Способ обработки сплава никелид титана с эффектом памяти формы
Владельцы патента RU 2382113:
Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Санкт-Петербургский государственный университет (RU)
Изобретение относится к обработке материалов с эффектом памяти формы и может быть использовано для увеличения эффекта памяти формы (ЭПФ). Для повышения коэффициента возврата деформации, упрощения и удешевления способа за счет уменьшения размеров рабочих элементов и массогабаритных характеристик используемых устройств, а также для расширения сферы применения способа в рабочих элементах космического назначения, медицине, машиностроении и других областях предложен способ обработки сплава никелид титана с эффектом памяти формы. Способ заключается в динамическом нагружении находящегося в мартенситном состоянии сплава никелид титана, которое осуществляют импульсным давлением с длительностью импульсов 3-5 мкс и их амплитудой 10-40 кН до получения относительной остаточной деформации 1-8%. 1 з.п. ф-лы, 2 табл., 2 ил.
Изобретение относится к обработке материалов с эффектом памяти формы и машиностроению и используется для увеличения эффекта памяти формы (ЭПФ) путем повышения коэффициента возврата деформации при реализации эффекта памяти формы.
Известен способ обработки сплавов с эффектом памяти формы [1], заключающийся в переводе сплава в полностью мартенситное состояние из исходного аустенитного состояния охлаждением до температуры ниже температуры Мк окончания прямого мартенситного превращения, последующего квазистатического деформирования и разгрузки с образованием остаточной неупругой деформации εост (Фиг.1). На Фиг.1 для полноты картины приведена и температура Мн - температура начала прямого мартенситного превращения. Собственно эффект памяти формы будет проявляться во время нагревания через интервал Ан-Ак температур начала и окончания обратного мартенситного превращения и заключаться в частичном возврате предварительно заданной остаточной неупругой деформации. В редких случаях наблюдается абсолютно полный возврат деформации, например, в монокристаллах сплавов на медной основе. Однако известный способ дает невысокий коэффициент возврата формы. Недостатком способа обычно является то, что коэффициент Кэпф возврата деформации, происходящего за счет ЭПФ, и вычисляемый как отношение возвращаемой деформации εэпф к предварительной остаточной неупругой деформации εост(Кэпф=εэпф/εост), заметно меньше единицы.
Известен способ обработки изделий из сплавов с ЭПФ на основе никелида титана для получения низкотемпературной обратимой памяти формы [2]. Способ включает в себя деформирование в мартенситном состоянии, осуществляемое путем одностороннего электрохимического наводороживания в растворе серной кислоты при комнатной температуре, а разгрузку осуществляют выдержкой до полного удаления водорода. Цель изобретения - снижение трудоемкости. После таких процедур при первом нагревании никелида титана через интервал обратного мартенситного превращения реализуется обычный эффект памяти формы, и только во время последующего термоциклирования наблюдается эффект обратимой памяти формы. По описанному способу в примерах реализации значение максимальной обратимой деформации было равно 1,8%, при том что предварительная деформация при наводороживании имела значение «около 4%». Таким образом, при первом нагреве при реализации обычного однократного эффекта памяти формы коэффициент возврата деформации Кэпф составлял 0,45. Однако известный способ дает незначительный коэффициент возврата формы, а также он является трудоемким, что связано с применением химических процессов и необходимостью принятия мер безопасности.
Известен способ обработки сплавов с ЭПФ [3, 4], позволяющий обратимо регулировать характеристические температуры сплавов с ЭПФ и направление обратимой памяти формы. Способ содержит несколько этапов. Сначала сплав нагревают до температуры 450-550°С и выдерживают 0,5-2,5 часа, и после этого измеряют разницу между температурами Ан и Ак - температурами начала и окончания обратного мартенситного превращения. На второй стадии, если разница между этими температурами меньше 7°С, то выдерживают сплав при температуре 450-500°С 0,5-1 час, если разница больше 7°С, то выдерживают сплав при температуре 510-550°С 1-2,5 часа. На третьей стадии термомеханической обработки пластически деформируют сплав при температуре 250-550°С с деформацией на этом шаге менее 55%. Если эта стадия не приводит сплав к требуемой форме, то проводят промежуточный отжиг при температуре 500-550°С 0,5-2 часа и повторяют третью стадию. Затем проводят окончательную обработку - задают необходимую форму изделию в аустенитном состоянии, проводят полигонизацию при температуре 450-550°С 0,5-1,5 часа, затем при 600-800°С 2-50 минут и старение при температуре 350-500°С 0,15-2,5 часа. Наконец, сплав деформируют не более чем на 15% при температуре Т<Мн+30°С, где температура Мн - температура начала прямого мартенситного превращения. Однако известный способ не обеспечивает повышение коэффициента возврата деформации за счет ЭПФ и он направлен, в первую очередь, на регулирование характеристических температур обратимого мартенситного превращения.
