титановых сплавов // В кн.: Титан. Металловедение и технология. Труды III Международной конференции по титану. М.:ВИЛС, 1977, т.1. - С.151-154.

46. Александров В.К., Аношкин Н.Ф. Пути производства титана и его сплавов // Металлургия легких сплавов.- М.: Металлургия, 1983. С. 36-40.

47. Ильин О.Ю. Развитие теории волочения // Технология легких сплавов, 1999,№4.-С. 7.

48. Ерманок М.З., Соболев Ю.П., Гельман A.A. Прессование титановых сплавов. М. «Металлургия», 1979 - 263с.

49. Перлин И.Л., Ерманок М.З. Теория волочения. М.Металлургия, 1974.448 с.

50. Ерманок М.З., Ватрушин Л.С. Волочение легких сплавов. М.: ВИЛС 1999.-216 с.

51. Колачев В.А., Полькин И.С., Талалаев В.Д. Титановые сплавы разных стран: Справ. М.: ВИЛС, 2000.

52. Ильин A.A., Колачёв Б.А., Полькин И.С. Титановые сплавы. Состав, структура, свойства. Справочник. М.: ВИЛС - МАТИ, 2009. - 520 с.

53. Ушков С.С., Копылов В.Н., Разуваева И.Н. Научные аспекты выбора регламентированного структурно-текстурного состояния «морских» сплавов титана // Металловед, и терм, обраб. металлов, 1999 № 9. С. 38-43.

54. Ильин A.A. Механизм и кинетика фазовых и структурных превращений в титановых сплавах. М.:Наука, 1994. - 304 с.

55. Новые материалы в технике // Сб. под ред. Е.Б.Тростянской, Б.А.Колачева, С.И. Сильвестровича. Гостопоттехиздат, 1962. - 284 с.

56. Горынин И.В., Чечулин Б.Б. Титан в машиностроении. М.: Машиностроение, 1990.

57. Ильин A.A. Сплавы с эффектом запоминания формы (обзор)// Итоги науки и техники. Металловедение и термическая обработка. М.: ВИНИТИ, 1991, Т.25. - С. 3-59.

58. Корнилов И.И и др. Никелид титана и другие сплавы с эффектом «памяти». М.: Наука, 1977. - 180 с.

59. Лихачев В.А. Эффект памяти формы, Л.:,1987.

60. Аношкин Н.Ф., Бочвар Г.А., Фаткуллина Л.П. Технология производства полуфабрикатов из сплавов на основе никелида титана, обладающих эффектом памяти формы// Цветные металлы. 1985, № 2. - С.59-61.

61. Ильин A.A., Коллеров М.Ю., Шаронов A.A., Гуртовой С.И. Влияние условий деформации на структуру и свойства изделий из сплава ТН1 // Технология легких сплавов, 2003, № 2-3. С. 70-72.

62. Тихонов A.C. и др. Применение эффекта памяти формы в современном машиностроении, М.:, 1981.

63. Tiyyagura M. Transmission Electron Microscopy Studies in Shape Memory Alloys // B.Tech. Metallurgy, Regional Engineering College, Warangal, 2000.

64. Mizar S. P. Thermomechanical characterization of NiTiNOL and NiTiNOLtbased structures using ACES methodology. Worcester Polytechnic Institute, 2005.

65. Daly S., Deformation and Fracture of thin Sheets of Nitinol. California Institute of Technology, Pasadena, California, 2007.

66. Falvo A. Thermomechanical characterization of Nickel-Titanium Shape Memory Alloys. Doctoral Course on Mechanical Engineering, Universita Delia Calabria, 2007.

67. Чечулин Б.Б., Ушков C.C., Разуваева И.Н., Гольдфайн В.Н. Титановые сплавы в машиностроении. JI.¡Машиностроение, 1977.

68. Ильин А.А., Коллеров М.Ю., Хачин В.И., Гусев Д.Е. Медицинский инструмент и имплантаты из никелида титана: металловедение, технология, применение // Металлы, 2002, № 3. С. 105-110.

