Способ термической обработки монокристаллов ферромагнитного сплава fe-ni-co-al-ti с эффектом памяти формы и сверхэластичностью, ориентированных вдоль [001] направления при деформации растяжением

Изобретение относится к области металлургии, а именно к термомеханической обработке монокристаллов ферромагнитного сплава нового состава Fe-Ni-Co-Al-Ti, и может быть использовано для создания исполнительных механизмов, датчиков, актюаторов, демпфирующих элементов. Способ термической обработки монокристаллов ферромагнитного сплава Fe-Ni-Co-Al-Ti с эффектом памяти формы и сверхэластичностью, ориентированных вдоль [001] направления при деформации растяжением, включает гомогенизационный отжиг монокристаллов ферромагнитного сплава, содержащего, мас.%: Fe-42,8, Ni-30,7, Со-18,4, А1-5,8, Ti-2,3, в атмосфере инертного газа He при температуре 1250°C в течение 10 часов, нагрев и выдержку при температуре 1280°C в течение 1 ч с последующей закалкой в воду комнатной температуры и старение в атмосфере инертного газа He при температуре 600-700°C в течение 1-7 часов с последующим охлаждением в воде. Сплавы обладают эффектом памяти формы и сверхэластичностью. 1 табл., 1 пр.

 

Изобретение относится к области металлургии, а именно к термомеханической обработке монокристаллов ферромагнитного сплава нового состава Fe-Ni-Co-Al-Ti. Способ может быть использован в машиностроении, авиационной, космической промышленности, механотронике и микросистемной технике для создания исполнительных механизмов, датчиков, актюаторов, демпфирующих элементов.

Известно, что эффект памяти формы и сверхэластичность проявляют сплавы, испытывающие термоупругие мартенситные превращения. В сплавах на основе железа γ-α′ (γ - гранецентрированная кубическая решетка (ГЦК); α′ - объемно центрированная тетрагональная решетка (ОЦТ)) мартенситные превращения являются нетермоупругими и не наблюдается эффекта памяти формы и сверхэластичности. Для создания условий для термоупругих γ-α′-мартенситных превращений необходимо реализовать следующие условия: 1) повысить уровень деформирующих напряжений высокотемпературной фазы за счет изменения химического состава или выделения частиц второй фазы; 2) уменьшить изменение объема ΔV и величину деформации решетки ε₀ при мартенситном превращении; 3) изменить тип деформации с инвариантной решеткой от скольжения в сплавах с нетермоупругим мартенситом к двойникованию в сплавах с термоупругим мартенситом; 4) увеличить тетрагональность решетки с/а и, соответственно, уменьшить величину двойникового сдвига при мартенситном превращении. Обычно эти условия достигаются за счет выделения дисперсных частиц второй фазы при термических обработках.

Известен способ термической обработки поликристаллов ферромагнитных сплавов на основе железа Fe-Ni-Co-Ti, который включает в себя термическую обработку материала в одну и две стадии старения, после которых γ-α′-мартенситное превращение становится термоупругим. Термическая обработка в одну стадию старения включает в себя следующую последовательность отжигов: 1) гомогенизационный отжиг в атмосфере инертного газа He при температуре 1100°C в течение 10 часов с последующей закалкой в воду комнатной температуры; 2) Закаленные образцы после гомогенизационного отжига подвергались старению в одну стадию при температуре 550-700°C в течение 1-15 минут. Термическая обработка в две стадии старения включает в себя следующую последовательность отжигов: 1) гомогенизационный отжиг в атмосфере инертного газа гелия при температуре 1100°C в течение 10 часов с последующей закалкой в 10% растворе КОН в воде комнатной температуры; 2) старение закаленных образцов при температуре 900°C в течение 3 минут с последующей закалкой в воду; 3) второе старение состаренных образцов при температуре 650°C в течение 30 минут (В.В. Кокорин, Л.П. Гунько. Тетрагональность решетки мартенсита и параметры γ-α′-превращения в сплавах Fe-Ni-Co-Ti. Металлофизика и новейшие технологии, 1995. т.17. №11, с.30-35; В.В. Кокорин. Мартенситные превращения в неоднородных твердых растворах. Киев, Наукова Думка. 1987. С.166.; Е. Cesari, V.A. Chernenko, V.V. Kokorin, J. Pons, C. Segui. Physical properties of Fe-Ni-Co-Ti alloy in the vicinity of martensitic transformation. Scripta Materialia, 1999, V.40. №3, pp 341-345). После данных термических обработок в сплавах на основе железа Fe-Ni-Co-Ti выделяются наноразмерные частицы (NiCo)₃Ti, атомно-упорядоченные по типу L1₂, размер которых оказывается равным 3-4 нм. Выделение упорядоченных наноразмерных частиц приводит к упрочнению высокотемпературной фазы, к увеличению тетрагональности решетки мартенсита с/а≥1.16 и к малым изменениям объема решетки при мартенситном превращении. В результате мартенситное превращение из нетермоупругого в закаленном состоянии переходит в термоупругое при выделении наноразмерных частиц с величиной температурного гистерезиса ΔT=50°C. Преимущество старения в две стадии перед старением в одну стадию заключается в том, что старение в две стадии приводит к развитию мартенситного превращения при комнатной температуре в отличие от старения в одну стадию, где мартенситное превращение начинается при температуре (-20°C) и ниже. Недостатком этих сплавов и термических обработок является то, что объемная доля наноразмерных частиц (NiCo)₃Ti оказывается малой, что не приводит к значительному росту прочностных свойств высокотемпературной фазы и в данном аналоге наблюдается только эффект памяти формы, но не проявляется эффект сверхэластичности. Увеличение объемной доли частиц за счет увеличения концентрации титана и увеличения времени старения больше 15 минут не привели к появлению сверхэластичности в сплавах Fe-Ni-Co-Ti.

