Способ получения нанокомпозита с двойным эффектом памяти формы на основе монокристаллов ферромагнитного сплава co35ni35al30


 


Владельцы патента RU 2495947:

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский Томский государственный университет" (RU)

Изобретение относится к области металлургии, а именно к термомеханической обработке монокристаллов ферромагнитных сплавов Со35Ni35Аl30. Для повышения механических и функциональных свойств, создания материала с двойным эффектом памяти формы и высокотемпературной сверхэластичностью в способе получения нанокомпозита с двойным эффектом памяти формы на основе монокристалла ферромагнитного сплава Со35Ni35Аl30 первичный отжиг монокристалла проводят при температуре 1330-1340°С в течение 8,5 часов в атмосфере инертного газа. Далее осуществляют закалку в воду. Вторичный отжиг и проводят в два этапа, при этом монокристалл помещают в захваты испытательной машины, создают вакуум 10-2-10-3 Па и в свободном состоянии нагревают до промежуточной температуры 200°С, а далее прикладывают сжимающую нагрузку 100-120 МПа вдоль направления [011] в монокристалле и нагревают до 400°С со скоростью 10-20°С/мин, выдерживают при этой температуре 0,5 часа, охлаждают до 200°С, снимают нагрузку. Далее охлаждают до комнатной температуры со скоростью 10-20 °С/мин. 1 табл., 1 пр.

 

Изобретение относится к области металлургии, а именно к термомеханической обработке монокристаллов ферромагнитных сплавов CoNiAl с целью значительного повышения их механических и функциональных свойств, создания на их основе материалов с двойным эффектом памяти формы и высокотемпературной сверхэластичностью. Способ может быть использован в машиностроении, авиационной, космической промышленности, медицине, механотронике и микросистемной технике для создания исполнительных механизмов, датчиков, актюаторов, демпфирующих элементов.

Известен способ термической обработки ферромагнитных сплавов на основе CoNiAl (патент № ЕР 1460139 А1, опубл. 22.09.2004), включающий термическую обработку материала в два этапа. Первый отжиг проводили при температурах 1200-1350°С в течение 0,1-50 часов и последующее охлаждение со скоростью от 0,1 до 1000°С/мин, что приводит к формированию двухфазного состоянии в высокотемпературной фазе (β-фаза с В2 структурой и γ-фаза с ГЦК структурой). Затем выполнялся второй отжиг при температурах 1000-1320°С в течение 0,1-50 часов с последующим охлаждением со скоростью от 10 до 1000°С/мин, который способствует увеличению доли γ-фазы, выделяющейся по границам зерен, без увеличения ее объемной доли. В однофазном состоянии поликристаллы CoNiAl не деформируются пластически, хрупко разрушаются по границам зерен. В данном аналоге повышается пластичность материалов в поликристаллическом состоянии за счет термических обработок, при которых происходит выделение γ-фазы (объемная доля от 5 до 50%) внутри зерен и по их границам. Для того чтобы получить обратимость формы образца от 18 до 75%, необходимо, чтобы от 40 до 90% площади границ зерен было покрыто выделениями γ-фазы. Контроль объемной доли γ-фазы является важным обстоятельством, так как γ-фаза не испытывает В2-L10 мартенситных превращений и не участвует в формировании функциональных свойств материала - эффекта памяти формы, сверхэластичности, и повышение ее объемной доли приводит к увеличению пластичности, но к уменьшению величины обратимой деформации. Поэтому недостаткам данного метода является большая объемная доля в материале до 50% γ-фазы. Включения γ-фазы имеют низкие прочностные свойства и при развитии мартенситного превращения совместно с мартенситной деформацией матрицы, которая обратима при реализации эффекта памяти формы и сверхэластичности, возникает пластическая деформация скольжением в γ-фазе. Это определяет отсутствие 100% обратимости заданной деформации и деградацию материала при циклических воздействиях. В данных поликристаллах от 60 до 10% площади границ зерен не покрыто выделениями γ-фазы, и, следовательно, по данным границам материал может хрупко разрушаться. Трудность такой термической обработки состоит в том, что проводятся все отжиги при высоких температурах свыше 1000°С длительное время до 100 часов. Двойным эффектом памяти формы такие поликристаллы не обладают.