69. Ильин А.А., Карпов В.Н., Мамонов A.M., Коллеров М.Ю. Применение титана и материалов на его основе в медицине // В кн.Труды международной конференции «Ti-2006 в СНГ» Межгосударственная ассоцация Титан, 2006. - С. 324-327.

70. Shabalovskaya S.A. Surface, corrosion and biocompatibility aspects of Nitinol as an implant material // Bio-Medical Materials and Engineering, 2002, № 12. P.69-109.

71. Гюнтер В.Э., Дамбаев Г.Ц., Сысолятин П.Г. и др. Медицинские материалы и имплантаты с памятью формы. Томск: ТГУ, 1998. - 487 с.

72. Ролстен Р.Ф. Иодидные металлы и иодиды металлов / Перев. с англ.под ред. А.И.Беляева и В.Н.Вигдоровича. М.: Металлургия, 1967. - С.86-89.

73. Курченко Л.Г., Маковская С.П. Стандартные образцы для контроля качества губчатого титана // В кн.Труды международной конференции «Ti-2009 в СНГ» Межгосударственная ассоциация Титан, 2009. - С. 197-199.

74. Путин A.A., Путина O.A., Рымкевич Д.А. Пути развития магние-термического производства титана // Труды Международной научно-технич. Конференции «Ti-2004 в СНГ». Л.:, 2004.

75. Petrunko A.N. Tendencies in development of magnesium-reduction method of titanium sponge production in CIS countries. Organization of the eighth world conference on titanium, volume II. 1577 p.

76. Червоный И.Ф., Масленников А.Н., Сорокина Л.В., Листопад Д.А., Иващенко В.И. Примесные элементы в поверхностных слоях блока губчатого титана // В кн.Труды международной конференции «Ti-2008 в СНГ» -Межгосударственная ассоцация Титан, 2008. С. 183-186.

77. Аношкин Н.Ф., Фролов В.А. Проблема использования отходов в шихте при производстве титановых сплавов // Титан, 1993, № 4. С. 25-29.

78. Ильин A.A., Коллеров М.Ю., Гусев Д.Е., Попов A.A. Возможности управления свойствами эффекта запоминания формы сплавов на основе никелида титана для использования в медицине // Технология легких сплавов, 2002, № 3. -С.23-29.

79. Ооцука К., Симидзу К. и др. / Ред. Фунакубо X. / Сплавы с эффектом памяти формы: Пер. с японск. М.: Металлургия, 1990. - 224 с.

80. Ильин A.A., Гозенко H.H., Скворцов В.И., Никитич A.C. Структурные изменения в сплавах на основе никелида титана при деформации и их влияние на характеристики восстановления формы // Изв. вузов. Цв. Металлургия, 1987, №3. -С.88-93.

81. Ильин A.A., Коллеров М.Ю., Хачин В.И., Гусев Д.Е. Медицинский инструмент и имплантаты из никелида; титана: металловедение, технология, применение // Металлы, 2002, №3. С. 105-110.

82. Коллеров М.Ю., Ильин A.A., Полькин И.С., Файнброн A.C., Гусев Д.Е., Хачин C.B. Структурные аспекты технологии производства полуфабрикатов из сплавов на основе никелида титана // Металлы, 2007, №5, С. 77-85.

83. Коллеров М.Ю., Гусев Д.Е., Шаронов A.A., Овчинников A.B., Александров A.B. Формирование структуры сплава ТН1 при деформации и термической обработке//Титан, 2010, № 3. С.4-10.

84. Коллеров М.Ю., Гусев Д.Е., Шаронов A.A., Файнброн A.C. Евдокимов A.B. Выбор режимов термической обработки при производстве медицинского инструмента и имплантатов с памятью формы из сплава ТН1 // Технология легких сплавов, 2007, № 3.

85. Ильин A.A., Коллеров М.Ю., Полькин И.С., Файнброн A.C., Гусев Д.Е., Хачин C.B. Структурные аспекты технологии производства полуфабрикатов из сплавов на основе никелида титана // Металлы, 2007, № 5. С. 77-85.