СПЛАВЫ НИКЕЛИДА ТИТАНА (TINI)

Сплавы никелида титана (TiNi) являются известными и наиболее широко применяемыми материалами с эффектом памяти формы (ЭПФ) и сверхэластичностью. Они применяются в различных областях техники и в медицине для изготовления инструментов и имплантатов.
Исследования ИФПМ УГАТУ показали, чтоизмельчение структуры до нано- и ультрамелкозернистого (УМЗ) размера зерен методами интенсивной пластической деформации (ИПД) позволяет значительно повысить механические свойства и функциональные характеристики эффектов памяти формы сплавов TiNi.
Имеется опыт получения УМЗ и нанокристаллического (НК)TiNi различными методами ИПД:

  • ИПД кручением под высоким давлением (ИПДК)
  • Методом равноканального углового прессования (РКУП)
  • Комбинацией РКУП с последующей прокаткой и отжигами
  • Промышленно–перспективным методом РКУП-Конформ

  Методом РКУП полученыобъемные образцы (Æ 20 мм, длина до 100 мм) сплавов TiNi в УМЗ состоянии (с размером зерна до 250 нм). В результате прочность sв достигает 1400 МПа, предел дислокационной текучести sт — до 1300 МПа (в зависимости от состава сплавов), что заметно выше параметров в исходном крупнозернистом состоянии — sв и sт около 1000 МПа и 600 МПа, соответственно. При этом пластичность УМЗ TiNi сохраняется на приемлемом уровне — до 40%. Путем РКУП на сплавах TiNi достигнуты следующие характеристики эффектов памяти формы: реактивное напряжение srmax – до 1000 МПа, обратимая деформация ermax – до 9 %.
Воздействие ИПДК приводит к аморфизации сплавов TiNi, а последующий контролируемый отжиг – к формированию  НК структуры с размером зерна Dз от 20 нм. Размер получаемых ИПДК образцов достигаетÆ 20 мм, толщина до 1 мм. При этом прочность sв и предел дислокационной текучести sт –превышают 2000 МПа. Показано, что  при размере зерна 20 нм и более в НК сплавах TiNi реализуется мартенситное превращение.
Было показано, что комбинацией РКУП с последующей прокаткой и отжигами возможно получение аморфизированных и НК образцов – полос сплавов TiNi с прочностью — до 2000 МПа. При этом реактивное напряжение srmax может достигать 1400 МПа.
Имеется опыт, и развиваются исследования по получению прутков TiNi c УМЗ и НК структурой промышленно–перспективным методом РКУП-Конформ в комбинации с последующей прокаткой или волочением (ранее на основе такого подхода в г. Уфа было организовано производство длинномерных прутков наноструктурного титана для медицинских имплантатов).
Имеется опыт работы на сплавах с эффектом памяти формы различных составов:

  • Стареющие и нестареющие сплавы TiNi, с температурами мартенситных превращений от —100 до +100 0С
  • Сплавы TiNiFe с температурами мартенситных превращений ниже  —100  0С
  • Сплавы TiNiNb с широким гистерезисом  мартенситных превращений

Функциональные и механические свойства сплавов TiNi в различных состояниях

 
ОбработкаСтруктура и размер зернаσВ, МПаsт,МПа*εr,1max,%σrmax,МПа
Исходное (закаленное)60 мкм10005405380
Низкотемпературная механическая обработка*Субструктура 1 – 0,5 мкм12009007720
РКУПУМЗ аустенит,300 нмдо 140010009,2800
ИПДК+ отжиг50 нм>2100190081400
 

*S.D.Prokoshkin, I.Yu. Khmelevskaya, S.V. Dobatkin,TMS, 2006.

В НИТУ «МИСиС» (Москва) разработаны опытные изделия из УМЗ сплавов TiNiFe, полученных в ИФПМ УГАТУ — в частности,устройство для разборного термомеханического соединения деталей и элементов конструкций (см. Рис. ниже).

