Тульский государственный университет, Тула, Россия:

Г. В. Маркова, заведующая кафедрой физики металлов и материаловедения (ФММ), эл. почта: galv.mark@rambler.ru
С. С. Володько, аспирант кафедры ФММ, эл. почта: volodko.sv@yandex.ru
Б. Б. Бубненков, студент кафедры ФММ, эл. почта: bogis13@yandex.ru

ООО «Метсинтез», Тула, Россия:

А. В. Касимцев, директор, эл. почта: metsintez@yandex.ru

Представлены результаты исследования микроструктуры, фазового состава и механических свойств бинарного порошкового сплава TiNi (55,5 % (мас.) Ni) на разных этапах деформации методом поперечно-винтовой прокатки (ПВП) при температуре 1000 ^oC. Установлено, что в образцах со степенью деформации ε = 0,09, 0,3 и 0,6 наблюдается разнозернистость по сечению: в поверхностных слоях формируется более мелкозернистая структура, в сердцевине — крупнозернистая. В образцах после спекания и незначительной деформации (ε = 0,09; 0,3; 0,6) обнаружены поры, по форме близкие к сферической. После деформации ε = 0,8 крупные поры залечиваются, однако в срединных слоях появляются мелкие вытянутые поры. Дюрометрические и металлографические исследования показали, что до ε = 0,3 происходит повышение относительной плотности сплава и уменьшение пористости, а дальнейшее увеличение степени обжатия до ε = 0,8 приводит к разрыхлению осевой зоны заготовок. В результате деформации до ε = 0,3 средний размер зерна мало изменяется по сравнению со спеченным состоянием. Измельчение зерна было обнаружено, начиная с деформации ε = 0,6, дальнейшее увеличение деформации до ε = 0,8 приводит к формированию однородной зеренной структуры во всем объеме заготовки со средним размером зерна 64 мкм. Показано, что структура порошкового сплава NiTi после деформации представлена аустенитной фазой В2, а деформация ε = 0,8 приводит к образованию в структуре до 10 % R-мартенсита, что, вероятно, вызвано смещением точек мартенситного превращения в область более высоких температур. Деформация до ε = 0,8 приводит к повышению прочности и пластичности сплава по сравнению со спеченным состоянием, однако уровень пластических свойств не удовлетворяет требованиям ТУ 1-809-394–84 на сплав марки ТН1. Таким образом, деформация посредством ПВП до ε = 0,8 обеспечивает однородную зеренную структуру по сечению, но способствует образованию локализованной пористости в осевой зоне, что является одной из причин низкой пластичности. Для повышения пластических характеристик целесообразно увеличить степень деформации и оптимизировать режим ПВП, в результате чего можно получить измельчение зерна и устранить образование пор в осевой зоне, что обеспечит увеличение характеристик пластичности. Результаты реализации данных рекомендаций будут представлены во второй части исследования.

Авторы выражают благодарность канд. техн. наук А. В. Шуйцеву за оказанную помощь при проведении исследований и предоставленные им результаты, использованные в данной работе.
Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ (проект № 17-03-00360 А).

