КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер 22-79-00056

НазваниеИсследование влияния квазинепрерывного равноканального углового прессования в специальной оболочке при пониженных температурах деформации на структуру и функциональные свойства сплавов TiNi с памятью формы технического и медицинского назначения

РуководительКарелин Роман Дмитриевич, Кандидат технических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСИС", г Москва

Период выполнения при поддержке РНФ 07.2022 - 06.2024 

Конкурс№70 - Конкурс 2022 года «Проведение инициативных исследований молодыми учеными» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными.

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки, 09-205 - Разработка новых конструкционных материалов и покрытий

Ключевые словаСплавы с памятью формы, сплавы TiNi, РКУП, наноструктурное состояние, механические свойства, функциональные характеристики

Код ГРНТИ53.49.05 53.49.09 53.49.15

 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
В настоящее время сплавы с памятью формы (СПФ) на основе Ti-Ni входят в число перспективных, активно развивающихся функциональных материалов для техники и медицины. Усложнение конструкций и интеллектуальных устройств, действующих на основе эффекта памяти формы (ЭПФ) и сверхупругости, влечет за собой повышение требований к комплексу свойств СПФ TiNi. Поскольку физико-механические свойства СПФ являются структурно-чувствительными, для их повышения традиционно используют методы термомеханической обработки, позволяющие получать различные типы структур. Известно, что наилучший комплекс свойств СПФ TiNi можно получить при формировании в сплаве полностью нанокристаллической структуры (НКС) с размером зерна менее 100 нм. Такая структура была сформирована методами интенсивной пластической деформации (ИПД): прокаткой, волочением или кручением под давлением с последеформациоными отжигами, но только в образцах малой толщины (менее 1 мм). Развитие методов ИПД идет по пути поиска схем, позволяющих получать массивные заготовки с нанокристаллической структурой. Одной из распространенных схем ИПД объемных образцов является равноканальное угловое прессование (РКУП) и его модификации. Применение РКУП в традиционном режиме позволяет сформировать в СПФ TiNi только субмикрокристаллическую структуру, не обеспечивающую достижение наиболее высокого комплекса функциональных свойств. Невозможность получения нанокристаллической структуры с помощью традиционных схем РКУП связана с частичным разупрочнением материала в процессе промежуточных подогревов между проходами. В ранее проведенных исследованиях при участии руководителя проекта была показана перспективность применения РКУП в новом квазинепрерывном режиме для околоэквиатомных СПФ TiNi. В объемной заготовке диаметром 20 мм была сформирована смешанная нанокристаллическая структура, недостижимая при традиционном РКУП, и обеспечившая заметное увеличение механических и функциональных свойств. Еще один вариант дополнительного измельчения структуры в процессе РКУП может заключаться в значительном снижении температуры деформации за счет использования специальной оболочки. В ранее проведенных исследованиях при участии руководителя проекта была показана возможность применения РКУП с использованием специальной оболочки из технически чистого железа для пониженния температурах деформации объемных заготовок СПФ TiNi околоэквиатомного состава. Было установлено, что температура деформации 200 °С, является минимальной с точки зрения получения бездефектной заготовки. Проведение РКУП в оболочке при 200 °C за один проход привело к формированию полосчатой деформационной структуры с высокой плотностью свободных дислокаций и позволило добиться увеличения механических и функциональных характеристик околоэквиатомного СПФ TiNi [30]. Полученные результаты подтверждают перспективность применения РКУП в квазинепрерывном режиме, в том числе с использованием специальной оболочки, для улучшения комплекса свойств СПФ TiNi околоэквиатомного состава. При этом в отличии от околоэквиатомных сплавов в СПФ TiNi заэквиатомного состава в интервале температур 300-500 °C наблюдаются процессы динамического и статического старения, заключающиеся в выделении частиц фазы Ti3Ni4. Данное отличие заэквиатомных сплавов может иметь решающее влияние на деформационное поведение и процессы структурообразования, что в свою очередь определят конечный комплекс эксплуатационных характеристик. Исходя из вышеизложенного в данной работе будет проведено исследование особенностей структурообразования и формирования функциональных свойств нестареющих и стареющих СПФ на основе TiNi технического и медицинского назначения после применения РКУП в квазинепрерывном режиме в специальной оболочке при пониженных температурах деформации. В процессе выполнения работы будет использован комплекс современных методов исследований, таких как: просвечивающая электронная микроскопия, рентгеновская дифрактометрия, дифференциальная сканирующая калориметрия, световая микроскопия; механические и специальные (функциональные) термомеханические испытания. В результате выполнения проекта будут выявлены и систематизированы закономерности эволюции структурно-фазового состояния и формирования комплекса свойств объемных образцов сплавов на основе никелида титана технического и медицинского назначения после применения квазинепрерывного РКУП в специальной оболочке при пониженных температурах деформации и определены наиболее перспективные режимы его проведения для формирования ультрамелкозернистой (в т.ч. нанокристаллической) или другой заданной структуры и реализации максимального комплекса функциональных свойств. В перспективе использование наноструктурированных полуфабрикатов СПФ TiNi околоэквиатомного и заэквиатомного составов с улучшенным комплексом свойств, полученных методом квазинепрерывного равноканального углового прессования с использованием специальной оболочки, позволит использовать их в качестве полуфабрикатов для проведения последующей обработки с целью получения длинномерных прутков и проволоки с использованием различных схем деформации (ротационная ковка, волочение), а также позволит повысить надежность и долговечность существующих устройств технического и медицинского назначения, действующих на основе эффекта памяти формы, снизить их металлоёмкость и значительно расширить сферу применения данного сплава.