Известен способ термической обработки поликристаллов ферромагнитных сплавов на основе железа Fe-Ni-Co-Al-Ta, включающий термомеханическую обработку материала в три этапа (Y. Tanaka, Y. Himuro, R. Kainuma, T. Omori, K. Ishida. Ferrous polycrystalline shape-memory alloy showing huge superelastisity. // Science. 2010, V.327, P.1488-1490). На первом этапе для получения острой текструктуры {035}<100> поликристалла заготовки сплава подвергали горячей прокатке при температуре 1250°C, после чего для получения однофазного твердого раствора исходной фазы (аустенит - γ-фаза) образцы отжигали при температуре 1300°C в течение 15 минут с последующим охлаждением в воду. На втором этапе вырезанные образцы подвергали дополнительной холодной прокатке до 98,6% без каких-либо промежуточных отжигов. После этого для получения однофазного твердорастворного состояния γ-фазы использовали гомогенизационный отжиг при температуре 1300°C в течение 18 часов. На третьем этапе использовали старение при температуре 600°C в течение 60-90 часов для выделения когерентных частиц упорядоченной γ′-фазы (Ni, Fe, Co)₃(Al, Ta) в неупорядоченном твердом растворе и получили сверхэластичность. В данном способе в отличие от первого способа достигается увеличение объемной доли наноразмерных частиц γ′-фазы размером 3-5 нм до 20% за счет замены Ti на Al и Ta. Однако при выделении наноразмерных частиц γ′-фазы не только повышается уровень прочностных свойств сплава, но и при старении по границам зерен выделяется β-фаза, что приводит к хрупкому разрушению и не достижению желаемых результатов по сверхэластичности. Дополнительное легирование В (бором) подавляет выделение β-фазы по границам зерен и способствует получению большой сверхэластичности до 13% при комнатной температуре. Недостатком данной термомеханической обработки является то, что выделение β-фазы по границам зерен не позволяет повышать температуру отжига для выделения частиц γ′-фазы и сократить время для ее выделения. Трудность такой термомеханической обработки состоит в том, что для получения острой структуры используются горячая прокатка при высоких температурах 1250°C и старение для получения упорядоченной γ′-фазы при температуре 600°C в течение 60-90 часов. В данном аналоге для получения сверхэластичности используют длительные термические обработки.

В качестве наиболее близкого аналога-прототипа выбран способ термической обработки монокристаллов [001] ориентации ферромагнитного сплава Fe-28%Ni-17%Co-11.5%Al-2.5%Ta (ат.%) с функциональными свойствами при деформации растяжением - с эффектом памяти формы и сверхэластичностью в температурном интервале от

(-196°C) до 50°C, описанный в работе (И.В. Киреева, Ю.И. Чумляков, В.А. Кириллов, I. Karaman, E. Cesari. Ориентационная и температурная зависимость сверхэластичности в монокристаллах FeNiCoAlTa, обусловленной обратимыми γ-α′-мартенситными превращениями. Письма в ЖТФ, 2011, Т.37, Вып. 10, С.86-94), который сочетает в себе получение монокристаллов, ориентированных вдоль [001] направления, их гомогенизационный отжиг в атмосфере инертного газа Не при температуре 1250°C в течение 5 часов с последующей закалкой в воду для получения однофазной структуры и старения в атмосфере инертного газа Не при температуре 700°C в течение 1-7 часов с последующей закалкой в воду, в результате которого происходит выделение частиц упорядоченной γ′-фазы размером 3-5 нм, и сверхэластичность наблюдается в широком температурном интервале величиной до 6,7%.