1. Van Humbeeck J. Non-medical applications of shape memory alloys // Mater. Sci. Eng. 1999. Vol. 273–275. P. 134–148.
2. Otsuka K., Ren X. Recent developments in the research of shape memory alloys // Intermetallics. 1999. Vol. 273–275. P. 134–148.
3. Otsuka K., Ren X. Physical metallurgy of Ti – Ni-based shape memory alloys // Progress in Materials Science. 2005. No. 50. P. 511–678.
4. Yamada K., Matsui R. Improvement of Corrosion Fatigue Strength for TiNi Shape Memory Alloy // Key Eng. Mater. 2017. Vol. 725. P. 389–393.
5. Soba R., Tanabe Y., Yonezawa T., Umeda J., Kondoh K. Effect of Shape Memory Heat Treatment on Microstructures and Mechanical Properties of Powder Metallurgy TiNi Shape Memory Alloy // Mater. Trans. 2018. Vol. 59. P. 805–810.
6. Misochenko A. et al. Microstructure Evolution and Mechanical Behavior in Shape Memory Nanostructured TiNi Alloy // Defect and Diffusion Forum. 2018. Vol. 385. P. 169–174.
7. Song G., Ma N., Li H.-N. Applications of shape memory alloys in civil structures // Engineering Structures. 2006. Vol. 28. P. 1266–1274.
8. Hartl D., Lagoudas D., Mabe J., Calkins F. Use of a Ni60Ti shape memory alloy for active jet engine chevron application: I. Thermomechanical characterization // Smart Mater. Struct. 2009. Vol. 19. P. 15–20.
9. Makino E., Mitsuya T., Shibata T. Fabrication of TiNi shape memory micropump // Sensors and Actuators A: Physicals. 2001. Vol. 88. P. 256–262.
10. Abadie J., Chaillet N., Lexcellent C. Modeling of a new SMA micro-actuator for active endoscopy applications // Mechatronics. 2009. Vol. 19. P. 437–442.
11. Sheng J., Desai J. P. Design, modeling and characterization of a novel mesoscale SMA-actuated torsion actuator // Smart Mater. and Struct. 2015. Vol. 24. Р. 105005.
12. Ibrahim M. K., Hamzah E., Saud S. N., Nazim E. M. Powder Metallurgy Fabrication of Porous 51 (at.%) Ni – Ti Shape Memory Alloys for Biomedical Applications // Shape Memory and Superelasticity. 2018. Vol. 4. P. 327–336.
13. Kuribayashi K., Tsuchiya K., You Z. et al. Self-deployable origami stent grafts as a biomedical application of Ni-rich TiNi shape memory alloy foil // Mater. Sci. and Eng.: A. 2006. Vol. 419. P. 131–137.
14. Ильин А. А., Коллеров М. Ю., Хачин В. И., Гусев Д. А. Медицинский инструмент и имплантаты из никелида титана: металловедение, технология, применение // Металлы. 2002. № 3. С. 105–110.
15. Коллеров М. Ю., Ильин А. А., Полькин И. С., Файнброн А. С., Гусев Д. Е., Хачин С. В. Структурные аспекты технологии производства полуфабрикатов из сплавов на основе никелида титана // Металлы. 2007. № 5. C. 77–85.
16. Zhang Z. et al. Vacuum Induction Melting of TiNi Alloys Using BaZrO₃ Crucibles // Materials Science Forum. 2013. Vol. 765. P. 316–320.
17. Badakhshan Raz S., Sadrnezhaad S. K. Effects of VIM frequency on chemical composition, homogeneity and microstructure of NiTi shape memory alloy // Mater. Sci. and Technol. 2004. Vol. 20. P. 593–598.
18. Коцарь М. Л., Капленков В. Н., Алекберов З. М. Получение сплавов на основе высокочистого титана. Исследование их состава и свойств // Цветные металлы. 2017. № 6. С. 84–93.
19. McNeese M. D., Lagoudas D. C., Pollock T. C. Processing of TiNi from elemental powders by hot isostatic pressing // Mater. Sci. and Eng: A. 2000. Vol. 280. P. 334–348.
20. Terayma A., Kyogoku H., Sakaruma M., Komatsu S. Fabrication of TiNi Powder by Mechanical Alloying and Its Shape Memory Characteristics of Sintered Alloy // Journal of the Japan Institute of Metals and Materials. 2005. Vol. 69. P. 523–529.
21. Hey J. C., Jardine A. P. Shape memory TiNi synthesis from elemental powders // Mater. Sci. and Eng.: A. 1994. Vol. 188. P. 291–300.
22. Che H. Q., Ma Y., Fan Q. Ch. Investigation of the mechanism of self-propagating high-temperature synthesis of TiNi // J. Mater. Sci. 2011. Vol. 46. P. 2437–2444.
23. Yang Y., Zhang C., Yang Y., Chen L. Laser induced selfpropagating high-temperature synthesis of TiNi alloy // Chin. Opt. Lett. 2005. Vol. 3. P. 35–37.
24. Shiva S., Palani L. A., Mishra S. K., Paul C. P., Kukreja L. M. Investigations on the influence of composition in the development of Ni – Ti shape memory alloy using laser based additive manufacturing // Optics & Laser Technology. 2015. Vol. 69. P. 44–51.
25. Haberland C., Elahinia M., Walker J. M., Meier H., Frenzel J. On the development of high quality NiTi shape memory and pseudoelastic parts by additive manufacturing // Smart Materials and Structures. 2014. Vol. 23. P. 104002.
26. Шишкин С. В., Махутов Н. А. Расчет и проектирование силовых конструкций на сплавах с эффектом памяти формы. — Ижевск : НИЦ «Регулярная и хаотическая динамика», 2007. — 412 c.
27. Шуйцев А. В. Структура и функциональные свойства интерметаллида TiNi, полученного спеканием гидриднокальциевых порошков : автореф. дис. … канд. техн. наук. Москва, 2015. — 19 c.
28. Касимцев А. В., Маркова Г. В., Шуйцев А. В., Левинский Ю. В., Свиридова Т. А., Алпатов А. В. Изменение структуры при консолидации гидридно-кальциевых порошков интерметаллида TiNi // Металлург. 2014. № 11. С. 108–114.