Известен способ обработки сплавов на основе Ti-Ni [5], наиболее близкий к заявляемому изобретению. Он заключается в том, что никелид титана нагружают динамически, причем динамическое нагружение осуществляют с постоянной скоростью задания формы, поддерживаемой в диапазоне 1-10 м/с.
Недостатком известного способа является то, что он направлен на повышение только обратимой памяти формы. Способ является трудоемким и сложным в реализации за счет необходимости использования дополнительных устройств, которые могли бы обеспечить требование постоянства скорости нагружающего элемента, представленного в примере конкретной реализации в виде, в частности, падающего груза вертикального копра.
Кроме того, следует учесть, что при различных размерах образца с ЭПФ скорость его деформирования будет различна при одной и той же скорости нагружающего элемента. Помимо этого задание формы в известном способе обычно проводят в аустенитном состоянии выше температуры Ак, что существенно осложняет технологию и не способствует повышению однократного эффекта памяти формы, поскольку непосредственно после этого сразу же требуется дополнительное деформирование.
Предлагаемый способ лишен указанных недостатков.
Технический результат направлен на увеличение эффекта памяти формы за счет повышения коэффициента возврата деформации, упрощение и удешевление способа за счет уменьшения размеров рабочих элементов и массогабаритных характеристик используемых устройств, а также расширение сферы применения способа в рабочих элементах космического назначения, медицине, машиностроении и других областях, где важным условием является выполнение требований, совмещающих функции температурочувствительного и исполнительного элементов.
Указанный технический результат достигается тем, что в способе обработки сплава на основе никелида титана с эффектом памяти формы, заключающемся в динамическом нагружении находящегося в мартенситном состоянии сплава никелид титана, в соответствии с предлагаемым изобретением динамическое нагружение осуществляют импульсами давления с длительностью импульсов 3-5 мкс и их амплитудой 10-40 кН до получения относительной остаточной деформации 1-8%.
Кроме того, указанный технический результат достигается тем, что способ обработки сплава на основе никелида титана деформируют в режиме трехточечного изгиба.
В заявленном способе такое нагружение можно осуществить, например, используя методику магнитно-импульсного воздействия.
На Фиг.2 представлена схема магнитно-импульсной установки, с помощью которой может, например, быть реализован предлагаемый способ. Схема (Фиг.2) включает емкость батареи 1; коммутатор 2; собственную индуктивность батареи 3; 4 - формирующее вилитовое сопротивление 4; магнитное давление 5; нагружающее устройство (медные шины) 6, ударник 7, образец 8; опоры 9. Электрический ток, протекающий по шине, вызывает магнитное давление 5, которое воздействует на образец 8.
Заявляемый способ был многократно апробирован в лабораторных условиях Санкт-Петербургского государственного университета, результаты исследований которого приведены в таблицах.
Пример реализации
При исследовании достижимости технического результата, достигаемого заявленным способом, был использован сплав на основе никелида титана состава, близкого к эквиатомному. Проволочные образцы диаметром 2 мм отжигали при температуре 500°С в течение 1 часа, а затем охлаждали с печью до комнатной температуры. Температура Мк окончания прямого мартенситного превращения в этом случае равнялась 36,5°С. Затем образцы подвергали деформированию в мартенситном состоянии в режиме трехточечного изгиба импульсным усилием, генерируемым электромагнитной установкой. Длина образцов равнялась 35 мм, расстояние между опорами равнялось 30 мм. Далее образцы нагревали через интервал температур обратного мартенситного превращения и измеряли возвращаемый за счет ЭПФ прогиб, и вычисляли коэффициент Кэпф по указанному выше соотношению (Кэпф = возврат за счет ЭПФ / остаточный прогиб). В таблице 1 приведены результаты ряда испытаний.
| Таблица 1 | |||||||
| № пп | Импульс | Остаточный прогиб, мм | Остаточная деформация, % | Возврат за счет ЭПФ, мм | Деформация за счет ЭПФ,% | Коэффициент Кэпф | |
| Длительность, мкс | Амплитуда, кН | ||||||
| 1 | 3,4 | 3,645 | 0,17 | 0,27 | 0,164 | 0,26 | 0,97 |
| 2 | 3,4 | 15,84 | 0,93 | 2,04 | 0,905 | 1,98 | 0,97 |
| 3 | 3,4 | 19,00 | 1,06 | 2,11 | 1,03 | 2,05 | 0,97 |
| 4 | 3,5 | 22,82 | 1,3 | 2,50 | 1,17 | 2,25 | 0,9 |
| 5 | 3,5 | 33,85 | 2,3 | 7,91 | 2,09 | 7,20 | 0,91 |
Повышение коэффициента возврата деформации при динамическом нагружении связано с различным характером отклика на это нагружение процессов обратимого и необратимого неупругого деформирования никелида титана в мартенситном состоянии. К первым можно отнести двойникование, ко вторым относится дислокационная пластичность. Как показал опыт, обратимые процессы развития неупругого деформирования, ответственные за эффект памяти формы, по сравнению с необратимыми в мартенситном состоянии активируются легче и полнее при динамическом, чем при квазистатическом нагружении.
