ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ

Введение. Сплавы с памятью формы на основе никелида титана являются функциональными материалами, нашедшими широкое практическое применение в технике и медицине. Для регулирования их функционального поведения и получения материалов со специальными свойствами активно развивается использование тройных сплавов на основе никелида титана, а в особый класс следует выделить сплавы системы TiNiHf, для которых реализация эффекта памяти формы происходит при более высоких температурах. Необходимость получения таких сплавов продиктована потребностями целого ряда отраслей промышленности, требующих создания функциональных элементов из сплавов с памятью формы с температурой срабатывания более 120 °С. Эти сплавы также должны обладать достаточной технологической пластичностью для изготовления деформированных полуфабрикатов и последующего производства термочувствительных элементов. Среди актуальных вопросов развития практического применения сплавов TiNiHf можно также выделить развитие технологии получения полуфабрикатов различного сортамента, связанных с разработкой режимов и схем термомеханической обработки. Цель работы: исследование возможности проведения деформационной обработки исследуемых сплавов TiNiHf с высокотемпературным эффектом памяти формы и выявление закономерностей формирования фазового состава и механических характеристик в зависимости от способа обработки. В работе исследована возможность получения листов и прутков из сплавов TiNiHf с 5 и 10 ат. % Hf и 50,0 ат. % Ni методами продольной прокатки, прокатки в калибрах и ротационной ковки. Методами исследования являлись рентгенографический анализ, дифференциальная сканирующая калориметрия и измерение твердости по Виккерсу. Результаты и обсуждение. Установлено, что сплав TiNiHf с 10 ат. % Hf обладает недостаточной технологической пластичностью. Из сплава с 5 ат. % Hf были получены заготовки в виде листов и прутков различного размера за счет использования процессов продольной прокатки и ротационной ковки. Показано, что проведение горячей деформации позволяет увеличить твердость исследуемого сплава TiNiHf с 5 ат. % Hf по сравнению с литым состоянием с 232 HV до 242…264 HV. Проведение холодной деформации приводит к значительному росту значений твердости, до 362…394 HV. Характеристические температуры протекания прямого и обратного мартенситного превращения достаточно стабильны. На основании результатов исследования можно сделать вывод о перспективности применения продольной прокатки и ротационной ковки для получения полуфабрикатов СПФ TiNiHf c 5 ат. % Hf и повышения функциональных и механических свойств сплава после выплавки.

1. A review on application of shape memory alloys / M. Sadashiva, M.Y. Sheikh, N. Khan, R. Kurbet, T.D. Gowda // International Journal of Recent Technology and Engineering (IJRTE). – 2021. – Vol. 9 (6). – P. 111–120. – DOI: 10.35940/ijrte.F5438.039621.

2. Nair V.S., Nachimuthu R. The role of NiTi shape memory alloys in quality of life improvement through medical advancements: A comprehensive review // Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part H: Journal of Engineering in Medicine. – 2022. – Vol. 236 (7). – P. 923–950. – DOI: 10.1177/09544119221093460.

3. Shape memory alloy (SMA) actuators: The role of material, form, and scaling effects / M.S. Kim, J.K. Heo, H. Rodrigue, H.T. Lee, S. Pané, M.W. Han, S.H. Ahn // Advanced Materials. – 2023. – Vol. 35 (33). – P. 2208517. – DOI: 10.1002/adma.202208517.

4. Features of Ti-Ni alloy structure formation under multi-axial quasi-continuous deformation and post-deformation annealing / I. Khmelevskaya, V. Komarov, R. Kawalla, S. Prokoshkin, G. Korpala // Materials Today: Proceedings. – 2017. – Vol. 4 (3). – P. 4830–4835. – DOI: 10.1016/j.matpr.2017.04.079.

5. Effect of temperature-deformation regimes of equal channel angular pressing in core-shell mode on the structure and properties of near-equiatomic titanium nickelide shape memory alloy / R. Karelin, V. Komarov, I. Khmelevskaya, V. Cherkasov, V. Andreev, V. Yusupov, S. Prokoshkin // Journal of Alloys and Compounds. – 2024. – Vol. 1005. – P. 176071. – DOI: 10.1016/j.jallcom.2024.176071.

6. Effect of post-deformation annealing on structure and properties of nickel-enriched Ti-Ni shape memory alloy deformed in various initially deformation-induced structure states / V. Komarov, R. Karelin, I. Khmelevskaya, V. Yusupov, D. Gunderov // Crystals. – 2022. – Vol. 12 (4). – P. 506. – DOI: 10.3390/cryst12040506.

7. Structure and properties of TiNi shape memory alloy after low-temperature ECAP in shells / R. Karelin, V. Komarov, I. Khmelevskaya, V. Andreev, V. Yusupov, S. Prokoshkin // Materials Science and Engineering: A. – 2023. – Vol. 872. – P. 144960. – DOI: 10.1016/j.msea.2023.144960.

8. Parida J., Mishra S.C. NiTi-based ternary alloys // Nickel-Titanium Smart Hybrid Materials. – Elsevier, 2022. – P. 191–213. – DOI: 10.1016/B978-0-323-91173-3.00020-1.

9. Parvizi S., Hashemi S.M., Moein S. NiTi shape memory alloys: properties // Nickel-titanium smart hybrid materials. – Elsevier, 2022. – P. 399–426. – DOI: 10.1016/B978-0-323-91173-3.00021-3.