Известен способ улучшения функциональных свойств сплавов Со35Ni35Аl30 (ат.%): расширение температурного интервала сверхэластичности до 350°С и увеличение циклической стабильности кривых сверхэластичности (Dadda J., Maier H.J., Karaman I., Chumlyakov Y.I. // Acta Mater. - 2009. - V.57. - Р.6123-6134), который сочетает в себе получение монокристаллов, ориентированных вдоль [001] направления, их отжиг при 1350°С в течение 24 часов, закалку в воду и последующую тренировку за счет реализации B2-L10 мартенситных превращений под нагрузкой при различных температурах от 20 до 300°С либо тренировку образцов в течение 1000 циклов «нагрузка-разгрузка» при постоянной температуре +40°С. К недостаткам этой термомеханической обработки монокристаллов CoNiAl относится необходимость длительной тренировки образца при различных условиях, сложность контроля конечной микроструктуры образца, поскольку точно не определена величина деформации при тренировке образца. Низкая производительность этого метода ограничивает его применение в производстве. Данная термомеханическая обработка монокристаллов, ориентированных вдоль [001] направления, не приводит к появлению двойного эффекта памяти формы.

В качестве наиболее близкого аналога-прототипа выбран способ получения нанокомпозитов на основе монокристаллов CoNiAl, описанный в работе (Ю.И.Чумляков, Е.Ю.Панченко, А.В.Овсянников, С.А.Чусов, В.А.Кириллов, И.Караман, Г.Майер. Высокотемпературная сверхэластичность и эффект памяти формы в [001] монокристаллах Со35Ni35Аl30//ФММ. - 2009. - Т.107. - №2. - Р.207-218), включающий нагрев до 1340°С, закалку в воду при комнатной температуре и последующее старение (последующий вторичный отжиг) при 400°С, 0,5 часа в свободном состоянии, которое приводит к выделению частиц размером до 20 нм трех типов: ε-Co с ГПУ решеткой, α-Со с ГЦК решеткой и со сверхструктурой типа Ni2Al (общая объемная доля частиц f~20%). Подробно микроструктура состаренных в свободном состоянии монокристаллов Со35Ni35Аl30 при различных температурах и продолжительности старения исследована в работе (Е.Ю.Панченко, Ю.И.Чумляков, H.Maier, В.А.Кириллов, А.С.Канафьева. Особенности развития термоупругих мартенситных превращений в состаренных монокристаллах ферромагнитного сплава CoNiAl // Известия вузов. Физика. - 2011. - №6. - С.96-102). Старение закаленных кристаллов при 400°С, 0,5 часа позволяет стабилизировать микроструктуру и функциональные свойства монокристаллов Со35Ni35Аl30 при высокотемпературных испытаниях, и за счет упрочнения высокотемпературной фазы наночастицами улучшить функциональные свойства этих материалов. При выделении дисперсных частиц размером до 20 нм формируются естественные нанокомпозиты, в которых матрица испытывает B2-L10 мартенситные превращения, а частицы - нет, и размеры частиц, межчастичные расстояния, характер взаимодействия дисперсных частиц с кристаллами мартенсита определяют характеристики мартенситных превращений и функциональные свойства материала. В способе-прототипе наиболее существенными недостатками является отсутствие первичного (гомогезационного) отжига - выдержки при высоких температурах Т=1330-1340°С в течение длительного времени, что может приводить к неоднородности материала и плохой стабильности функциональных свойств. В способе-прототипе за счет старения (вторичного отжига) в свободном состоянии невозможно создать условия для наблюдения двойного эффекта памяти формы.

Задачей настоящего изобретения является разработка способа получения нанокомпозитов на основе монокристаллов Со35Ni35Аl30 с двойным эффектом памяти формы и высокотемпературной сверхэластичностью за счет термомеханической термообработки и повышения механических свойств материала.

Поставленная задача достигается способом термомеханической обработки монокристаллов сплавов Со35Ni35Аl30, включающим первичный отжиг при 1340°С, закалку и вторичный отжиг закаленного монокристалла при 400°С, 0,5 ч, который в отличие от прототипа проводят под действием сжимающей нагрузки 100-120 МПа вдоль [011] направления для ориентированного роста неравноосных дисперсных частиц ε-Со и Ni2Al размером 10-20 нм и создания дальнодействующих внутренних полей напряжений в материале с целью улучшения механических, функциональных свойств и создания условий для двойного эффекта памяти формы.

