ОСОБЕННОСТИ ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА СЛИТКОВ И ДЕФОРМИРОВАННЫХ ПОЛУФАБРИКАТОВ СПЛАВОВ НА ОСНОВЕ НИКЕЛИДА ТИТАНА

По своим химическим свойствам никелид титана близок к титановым сплавам, так как его взаимодействие с другими веществами, в частности его коррозионные свойства, определяет диоксид титана, формирующийся на поверхности металла. Именно поэтому никелид титана чаще всего относят к титановым сплавам, несмотря на то, что по массе в нем больше N1 (55 масс. %). Основные особенности технологии никелида титана (плавка, обработка давлением) подобны титановым сплавам, поэтому освоение производства никелида титана, как правило, происходит на тех предприятиях, которые производят титановые сплавы. При температурах до 550°С, когда диоксид титана имеет структуру анатаза, титановые сплавы обладают очень высокой коррозионной стойкостью в большинстве агрессивных сред. При более высоких температурах анатаз переходит в рутил, что резко уменьшает защитные свойства диоксида титана. Поэтому если проводится обработка изделий из никелида титана при температурах выше 550°С, их поверхность необходимо защищать от окисления инертными газами (аргоном) или создавать вакуум. Однако в технологии никелида титана есть и ряд особенностей, которые усложняют процесс получения полуфабрикатов и изделий.

В первую очередь это относится к выплавке слитков необходимого состава. Так как никелид титана можно считать самым сильно легированным сплавом, то для получения слитка с точным химическим составом необходимо обеспечить хорошее перемешивание всей ванны жидкого металла. Часто применяют комбинированный метод, состоящий в вакуумной гарнисажной плавке и последующем вакуумном электро-дуговом переплаве. Однако этот способ не позволяет получить достаточно однородный слиток требуемого химического состава. В последние годы стали применять вакуумный индукционный переплав в установке с холодным тиглем. В последнем случае обеспечивается интенсивное перемешивание расплава в магнитном поле индуктора и минимальное его взаимодействие с окружающей средой. Несмотря на это, обеспечить прецизионность состава с точностью до 0,1% компонентов не удается. В то же время от содержания титана и никеля сильно зависят температуры мартенситного превращения материала, а следовательно, и температура восстановления его формы.

На рис. 4.7 приведено влияние содержания никеля в сплаве на основе никелида титана на температуры восстановления. Видно, что в узкой области составов в пределах 1 — 1,5% никеля температуры восстановления могут меняться от +110 до — 70°С. В то же время для большинства устройств, использующих ЭПФ, точность этих температур должна быть не ниже ±5 и даже ± ГС. Обеспечить необходимую для этого точность состава сплава по всему объему слитка металлургическими методами практически невозможно. Поэтому необходимо управлять структурой материала при последующей обработке полуфабриката так, чтобы обеспечить необходимые температуры восстановления формы.

Зависимость температур восстановления формы от содержания

Рис. 4.7. Зависимость температур восстановления формы от содержания

никеля в сплавах на основе никелида титана

Возможны два основных подхода [21] к производству слитков и полуфабрикатов из никелида титана:

  • 1) применять комбинированный метод (гарнисажная плавка с последующим вакуумно-дуговым переплавом) для плавки больших по объему слитков и после получения из них основных полуфабрикатов подвергать их селективному отбору по температурам восстановления формы с последующей поставкой материала с требуемыми характеристиками заказчику;
  • 2) проводить выплавку вакуумно-индукционным методом небольших слитков с достаточно точным химическим составом с возможностью последующего повторного переплава с корректировкой химического состава для обеспечения требуемых характеристик материала.

Первый подход более эффективен при большом объеме потребления материала с различными характеристиками, второй — когда потребителю требуется небольшой объем материала с регламентированными характеристиками.

Особенности переработки слитка никелида титана в полуфабрикат связаны с достаточно узкой температурной областью его деформации. При температурах свыше 1000°С возможно расплавление эвтектических и перетектических кристаллов, присутствующих в слитках. При температурах ниже 950° пластичность сплава не всегда достаточна для значительной деформации и проработки структуры. В процессе горячей деформации слитка сплава на основе никелида титана необходимо решить две основные задачи: получение требуемой геометрии полуфабриката и формирование необходимой структуры. Последняя задача актуальна вследствие низких механических свойств литой структуры. Это связано как с грубодендритным строением В2-фазы, так и с образованием большой объемной доли интерметаллида Т12№ (рис. 4.8). Этот богатый титаном интерметаллид не должен образовываться при концентрациях титана и никеля в пределах паспортного состава сплавов ТН1 и нитинола. По-видимому, его образование провоцируется имеющимся в сплаве кислородом в виде формирования соединения Т^М^О, по своей кристаллической структуре близкого к интерметалл иду

а б

Рис. 4.8. Микроструктура слитка, полученного комбинированным методом (о) и деформированного полуфабриката (б) сплава на основе никелида титана

Поэтому в сплавах с повышенным содержанием примесного кислорода содержится достаточно много (до 20%) богатого никелем интерметаллида. Его присутствие в сплаве не только снижает пластичность материала, но и изменяет состав сосуществующей с ним 62-фазы, связывая собой часть титана. Вследствие этого меняются температуры мартенситного превращения В2-фазы, что затрудняет обеспечение требуемых термомеханических свойств материала (табл. 4.2).

