Production of rods and sheets from TiNiHf alloy with high-temperature shape memory effect by longitudinal rolling and rotary forging methods

Cover Page

Cite item

Abstract

Introduction. Ti-Ni based shape memory alloys (SMAs) are functional materials that find widespread practical application in engineering and medicine. Functional properties of Ti-Ni based alloys are sensitive to the chemical composition. To develop alloys with specific properties, ternary SMAs are being actively developed. For example, TiNiHf ternary alloys are characterized by a high-temperature shape memory effect. Today, there is a demand for SMAs used in the production of functional elements with a response temperature of more than 120 °C. These alloys must also have sufficient ductility to obtain deformed semi-finished products for the subsequent manufacture of heat-sensitive functional elements. Also among the current issues of developing the practical application of TiNiHf alloys is the lack of technological schemes for obtaining semi-finished products from TiNiHf SMAs. The purpose of this work is study the feasibility of conducting deformation processing of the studied TiNiHf alloys with a high-temperature shape memory effect and to identify the relationships between phase composition and mechanical characteristics and the applied processing method. In this work, the possibility of producing sheets and rods from TiNiHf alloys with 5 and 10 at.% Hf and 50.0 at.% Ni by longitudinal rolling, caliber rolling, and rotary forging was investigated. The research methods were: X-ray analysis, differential scanning calorimetry, and measurement of Vickers hardness. Results and discussion. It was found that the TiNiHf alloy with 10 at.% Hf has insufficient ductility. From the alloy with 5 at.% Hf, blanks in the form of sheets and rods of various sizes were obtained by using longitudinal rolling and rotary forging processes. It was shown that hot deformation allows increasing the hardness of the studied TiNiHf alloy with 5 at.% Hf compared to the cast state, from 232 HV to 242–264 HV. Cold deformation leads to a significant increase in hardness values up to 362–394 HV. Characteristic temperatures of the forward and reverse martensitic transformation are quite stable. The obtained results indicate the potential of using longitudinal rolling and rotary forging to obtain semi-finished products of TiNiHf alloys with 5 at.% Hf and to improve the functional and mechanical properties of the alloy after smelting.

About the authors

Roman D. Karelin

A.A. Baykov Institute of Metallurgy and Materials Science of the Russian Academy of Sciences

Author for correspondence.
Email: rdkarelin@gmail.com
ORCID iD: 0000-0002-4795-8668
SPIN-code: 5781-9944
Scopus Author ID: 57193831436
ResearcherId: Q-1966-2017

Ph.D. (Engineering), Scientific associate

Russian Federation, 49 Leninsky Ave., Moscow, 119334, Russian Federation

Viktor S. Komarov

A.A. Baykov Institute of Metallurgy and Materials Science of the Russian Academy of Sciences

Email: vickomarov@gmail.com
ORCID iD: 0000-0003-4710-3739
SPIN-code: 5967-3811
Scopus Author ID: 7202434425
ResearcherId: H-7841-2015

Ph.D. (Engineering), Leading researcher

Russian Federation, 49 Leninsky Ave., Moscow, 119334, Russian Federation

Vladimir V. Cherkasov

A.A. Baykov Institute of Metallurgy and Materials Science of the Russian Academy of Sciences

Email: cherkasov.vv@misis.ru
ORCID iD: 0000-0002-5450-3565
SPIN-code: 7855-2039
Scopus Author ID: 57280236300
ResearcherId: AGZ-3174-2022

Master’s Degree student

Russian Federation, 49 Leninsky Ave., Moscow, 119334, Russian Federation

Artem A. Osokin

A.A. Baykov Institute of Metallurgy and Materials Science of the Russian Academy of Sciences

Email: art.osokin1201@icloud.com
ORCID iD: 0009-0008-4945-3648

Senior Laboratory assistant

Russian Federation, 49 Leninsky Ave., Moscow, 119334, Russian Federation

Konstantin V. Sergienko

A.A. Baykov Institute of Metallurgy and Materials Science of the Russian Academy of Sciences

Email: shulf@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0003-4018-4599
SPIN-code: 7807-6056
Scopus Author ID: 56340208100
ResearcherId: P-9845-2017

Junior researcher

Russian Federation, 49 Leninsky Ave., Moscow, 119334, Russian Federation

Vladimir S. Yusupov

A.A. Baykov Institute of Metallurgy and Materials Science of the Russian Academy of Sciences

Email: vsyusupov@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-0640-2217
SPIN-code: 6436-3604
Scopus Author ID: 6603520772
ResearcherId: L-7228-2017

D.Sc. (Engineering, Head of Laboratory

Russian Federation, 49 Leninsky Ave., Moscow, 119334, Russian Federation

Vladimir A. Andreev

A.A. Baykov Institute of Metallurgy and Materials Science of the Russian Academy of Sciences

Email: art.osokin1201@icloud.com
ORCID iD: 0000-0003-3937-1952
SPIN-code: 6187-9894
Scopus Author ID: 57201611985
ResearcherId: E-3618-2019

Ph.D. (Engineering), Senior researcher

Russian Federation, 49 Leninsky Ave., Moscow, 119334, Russian Federation

References

  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 Ni50.3Ti32.2Hf17.5 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 Ti29.7Ni50.3Hf20 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 Ti29.7Ni50.3Hf20 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.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML


Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».