Кроме того, рекомендуется:

- осуществлять первичный отжиг при 1330-1340°С в течение 8,5 ч перед закалкой монокристалла для достижения химической однородности материала и контроля за равномерным выделением γ-фазы в объеме образца;

- объемная доля γ-фазы в закаленных монокристаллах не должна превышать 2-3%;

- вторичный отжиг проводить в вакууме не хуже 10-2 Па;

- при проведении вторичного отжига до приложения сжимающей нагрузки 100-120 МПа монокристалл необходимо нагреть до 200°С, для того чтобы данная нагрузка не приводила к развитию мартенситных превращений и соответствовала только упругой деформации высокотемпературной В2-фазы;

- после выдержки при 400°С в течение 0,5 часа нагрузку с образца снимать после охлаждения до 200°С;

- нагрев и охлаждение выполнять со скоростью 10-20°С/мин.

Необходимо подчеркнуть, что в способе-прототипе исследования проводили на образцах с ориентацией оси нагрузки вдоль [001] направления. Поскольку именно вдоль [001] направления теоретически рассчитанная деформация решетки при B2-L10 превращении и, следовательно, ресурс обратимой деформации при реализации эффекта памяти формы и сверхэластичности имеют максимальные значения ε0=5,1% при сжатии. Однако относительно ориентации [001] все направления типа <111> и <112>, вдоль которых вытянуты дисперсные частицы ε-Со и Ni2Al, расположены симметрично. Следовательно, старение вдоль данного направления не будет приводить к ориентированному росту дисперсных частиц и созданию условий для двойного эффекта памяти формы. Направление [111] имеет преимущественную ориентацию для старения под нагрузкой и создания условий для двойного эффекта памяти формы, но характеризуется минимальными значениями деформация решетки при B2-L10 превращении ε0<1%, поэтому не представляет интереса для получения обратимых деформаций. Исходя из вышесказанного, вторичный отжиг под нагрузкой проводили вдоль [011] ориентации, в которой возможен ориентированный рост частиц ε-Со и Ni2Al и величина ε0=2,6%.

Техническим результатом предложенного способа является улучшение функциональных свойств материала - широкий температурный интервал сверхэластичности от -35°С до +190°С с полной обратимостью заданной в цикле «разгрузка-нагрузка» деформации, односторонний и двойной эффекты памяти формы с величиной обратимой деформации до 2,1 (±0,5)%, с одновременным увеличением механических характеристик высокотемпературной фазы за счет создания внутренних полей напряжений в материале при старении под нагрузкой.

Пример конкретного выполнения

Исходным материалом является монокристалл Со35Ni35Аl30, из которого методом электроискровой резки вырезаны образцы в форме параллелограмма с ориентацией одного из ребер вдоль [011] направления, размер образцов может быть различный от 3×3×6 мм до 20×20×40 мм. Образцы отжигали (первичный отжиг) в среде Не при 1340°С в течение 8,5 ч, закаливали в воду комнатной температуры. На следующем этапе проводили вторичный отжиг по описанному выше способу - нагрев, отжиг при 400°С, 0,5 ч под нагрузкой 100 МПа, приложенной вдоль [011] направления, охлаждение.

В таблице приведены механические и функциональные свойства полученного образца после термомеханической обработки, образца в исходном закаленном состоянии и для сравнения образца, полученного по способу-прототипу. Как показывают, полученные результаты, образцы после предложенной термомеханической обработки, включающей вторичный отжиг под нагрузкой, в отличие от других состояний обладают двойным эффектом памяти формы с величиной деформации 2,1±(0,5)%. Это значит, что образец при охлаждении под действием минимальных сжимающих напряжений 3,3 МПа, которые позволяют фиксировать изменение размеров образца, испытывает деформацию за счет внутренних дальнодействующих полей напряжений до 2,1±(0,5)% без тренировки и до 3,0±(0,5)% после тренировки - 5 циклов «охлаждение-нагрев» под нагрузкой от 10 до 200 МПа. Вторичный отжиг под нагрузкой приводит к максимальному пределу текучести высокотемпературной фазы σcrd)=1420 МПа, низкому рассеянию энергии при развитии обратимых превращений под нагрузкой, что характеризуется узким механическим гистерезисом Δσ=40(±2) МПа, широкому температурному интервалу сверхэластичности 215°С от -35°С до +190°С и высокотемпературной сверхэластичности при 100-190°С с полной обратимостью заданной деформации в цикле «нагрузка-разгрузка».