Данная термическая обработка монокристаллов по сравнению с поликристаллами не сопровождается выделением β-фазы и не требует специальных термомеханических обработок при высоких температурах для получения острой текстуры из-за отсутствия границ зерен. Однако в способе-прототипе наиболее существенным недостатком является невозможность получения сверхэластичности при деформации растяжением больше 7% из-за выделения частиц TaC размером 1-2 мкм, которые охрупчивают монокристаллы и уменьшают их пластичность.

Задачей настоящего изобретения является разработка способа термической обработки монокристаллов ферромагнитного сплава Fe-Ni-Co-Al-Ti с эффектом памяти формы и сверхэластичностью, ориентированных вдоль [001] направления при деформации растяжением, за счет старения при температуре 600°C-700°C в течение 1-7 часов. В данном сплаве Fe-Ni-Co-Al-Ti Ti является более легким элементом в отличие от Ta в системе Fe-Ni-Co-Al-Ta. Это, во-первых, приводит к более однородному распределению атомов Ti по слитку при выплавке заготовки и при росте монокристаллов. Во-вторых, за счет большей диффузионной подвижности атомов Ti в твердом состоянии удается сократить время при температурах старения 600°C до 4 часов для выделения частиц γ′-фазы (Ni, Fe, Co)₃(Al, Ti), чтобы получить эффект памяти формы и сверхэластичность. В сплавах Fe-Ni-Co-Al-Ta для получения эффекта памяти формы и сверхэластичности старение при температуре 600°C длится 60-90 часов. Поэтому Ti в сплаве Fe-Ni-Co-Al-Ti является более технологичным элементом, чем Ta.

Поставленная задача решается тем, что способ термической обработки монокристаллов ферромагнитного сплава Fe-Ni-Co-Al-Ti с эффектом памяти формы и сверхэластичностью, ориентированных вдоль [001] направления при деформации растяжением, включает гомогенизационный отжиг монокристаллов ферромагнитного сплава, содержащего, мас.%: Fe - 42,8, Ni - 30,7, Co - 18,4, Al - 5,8, Ti - 2,3, в атмосфере инертного газа He при температуре 1250°C в течение 10 часов, нагрев и выдержку при температуре 1280°C в течение 1 часа с последующей закалкой в воду комнатной температуры и старение в атмосфере инертного газа He при температуре 600-700°C в течение времени 1-7 часов с последующим охлаждением в воде. В отличие от прототипа в сплаве Fe-Ni-Co-Al-Ti, во-первых, при термических обработках нет фазы богатой танталом TaC, приводящей к снижению пластичности монокристаллов. Во-вторых, за счет большей диффузионной подвижности атомов Ti старение при температуре 600°C, приводящее к проявлению эффекта памяти формы и сверхэластичности, требует малые времена. При наличии частиц упорядоченной γ′-фазы размером 3-5 нм в новом сплаве Fe-Ni-Co-Al-Ti наблюдается эффект памяти формы под постоянной нагрузкой и сверхэластичность величиной от 4.5% до 8% в температурном интервале от (-196°C) до 20°C в монокристаллах, ориентированных вдоль [001] направления при деформации растяжением.

Требования к получению эффектов памяти формы под нагрузкой и сверхэластичности:

- осуществлять гомогенизационный отжиг в атмосфере инертного газа He при температуре 1250°C в течение 10 часов, затем перед закалкой в воду нагрев и выдержка в атмосфере инертного газа Не при температуре 1280°C в течение 1 часа для достижения химической однородности монокристалла и получения однофазной неупорядоченной структуры γ-фазы до выделения частиц упорядоченной γ′-фазы;

- размер частиц упорядоченной γ′-фазы не должен превышать размер 5 нм;

- старение при температуре при 600°C-700°C в течение 1-7 часов проводить в атмосфере инертного газа He с последующим охлаждением в воду при комнатной температуре.