29. Касимцев А. В., Левинский Ю. В. Гидридно-кальциевые порошки металлов, интерметаллидов, тугоплавких соединений и композиционных материалов. — М. : МИТХТ, 2012. — 247 c.
30. Маркова Г. В., Касимцев А. В., Шуйцев А. В., Свиридова Т. А. Особенности структурообразования спеченного интерметаллида TiNi // Материаловедение. 2015. № 3. С. 31–35.
31. Касимцев А. В., Маркова Г. В., Шуйцев А. В., Левинский Ю. В., Свиридова Т. А., Алпатов А. В. Порошковый гидридно-кальциевый интерметаллид TiNi // Известия вузов. Порошковая металлургия и функциональные покрытия. 2014. № 3. С. 31–37.
32. Полухин П. И. Технология металлов и других конструкционных материалов. — М. : Высшая школа, 1997. — 464 с.
33. Derevyagina L. S., Gordienko A. I., Pochivalov Yu. I., Smirnova A. S. Modification of the Structure of Low-Carbon Pipe Steel by Helical Rolling, and the Increase in Its Strength and Cold Resistance // Physics of Metals and Metallography. 2018. Vol. 119. P. 83–91.
34. Wang Q., Wang Q., Xiao J. Study on the method for groove design in the helical rolling of steel balls // Journal of Materials Processing Technology. 1995. Vol. 55. P. 340–344.
35. Prokoshkin S. D., Brailovskii V., Khmelevskaya I. Yu. et al. Creation of substructure and nanostructure in thermo mechanical treatment and control of functional properties of Ti – Ni alloys with shape memory effect // Metal Science and Heat Treatment. 2005. Vol. 47. P.182–187.
36. Lotkov A., Grishkov V., Kashin O., Baturin A., Timkin V., Zhapova D. The Influence of Warm Deformation on the Structure and Martensitic Transformations in TiNi-Based Alloys // AIP Conf. Proc. 2014. Vol. 1623. P. 355–358.
37. Kolobova A. Yu., Ryklina E. P., Prokoshkin S. D., Inaekyan K. E., Brailovskii V. Study of the Evolution of the Structure and Kinetics of Martensitic Transformations in a Titanium Nickelide upon Isothermal Annealing after Hot Helical Rolling // Mater. Sci. and Eng: A. 2018. Vol. 734. P. 445– 52.
38. ГОСТ 5639–82. Стали и сплавы. Методы выявления и определения величины зерна (с Изменением № 1). — М. : Издательство стандартов, 1983. — 21 с. Введ. 01.01.1983.
39. ГОСТ 9450–76. Изменение микротвердости вдавливанием алмазных наконечников. — М. : Издательство стандартов, 1976. — 32 с. Введ. 01.01.1977.
40. ГОСТ 18898–89. (ИСО 2738–87). Изделия порошковые. Методы определения плотности, содержания масла и пористости. — М. : Издательство стандартов, 1990. — 10 с. Введ. 01.01.1990.
41. ГОСТ 1497–84. Металлы. Методы испытаний на растяжение (с Изменениями № 1, 2, 3). — М. : Стандартинформ, 2008. — 22 с. Введ. 01.01.1986.