Таким образом, предложенный способ получения нанокомпозитов позволяет повысить механические и функциональные свойства монокристаллов ферромагнитных сплавов Со35Ni35Al30 с памятью формы и использовать их в качестве инновационных технических решений, например, как высокотемпературные датчики, актюаторы, исполнительные механизмы в различных современных технических конструкциях и устройствах.

Таблица
Ориентация Состояние Ms, (±2)°C Af, (±2) °С ТСЭ1, (±2) °С ТСЭ2, (±2) °С ΔТСЭ, (±2) °С σ0,1 (Md), (±2) МПа Δσ, (±2) МПа εЭПФ, (±0,5) % εдвЭПФ (±0,5) % εСЭ, (±0,5)%
[011] Первичный отжиг 1340°С, 8,5 ч, закалка -30 -5 10 150 137 740 110 2,8 - 2,4
Прототип
[001] Первичный отжиг 1340°С, 5 мин, закалка+
вторичный отжиг при 400°С, 0,5 ч
-98 -73 -64 120 184 650 35 4,2 - 2,3
Термомеханическая обработка
[011] Первичный отжиг 1340°С, 8,5 ч, закалка+
вторичный отжиг при 400°С, 0,5 ч под нагрузкой 100 МПа
-93 -40 -35 190 215 1420 40 2,4 2,1* 2,1
В данной таблице: Ms - температура начала прямого мартенситного превращения при охлаждении, Af - температура конца обратного мартенситного превращения при нагреве; ΔТСЭ - температурный интервал сверхэластичности от ТСЭ1 до ТСЭ2; σ0,1 (Md) - предел текучести σ0,1 при Т=Мd, при которой критические напряжения образования мартенсита под нагрузкой равны пределу текучести высокотемпературной фазы; Δσ - величина механического гистерезиса; εЭПФ и εСЭ - величина максимальной обратимой деформации при реализации эффекта памяти формы и сверхэластичности соответственно, εдвЭПФ - величина двойного эффекта памяти формы.
двЭПФ=2,1% при нагрузке σвн=3,3 МПа (минимальные сжимающие напряжения) на нетренированном образце; после тренировки через интервал мартенситных превращений под нагрузкой от 10 МПа до 200 МПа (5 циклов) εдвЭПФ=3,0%.

Способ получения нанокомпозита с двойным эффектом памяти формы на основе монокристалла ферромагнитного сплава Со35Ni35Аl30, включающий первичный отжиг монокристалла с последующей закалкой в воду, вторичный отжиг и охлаждение, отличающийся тем, что первичный отжиг монокристалла проводят при температуре 1330-1340°С в течение 8,5 часов в атмосфере инертного газа, а вторичный отжиг проводят в два этапа, при этом монокристалл помещают в захваты испытательной машины, создают вакуум 10-2-10-3 Па и в свободном состоянии нагревают до промежуточной температуры 200°С, а далее прикладывают сжимающую нагрузку 100-120 МПа вдоль направления [011] в монокристалле и нагревают до 400°С со скоростью 10-20°С/мин, выдерживают при этой температуре 0,5 часа, охлаждают до 200°С, снимают нагрузку и охлаждают до комнатной температуры со скоростью 10-20°С/мин.



 

Похожие патенты:
Изобретение относится к области черной металлургии, конкретнее к обработке лент из аморфно-нанокристаллических сплавов, и может быть использовано, например, при изготовлении деталей в электронике и приборостроении.

Изобретение относится к области металлургии сплавов, а именно к термической обработке отливок из безуглеродистых жаропрочных никелевых сплавов с монокристаллической структурой, предназначенных преимущественно для производства литых турбинных лопаток авиационных, транспортных и промышленных газотурбинных двигателей.

Изобретение относится к способу изготовления композитного материала из сплавов на основе никелида титана. .