Ожидаемые результаты
1. Закономерности и особенности формирования структурно-фазового состояния и комплекса свойств после квазинепрерывного РКУП в оболочке при пониженных температурах деформации околоэквиатомных и заэквиатомных СПФ TiNi в зависимости от режима проведения прессования. 2. Особенности деформационного поведения заэквиатомных СПФ TiNi после проведения РКУП в квазинепрерывном режиме и критическая температура прессования, приводящая к разрушению заготовки СПФ TiNi до накопления достаточного количества проходов (менее 3). 3. Закономерности и особенности формирования структурно-фазового состояния и комплекса свойств, а также их стабильности, после квазинепрерывного РКУП в оболочке околоэквиатомных СПФ TiNi в сочетании с последеформационным отжигом. 4. Закономерности и особенности формирования структурно-фазового состояния и комплекса свойств, а также их стабильности, после проведения статического старения заэквиатомных образцов СПФ TiNi, полученных методом квазинепрерывного РКУП в оболочке. 5. Наиболее перспективные режимы проведения ИПД методов квазинепрерывного РКУП в оболочке нестареющих и стареющих СПФ TiNi для формирования в них УМЗ (в т.ч. нанокристаллической) или другой заданной структуры и реализации максимального комплекса функциональных свойств.

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2022 году
На первом этапе выполнения проекта проведена термомеханическая обработка околоэквиатомных сплавов TiNi методом квазинепрерывного РКУП с использованием специальной оболочки из технически чистого железа при пониженных температурах деформации с увеличением количества проходов. В результате проведения серии экспериментов установлено, что температура 300 °С является минимальной для проведения квазинепрерывного РКУП в оболочке околоэквиатомного СПФ TiNi c точки зрения возможности накопления истинной степени деформации более 2 и сохранения целостности заготовки. При проведении РКУП в оболочке при температуре 200 и 250 °С можно провести только один проход с сохранением целостности заготовки из никелида титана. Увеличение температуры деформации до 400 °С позволяет увеличить количество проходов РКУП в оболочке до 7. На данном этапе также проведена термомеханическая обработка заэквиатомного СПФ Ti-(50,8) ат. % Ni методом РКУП в квазинепрерывном режиме с целью установления критической температуры прессования и переходу к проведению РКУП в квазинепрерывном режиме с использованием оболочки. В результате анализа полученных ранее результатов, установлено, что для заэквиатомного сплава минимальная температура деформации, которая позволяет добиться накопления требуемой степени деформации (не менее трех проходов), составляет 450 °С. Получено экспериментальное подтверждение, что проведение РКУП заэквиатомного по никелю сплава при 450°С в квазинепрерывном режиме позволяет провести три прохода без разрушения заготовки. Температура 450 °С была выбрана в качестве начальной для проведения РКУП в оболочке заэквиатомного сплава на следующем этапе работы с последующим понижением температуры деформации до 200 °С. Проведен анализ структурно-фазового состояния, а также механических и функциональных свойств после применения исследуемых режимов квазинепрерывного РКУП в оболочке околоэквиатомного СПФ TiNi методами просвечивающей электронной микроскопии, рентгенографического анализа и дифференциальной сканирующей калориметрии, а также измерения твердости, испытаний на растяжения и специальных термомеханических испытаний. На основании полученных результатов установлено, что проведение РКУП в оболочке при температурах 200 и 250 °С не позволяет накопить достаточную для формирования равноосной структуры степень деформации. В результате в околоэквиатомном СПФ TiNi формируется полосчатая деформационная структура со средним размером деформационных полос в интервале 150-250 нм. РКУП в оболочке при 300 °С приводит к формированию смешанной структуры, в которой присутствуют как зоны с полосчатой деформационной структуры, так и зоны с равноосной нанокристаллической структурой. Повышение температуры деформации до 400 °С и увеличение количества проходов до 7 приводит к формированию смешанной субмикрокристаллической структуры с размером структурных элементов в диапазоне 200-300 нм. Исходя из данных результатов, можно заключить, что РКУП в оболочке при температуре 400 °С не позволяет добиться формирования нанокристаллической структуры и приводит к некоторому росту структурных элементов по сравнению с РКУП в квазинепрерывном режиме без использования оболочки. Наиболее перспективной температурой проведения РКУП в оболочке для околоэквиатомного СПФ TiNi является температура 300-350°С. На основе данных рентгенографического