Примесный кислород вносится в сплав с шихтовым материалом, а также окислением расплава в процессе плавки. Используемый для плавки сплавов на основе никелида титана электролитический никель содержит очень мало кислорода и не оказывает сильного влияния на его конечное содержание в материале. В качестве шихты титана может быть использован йодный, губчатый титан или лом сплава ВТ 1-0. В этом ряду материалов количество содержащегося кислорода существенно увеличивается и влияет на его содержание в слитке.

Таблица 4.2

Влияние качества шихты и метода получения слитка на химический состав, объемную долю интерметаллидаТ121Ч1 и температурные характеристики восстановления формы

Номер плавки

Метод

плавки

Состав

Ч

О

Си •

* г

^

Ю

о

Температура восстановления формы после закалки, °С

Шихта

N1

О

С

ав

Ав

ат.

%

масс.

%

масс. %

1

вдпнэ

50,0

55,1

0,07

0,007

4

98

118

иодидный

2

50,4

55,5

0,06

0,007

5

66

78

титан

3

50,7

55,8

0,07

0,006

6

46

50

4

51,0

56,1

0,04

0,008

6

8

12

5

52,0

57,0

0,03

0,007

4

-37

-20

6

50,4

55,5

0,10

0,011

13

10

17

губчатый

7

51,0

56,0

0,09

0,012

12

-21

-13

титан

8

50,6

55,7

0,35

0,018

18

-52

-31

лом

9

ГРЭ + вдп

48,4

53,5

0,16

0,015

15-18

105

116

губчатый

10

49,2

54,3

0,14

0,010

11-13

93

114

титан

11

49,6

54,7

0,16

0,023

14-16

0

10

12

50,6

55,7

0,17

0,018

11-16

-45

-30

13

вип

50,6

55,7

0,02

0,012

9-13

-37

-25

14

(США)

50,7

55,8

0,01

0,012

4-8

7

15

15

вип

49,4

54,5

0,18

0,015

12

32

40

куски

(холодный

ВТ 1-0

16

тигель)

49,1

54,2

0,02

0,009

7

75

80

губчатый

17

51,0

56,0

0,03

0,008

8

-10

-6

титан

Методы плавки также влияют на количество примесей, так как во время пребывания сплава в расплавленном состоянии он активно взаимодействует с окружающей атмосферой и материалом тигля. Наибольшее насыщение кислородом происходит при гарнисажной плавке, а наименьшее — при вакуумно-дуговом переплаве с расходуемым электродом и вакуумно-индукционной плавке. В последнем случае необходимо минимизировать взаимодействия расплава с материалом тигля. Это возможно благодаря применению разрезного охлаждаемого медного тигля или тигля из специальной керамики, не растворяемой в жидком металле. Во всех рассмотренных случаях, чем больше содержится в сплаве кислорода, тем выше объемная доля интерметаллида Т12№ (Ti4Ni20) и температуры восстановления формы. Поэтому при одинаковом содержании основных компонентов в сплаве его температуры восстановления формы значительно изменяются от качества шихты и метода плавки (см. табл. 4.2).

При горячей деформации слитка необходимо обеспечить требуемую геометрию полуфабрикатов и преобразовать исходную литую структуру, раздробить ветви дендритов В2-фазы (получить равноосные достаточно мелкие зерна) и частицы интерметаллида Т^Мь Последние желательно равномерно распределить по объему матрицы, не давая им сосредоточиться на границе 132-зерен. Эти частицы обладают значительно более высокой твердостью по сравнению с пластичной 132-матрицей и могут существенно охрупчивать материал.

Решение одновременно двух зачастую противоположных задач требует оптимизации режимов деформации. Так, для обеспечения геометрии полуфабриката необходимо повысить температуру деформации, а для преобразования структуры ее желательно снизить. Поэтому, как правило, обработку деформацией слитков сплавов на основе никелида титана ведут в несколько этапов. На первом при максимально высоких температурах (980— 100СГС) проводят осадку или прессование слитка на 30—40%, чтобы разбить грубую литую структуру и придать заготовке форму, удобную для последующего получения требуемого полуфабриката. На последующих стадиях прокатки прутков или листов температуру деформации постепенно снижают с 960—980 до 700—800°С. Это делается для того, чтобы в процессе динамической рекристаллизации измельчить 132-зерно и обеспечить равномерное распределение в объеме матрицы частиц Тт2№ (см. рис. 4.8).

Волочение проволоки [22] или прокатку тонких листов желательно проводить при температурах 550—600°С.

В некоторых случаях, когда требуется провести наклеп В2-фазы, например для обеспечения высоких характеристик сверхупругости, деформацию (не менее 20%) полуфабриката заканчивают при нормальной температуре.

Из полуфабрикатов сплавов на основе никелида титана (лист, пруток, проволока, труба) механической, электроэрозионной, лазерной резкой изготавливают заготовки изделий. Следует отметить, что из-за плохой обрабатываемости резанием предпочтительными являются два последних вида обработки. Окончательную форму изделия, как правило, задают деформацией. Она может быть «активной» — когда заготовку деформируют при температурах 500—600°С, или «пассивной» — если деформация осуществляется при нормальной или даже отрицательных температурах (за счет передвойникования при деформации на 10—12% материала в мартенситном состоянии), после чего изделие заневоливают и отжигают при температурах 450—550°С. Заданная таким образом форма изделий будет «исходной», к которой оно должно возвращаться при реализации ЭПФ или СУ.

 
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ     След >