Рассчитанные по этим данным максимальные напряжения в образце на его внешней поверхности находились в интервале от 300 до 900 МПа. Остаточный прогиб 2,3 мм соответствует 8% деформации. Диапазон до 8% для остаточной деформации, задаваемой в мартенситном состоянии, был выбран потому, что это наиболее употребительный диапазон, в котором используют эффект памяти формы в никелиде титана. При более значительных остаточных деформациях эффект памяти формы уменьшается, для его инициации требуются значительные изменения формы.
Для сравнения импульсного и квазистатического нагружений была проведена аналогичная серия испытаний при комнатной температуре на том же сплаве с той же температурной обработкой при квазистатическом нагружении в режиме трехточечного изгиба в мартенситном состоянии. Длина образцов равнялась 35 мм, расстояние между опорами равнялось 30 мм. В таблице 2 приведены результаты ряда испытаний.
| Таблица 2 | ||||||
| № пп | Усилие, Н | Остаточный прогиб, мм | Остаточная деформация, % | Возврат за счет ЭПФ, мм | Деформация за счет ЭПФ,% | Коэффициент Кэпф |
| 1 | 14,3 | 1,06 | 2,8 | 0,78 | 2,08 | 0,74 |
| 2 | 22,8 | 1,84 | 6,0 | 1,27 | 4,14 | 0,69 |
| 3 | 37,2 | 2,07 | 7,0 | 1,41 | 4,76 | 0,68 |
Заявляемый способ, как показали результаты проведенных испытаний, имеет более высокий по сравнению с аналогами коэффициент возврата деформации с использованием ЭПФ.
Существенный эффект от использования предлагаемого способа состоит в том, что для достижения необходимого рабочего хода потребуется меньшая предварительная деформация рабочего элемента. Это позволит уменьшить размеры рабочих элементов и массогабаритные характеристики устройств в целом, что делает использование заявленного способа привлекательным и надежным с точки зрения более высокого эффекта памяти формы при изготовлении рабочих элементов устройств или изделий широкого спектра назначений. Например, в устройствах удержания и расчековки космического назначения, в машиностроении в рабочих элементах, совмещающих функции температурочувствительного и исполнительного органов, в приводных устройствах однократного действия, в медицине - в имплантатах для остеосинтеза.
Использованная литература
[1] Материалы с эффектом памяти формы / Под. ред. В.А.Лихачева: в 4-х т. СПбГУ. - СПб: НИИХ СПбГУ, 1997-98. - T.I. 1997; 424с.; - Т.2. 1998; 374с.; - Т.З. 1998; 474с.; -Т.4.1998; 268 с.
[2] А.с СССР 1493686, МКИ4 C22F 1/10. Способ обработки изделий из сплавов на основе никелида титана для получения низкотемпературной обратимой памяти формы / С.Б.Масленков, М.Х.Шоршоров, Ю.М.Фломенблит, Н.Б.Будигина; Институт металлургии им. А.А.Байкова. Заявлено 20.04.87; Опубл. 15.07.89. Бюл. №26.
[3] Пат. 5624508 США, МКИ5 C22F 1/00. Manufacture of a two-way shape memory alloy and device/Flomenblit Josef; Budigina Nathaly; Заявлено 02.05.95; Опубл. 29.04.97. Опубл. также как W09849363.
[4] Пат. 5882444 США, МПК6 А61М 29/00, С 22 F 1/00. Manufacture of two-way shape memory devices/Flomenblit Josef; Budigina Nathaly; Заявлено 24.04.97; Опубл. 16.03.99. Опубл. также как ЕР0977902.
[5] Пат. РФ 2173730, МПК7 C22F 1/18. Способ обработки сплавов на основе никелида титана / Н.Н.Попов, И.В.Севрюгин; Российский федеральный ядерный центр - Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики. Заявлено 16.07.1999; Опубл. 20.09.2001.
1. Способ обработки сплава никелид титана с эффектом памяти формы, заключающийся в динамическом нагружении находящегося в мартенситном состоянии сплава никелид титана, отличающийся тем, что динамическое нагружение осуществляют импульсным давлением с длительностью импульсов 3-5 мкс и их амплитудой 10-40 кН до получения относительной остаточной деформации 1-8%.
2. Способ обработки сплава никелид титана с эффектом памяти формы по п.1, отличающийся тем, что сплав никелид титана деформируют в режиме трехточечного изгиба.