анализа установлено, что РКУП в оболочке при температурах деформации 200 и 250 °С и 300 °С приводит к сильному деформационному наклепу, что отражается в увеличении количества R-фазы и B2-аустенита при комнатной температуре по сравнению с контрольной обработки, после которое основной фазой является B19'-мартенсит. Повышение температуры деформации до 400 °С сопровождается некоторым снижением деформационного наклепа и увеличением количества B19'-мартенсита при комнатной температуре несмотря на увеличение количества проходов до 7. Таким образом решающим фактором для изменения фазового состава ококлоэквиатомного СПФ TiNi является температура проведения РКУП в оболочке. Результаты исследования интервалов прямого и обратного мартенситных превращений методом дифференциальной сканирующей калориметрии подтвердили данные рентгенографического анализа. РКУП в оболочке при температурах 200 и 250 и 300 °С приводит к смещению прямого мартенситного превращения в область более низких температур и его разделению с превращением через промежуточную R-фазу. Наибольшее смешение температуры конца прямого мартенситного превращения Мк наблюдается после РКУП в оболочке при температуре 300 °С – -13 °С. После РКУП при 400 °С прямое превращение также протекает через промежуточную R-фазу, однако сильного смещения его температурного интервала в область более низких температур не происходит: температура Мк составляет 21°С. Температурный интервал обратного мартенситного превращения достаточно стабилен после применения всех режимов РКУП в оболочке. Результаты измерения твердости показали, что ее максимальное значение после РКУП в оболочке было получено после деформации при температуре 300 °С – 285 ед. HV, а минимальное при температуре 400 °С – 235 ед. HV, несмотря на увеличение количества проходов. При этом следует отметить заметное повышение твердости после РКУП в оболочке по сравнению с контрольной обработкой (175 ед. HV). Результаты испытаний на растяжение показали, что максимальные прочностные характеристики были получены после РКУП в оболочке при температуре 250 °С за два прохода (дислокационный предел текучести σт = 1120 МПа, предел прочности σв = 1321 МПа), а также пластичности (относительное удлинение δ = 26 %). Также высокие прочностные свойства были получены после РКУП при 300 °С (дислокационный предел текучести σт = 1040 МПа, предел прочности σв = 1166 МПа). После РКУП при 400 °С прочностные свойства оказались несколько ниже (дислокационный предел текучести σт = 900 МПа, предел прочности σв = 989 МПа), при этом пластичность оказалась заметно выше (относительное удлинение δ = 40 %). Максимальные значения прочностных характеристик после РКУП в оболочке за два прохода при 250 °С могут быть связаны с формированием полосчатой деформационной структуры и увеличенным прочностным ресурсом в продольном сечении образца. При этом следует ожидать высокую анизотропию данных свойств – их заметное снижение в поперечном направлении. Из-за относительно небольшого диаметра заготовки образцы для испытаний на растяжение в поперечном направлении подготовить не удалось. В результате исследования величины полностью обратимой деформации установлено, что ее максимальное значение было получено после РКУП в оболочке при температуре 400 °С – 5,0 %. Следует также отметить увеличение доли сверхупругой деформации после РКУП в оболочке при температурах 300, 250 и 200 °С. Это связано с высоким деформационным наклепом и смещением температур прямого МП в сторону более низких температур. Стоит ожидать заметного роста величины полностью обратимой деформации после применение ПДО. Следует также отметить, что температурный интервал восстановления формы является достаточно стабильным после применения всех исследуемых режимов РКУП в оболочке. В результате выполнения плана исследований первого этапа проекта и проведения обобщения и анализа полученных результатов сформулированы основные выводы по возможности применения РКУП в оболочке для околоэквиатомных СПФ TiNi а также установлены особенности влияниями РКУП в оболочке на формирование структуры и комплекса свойств. Опубликована статья в высокорейтинговом журнале Material Science and Engineering A (Q1). Результаты работы представлены на всероссийских и международных конференциях (NANO-SPD 2023 – Бангалор, Индия, Берштейновские чтения – Москва, ПРОСТ-2023 - Москва).

 

Публикации

1. Карелин Р.Д., Комаров В.С., Хмелевская И.Ю., Андреев В.А., Юсупов В.С., Прокошкин С.Д. Structure and properties of TiNi shape memory alloy after low-temperature ECAP in shells Materials Science and Engineering: A, A 872 (2023) 144960 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.1016/j.msea.2023.144960