 
 

Основные характеристики муфты

 
 
МатериалУсилие сдвига детали относительно муфты при 20°С, НУдельное окружное обжимное усилие (характеризует несущую способность), Н/мм
Обычный7800550
УМЗ161001140
 

Основные публикации:

1. PushinV.G., StolyarovV.V., ValievR.Z., KourovN.I., KuranovaN.N., ProkofievE.A., YurchenkoL.I. Features of structure and phase transformation in shapememoryTiNi-based alloys after severe plastic deformation. Ann. Chim. Sci. Mat., 2002, 27 (3), P. 77 — 88.
2. Столяров В.В., Прокофьев Е.А., Прокошкин С.Д., Добаткин С.В., Трубицына И.Б., Хмелевская И.Ю., Пушин В.Г., Валиев Р.З. Структурные особенности, механические свойства и эффект памяти формы в сплавах TiNi, полученных равноканальным угловым прессованием // Физика металлов и металловедение. – 2005. – Т. 100. – № 6. – С. 91 – 102.
3. Prokoshkin S.D., KhmelevskayaI.Yu., Dobatkin S.V., Trubitsyna I.B., Tatyanin E.V., Stolyarov V.V., Prokofiev E.A. Alloy composition, deformation temperature, pressure and post-deformation annealing effects in severely deformed Ti-Ni based shape memory alloys // ActaMaterialia. – 2005. – V. 53. – Issue 9. – P. 2703 – 2714.
4. R. Valiev, D. Gunderov, E. Prokofiev, V. Pushin, Y. Zhu. Nanostructuring of a TiNi alloy by SPD processing for advanced properties. Materials Transactions, Vol. 49, No.1 (2008) pp. 97-101.
5. D. Gunderov, A. Lukyanov, E. Prokofiev, A. Kilmametov, V. Pushin, R. Valiev. Mechanical properties and martensitic transformations in nanocrystalline Ti49.4Ni50.6 alloy produced by high-pressure torsion. Materials Science and Engineering: A, Vol. 503, Issues 1-2 (2009), pp. 75-77.
6. ВалиевР.З., ГундеровД.В., ЛукьяновА.В., ПрокофьевЕ.А., КурановаН.Н., МакаровВ.В., ПушинВ.Г., УксусниковА.Н. Изучение влияния термообработкина формирование наноструктурного состояния в объемных сплавах никелида титана, подвергнутых интенсивной пластической деформации // ИзвестияРАН. Серия физическая, 2009, Т.73, №11, С.1616–1619.
7. E.A. Prokofiev, J.A. Burow, E.J. Payton, R. Zarnetta, J. Frenzel, D.V. Gunderov, R.Z. Valiev and G. Eggeler,Suppression of Ni4Ti3 Precipitation by Grain Size Refinement in Ni-Rich NiTi Shape Memory Alloys,Advanced Engineering Materials, Vol. 12, 8, pp.747–753.
8. Gunderov Dmitry, LukyanovAleksandr, Prokofiev Egor, Churakova Anna, Pushin Vladimir, Prokoshkin Sergey, Stolyarov Vladimir, ValievRuslan, Microstructure and mechanical properties of the SPD-processed TiNialloys, Materials Science Forum Vols. 738-739 (2013) pp 486-490.
9. Tong Y.X., Chen F., Guo B., Tian B., Li L., Zheng Y.F., Gunderov D.V., Valiev R.Z.   Superplasticity and its stability of an ultrafine-grained Ti49.2Ni50.8 shapememory alloy processed by equal channel angular presing,Materials Science and Engineering: A, 2013, Vol. 587,pp. 61-64. IF 2,1.
10.P.C. Jiang, Y.F. Zheng, Y.X. Tong, F. Chen, B. Tian, L. Li, Dmitry V. Gunderov, Ruslan Z. Valiev, Transformation hysteresis and shape memory effect ofanultrafine-grained TiNiNb shape memory alloy. Intermetallics 54 (2014) 133-135 IF 1,8.