Изобретение относится к области металлургии, а именно к получению изделий из жаропрочных гетерофазных деформируемых никелевых сплавов, работающих в интервале температур 20-1000°С и предназначенных для изготовления корпусов, кожухов, экранов и других листовых изделий.
Изобретение относится к металлургии, а именно к восстановительной термической обработке изделий из жаропрочных никелевых сплавов с равноосной структурой, и может быть использовано в авиационном и энергетическом турбостроении при ремонте рабочих и направляющих лопаток турбины.
Изобретение относится к области металлургии, в частности к порошковой металлургии жаропрочных никелевых сплавов, и может быть использовано в газотурбинных двигателях для изготовления тяжелонагруженных деталей, работающих при повышенных температурах.
Изобретение относится к области металлургии, в частности к термообработке жаропрочных никелевых сплавов, и может быть использовано в производстве деталей газотурбинных двигателей (дисков, валов и др.), работающих в условиях жесткого циклического нагружения.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к порошковой металлургии жаропрочных сплавов на основе никеля, предназначенных для тяжелонагруженных деталей, работающих при повышенных температурах в газотурбинных двигателях.
Изобретение относится к области металлургии, а именно к способам горячего изостатического прессования (ГИП) деталей, выполненных из интерметаллидного сплава на основе никеля для изготовления деталей горячего тракта ГТД.
Изобретение может быть использовано для производства защитных покрытий трубопроводов в нефтяной, газовой, нефтегазоперерабатывающей, горнодобывающей и химической промышленности.
Изобретение относится к области материаловедения. Способ получения полимерного композита антифрикционного назначения на основе политетрафторэтилена включает предварительную физико-химическую обработку порошка ультрадисперсного детонационного алмаза, механическое диспергирование смеси порошков политетрафторэтилена и ультрадисперсного детонационного алмаза, прессование и термическое спекание композита в инертной среде.

Изобретение может быть использовано в области порошковой металлургии, в частности в получении ультрадисперсных порошковых материалов на основе карбидов вольфрама, используемых в качестве прекурсоров при производстве твердых сплавов.
Изобретение относится к химической промышленности. Фуллеренсодержащую сажу смешивают с жидкостью, взаимодействующей с находящимися в саже фуллеренами, например, с водным раствором щелочи концентрацией не менее 0,5 мас.%, из ряда, включающего КОН, NaOH, Ва(ОН)2 и/или с перекисью водорода Н2О2, при соотношении к саже 1:(20-300) мл/г.

Изобретение относится к области электроники и нанотехнологии и касается способа получения композиционного материала, содержащего слоистые материалы на основе графита и сульфида молибдена.

Изобретение относится к технологии получения массивов наноколец различных материалов, используемых в микро- и наноэлектронике. Сущность изобретения: в способе получения массивов наноколец, включающем подложку с нанесенными полистирольными сферами, с нанесенным затем слоем металла и последующим травлением, в качестве подложки используют упорядоченные пористые пленки, а расположение наноколец задается расположением пор в пленочном материале с использованием подходов самоорганизации.
Изобретение относится к области электрохимии и может быть использовано, например, при разработке и производстве катализаторов для электролизеров или топливных элементов с твердополимерным электролитом.

Изобретение относится к металлургии и может быть использовано для получения наноструктурированного науглероживателя для внепечной обработки высокопрочного чугуна с шаровидным и вермикулярным графитом, используемого в сталеплавильном и литейном производствах.

Изобретение относится к неорганической фуллереноподобной наночастице формулы A1-x-Bx-халькогенид, где В встроен в решетку A1-x-халькогенида, А представляет собой металл или сплав металлов, выбранных из Мо и W, В является металлом, выбранным из V, Nb, Та, Mn и Re, а х≤0,3; при условии, что х не равен нулю и А≠В.
Изобретение относится к способу получения корундовой нанопленки. Способ состоит в осаждении нанослоя алюминия на пленочную основу, или барабан, или диск (далее «основа») из материала с пониженной адгезией, последующее окисление этого нанослоя до корунда, и снятие корундовой нанопленки с основы.
Изобретение относится к способу модификации поверхности неорганического оксида. Способ включает обработку неорганического оксида водорастворимой солью никеля (II) с последующим образованием наночастиц оксида никеля (II) на поверхности неорганического оксида. При этом в предварительно нагретый до 50-90°C водный раствор соли никеля (II) последовательно вводят неорганический оксид и щелочь, после остывания полученной смеси вводят раствор тетрагидробората натрия в алифатическом спирте. Затем отгоняют из полученного продукта азеотропную смесь «алифатический спирт-вода», выдерживаю! продукт при 70-90°C и промывают последовательно в воде и дважды в алифатическом спирте. Отделенный осадок выдерживают на воздухе до завершения окисления никеля до оксида никеля (II). В качестве неорганического оксида используют оксид алюминия или оксид кремния. Технический результат изобретения состоит в снижении энергоемкости процесса. 3 пр.
Наверх