10. Ahmad M. Effect of ternary element addition on properties of TiNi-based shape memory alloys for engineering and medical applications // Journal of Metastable and Nanocrystalline Materials. – 2023. – Vol. 36. – P. 7–20. – DOI: 10.1016/B978-0-323-91173-3.00021-3.

11. Sampath S., Nguyen T.A. NiTi-based ternary shape-memory alloys // Nickel-titanium smart hybrid materials. – Elsevier, 2022. – P. 123–137. – DOI: 10.1016/B978-0-323-91173-3.00006-7.

12. Tong Y., Shuitcev A., Zheng Y. Recent development of TiNi-based shape memory alloys with high cycle stability and high transformation temperature // Advanced Engineering Materials. – 2020. – Vol. 22. – P. 1900496. – DOI: 10.1002/adem.201900496.

13. Effects of training on the thermomechanical behavior of NiTiHf and NiTiZr high temperature shape memory alloys / O. Karakoc, K.C. Atli, A. Evirgen, J. Pons, R. Santamarta, O. Benafan, R.D. Noebe, I. Karaman // Materials Science and Engineering: A. – 2020. – Vol. 794. – P. 139857. – DOI: 10.1016/j.msea.2020.139857.

14. The effect of stress-induced martensite aging in tension and compression on B2-B19′ martensitic transformation in Ni_50.3Ti_32.2Hf_17.5 high-temperature shape memory alloy / A.I. Tagiltsev, E.Y. Panchenko, E.E. Timofeeva, Y.I. Chumlyakov, I.D. Fatkullin, E.S. Marchenko, I. Karaman // Smart Materials and Structures. – 2021. – Vol. 30 (2). – P. 218–225. – DOI: 10.1088/1361-665X/abdaa8.

15. Nanostructured Ti_29.7Ni_50.3Hf₂₀ high temperature shape memory alloy processed by high-pressure torsion / A. Shuitcev, D.V. Gunderov, B. Sun, L. Li, R.Z. Valiev, Y.X. Tong // Journal of Materials Science & Technology. – 2020. – Vol. 52. – P. 218–225. – DOI: 10.1016/j.jmst.2020.01.065.

16. Akgul O., Tugrul H.O., Kockar B. Effect of the cooling rate on the thermal and thermomechanical behavior of NiTiHf high-temperature shape memory alloy // Journal of Materials Research. – 2020. – Vol. 35 (12). – P. 1572–1581. – DOI: 10.1557/jmr.2020.139.

17. Thermal expansion of martensite in Ti_29.7Ni_50.3Hf₂₀ shape memory alloy / A. Shuitcev, R.N. Vasin, A.M. Balagurov, L. Li, I.A. Bobrikov, Y.X. Tong // Intermetallics. – 2020. – Vol. 125. – P. 106889. – DOI: 10.1016/j.intermet.2020.106889.

18. Design of a NiTiHf shape memory alloy with an austenite finish temperature beyond 400 ?C utilizing artificial intelligence / A.A. Catal, E. Bedir, R. Yilmaz, D. Canadinc // Journal of Alloys and Compounds. – 2022. – Vol. 904. – P. 164135. – DOI: 10.1016/j.jallcom.2022.164135.

19. Effects of microstructure and deformation conditions on the hot formability of Ni-Ti-Hf shape memory alloys / J.H. Kim, C.H. Park, S.W. Kim, J.K. Hong, C.S. Oh, Y.M. Jeon, K.M. Kim, J.T. Yeom // Journal of Nanoscience and Nanotechnology. – 2014. – Vol. 14. – P. 9548–9553. – DOI: 10.1166/jnn.2014.10191.

20. Effects of cold and warm rolling on the shape memory response of Ni₅₀Ti₃₀Hf₂₀ high-temperature shape memory alloy / N. Babacan, M. Bilal, C. Hayrettin, J. Liu, O. Benafan, I. Karaman // Acta Materialia. – 2018. – Vol. 157. – P. 228–244. – DOI: 10.1016/j.actamat.2018.07.009.

21. Processing and scalability of NiTiHf high-temperature shape memory alloys / O. Benafan, G.S. Bigelow, A. Garg, R.D. Noebe, D.J. Gaydosh, R.B. Rogers // Shape Memory and Superelasticity. – 2021. – Vol. 7. – P. 109–165. – DOI: 10.1007/s40830-020-00306-x.

22. Деформационная способность сплава с памятью формы TiNiHf при прокатке с импульсным током / В.В. Столяров, В.А. Андреев, Р.Д. Карелин, У.Х. Угурчиев, В.В. Черкасов, В.С. Комаров, В.С. Юсупов // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2022. – Т. 24, № 3. – С. 66–75. – DOI: 10.17212/1994-6309-2022-24.3-66-75.

23. Production mechanical and functional properties of long-length TiNiHf rods with high-temperature shape memory effect / R. Karelin, V. Komarov, V. Cherkasov, V. Yusupov, S. Prokoshkin, V. Andreev // Materials. – 2023. – Vol. 16 (2). – P. 615. – DOI: 10.3390/ma16020615.

24. Tailoring thermal and electrical conductivities of a Ni-Ti-Hf-based shape memory alloy by microstructure design / M. Keret-Klainer, R. Padan, Y. Khoptiar, Y. Kauffmann, Y. Amouyal // Journal of Materials Science. – 2022. – Vol. 57 (25). – P. 12107–12124. – DOI: 10.1007/s10853-022-07383-6.