Необходимо подчеркнуть, что в способе-прототипе исследования проводили на образцах с ориентацией оси нагрузки вдоль [001] направления при деформации растяжением. Поскольку именно вдоль [001] направления теоретически рассчитанная деформация решетки при γ-α′-превращении и, следовательно, ресурс обратимой деформации при реализации эффекта памяти формы и сверхэластичности имеют максимальные значения ε₀=8.7% при деформации растяжением. Однако в способе-прототипе при использованных термообработках в ориентации [001] данная теоретическая величина ресурса сверхэластичности не достигается.

Техническим результатом предложенного способа является получение функциональных свойств - эффекта памяти формы под нагрузкой и сверхэластичности в монокристаллах ферромагнитного сплава Fe-Ni-Co-Al-Ti, ориентированных вдоль [001] направления при деформации растяжением, с полной обратимостью заданной в цикле «нагрузка - разгрузка» деформации и с вариацией величины механического гистерезиса с одновременным увеличением механических характеристик высокотемпературной фазы за счет выделения частиц упорядоченной γ′-фазы.

Пример конкретного выполнения

Исходным материалом является монокристалл ферромагнитного сплава Fe-Ni-Co-Al-Ti, из которого методом электроискровой резки вырезаны образцы на растяжение в форме двойной лопатки, ориентированные вдоль [001] направления, размер образцов 2.5×1.5×12 мм³. Образцы гомогенизировали в среде инертного газа He при температуре 1250°C в течение 10 часов, затем нагрев и выдержка при температуре 1280°C в течение 1 часа с последующей закалкой в воду комнатной температуры. После чего проводили старение при температуре 600°C-700°C в атмосфере инертного газа He в течение 1-7 ч с последующим охлаждением в воду.

В таблице приведены функциональные свойства при деформации растяжением полученного образца после термической обработки нового сплава, и для сравнения образца, полученного по способу-прототипу. Как показывают полученные результаты, образцы после предложенной термической обработки нового сплава обладают эффектом памяти формы и сверхэластичностью в широком температурном интервале величиной от 4.5% до 8%.

Таким образом, предложенный способ позволяет получить в монокристаллах ферромагнитного сплава нового химического состава на основе железа эффект памяти формы и сверхэластичность и использовать их в качестве инновационных технических решений, например, как актюаторы, исполнительные механизмы в различных современных технических конструкциях и устройствах.

Функциональные свойства монокристаллов сплава Fe-Ni-Co-Al-Ti после термообоработки по способу-прототипу, предложенной в настоящем проекте при деформации растяжением
Ориентация	Состояние	Ms, (±2)°C	Af, (±2)°C	ТСЭ1, (±2)°С	ЕСЭ2, (±2)°C	ΔТСЭ, (±2)°C	σ, (±2) МПа	εСЭ, (±0,5) %	εЭПФ, (±0,5) %
Прототип
[001]	Гомогенизационный отжиг 1250°C, 5 ч, закалка+старение700°C, 7 ч	-110	-90	-80	50	130	125	6.7
Термическая обработка по прототипу
[001]	Гомогенизационный отжиг 1250°C, 5 ч, закалка+старение 700°C, 7 ч	<-196		-80	60	140	130-180	4.5	4.5
Термическая обработка
[001]	Гомогенизационный отжиг 1250°C, 8 ч+нагрев и выдержка при 1280°C, 1 ч, закалка+старение 700°C, 1 ч	<-196		-196	5	200	130-300	7.5	4.5
Термическая обработка
[001]	Гомогенизационный отжиг 1250°C, 8ч + нагрев и выдержка при 1280°C, 1 ч, закалка+старение 600°C, 4 ч	<-196		-60	0	60	400-600	7.5
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; Δσ - величина механического гистерезиса; εСЭ - величина максимальной обратимой деформации при реализации сверхэластичности; εЭПФ - величина максимальной обратимой деформации при реализации эффекта памяти формы.

Способ термической обработки монокристаллов ферромагнитного сплава Fe-Ni-Co-Al-Ti с эффектом памяти формы и сверхэластичностью, ориентированных вдоль [001] направления при деформации растяжением, включающий гомогенизационный отжиг монокристаллов ферромагнитного сплава, содержащего, мас.%: Fe-42,8, Ni-30,7, Со-18,4, А1-5,8, Ti-2,3, в атмосфере инертного газа He при температуре 1250 °C в течение 10 часов, нагрев и выдержку при температуре 1280°C в течение 1 ч с последующей закалкой в воду комнатной температуры и старение в атмосфере инертного газа He при температуре 600-700°C в течение 1-7 часов с последующим охлаждением в воде.