Способ получения нанокомпозита с двойным эффектом памяти формы на основе монокристаллов ферромагнитного сплава ni49fe18ga27co6



Способ получения нанокомпозита с двойным эффектом памяти формы на основе монокристаллов ферромагнитного сплава ni49fe18ga27co6

 


Владельцы патента RU 2583560:

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский государственный университет" (ТГУ, НИ ТГУ) (RU)

Изобретение относится к области металлургии, а именно к деформационно-термомеханической обработке монокристаллов ферромагнитных сплавов Ni-Fe-Ga-Co. Способ получения нанокомпозита с двойным эффектом памяти формы на основе монокристаллов ферромагнитного сплава Ni49Fe18Ga27Co6 включает отжиг монокристалла в атмосфере инертного газа с последующей закалкой в воду и старение под нагрузкой при 673 K в вакууме. Отжиг монокристалла проводят при температуре 1373 K в течение 25 мин, старение проводят под нагрузкой, приложенной вдоль направления [ 3 ¯ 12 ], в течение 4 часов. После старения проводят термомеханическое циклирование путем циклического изменения температуры в интервале мартенситных превращений от 220 K до 420 K под действием постоянной сжимающей нагрузки 30-80 МПа, приложенной вдоль направления [001]. Повышаются механические и функциональные свойства материала. 1 табл., 1 пр.

 

Изобретение относится к области металлургии, а именно к деформационно-термомеханической обработке монокристаллов ферромагнитных сплавов Ni-Fe-Ga-Co, с целью значительного повышения их механических и функциональных свойств, создания на их основе материалов с многократным эффектом памяти формы. 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 Ni49Fe18Ga27Со6 (ат.%) (Е.Ю. Панченко, Ю.И. Чумляков, Е.Е. Тимофеева, Н.Г. Ветошкина, H.Maier. Циклическая стабильность сверхэластичности в состаренных [ 1 ¯ 23 ]-монокристаллах Ni49Fe18Ga27Со6 //Известия вузов. Физика. - 2012.- Т.55- №9.- С. 61-65), который заключается в проведении двухступенчатого отжига: 1 - отжиг при 1373 К, 25 мин с последующей закалкой, 2 - старение при 673 К, 4 ч в свободном состоянии с последующим медленным охлаждением. Это приводит к формированию в аустенитной фазе бимодальной гетерофазной структуры: после высокотемпературного отжига выделяются частицы γ-фазы длиной 5÷10 мкм, которые позволяют пластифицировать материал, после низкотемпературного отжига - наноразмерные частицы размером γ'-фазы 5÷30 нм. Частицы γ'-фазы не испытывают мартенситных превращений, наследуются мартенситом и деформируются упруго при развитии мартенситных превращений в матрице, накапливая значительную упругую энергию. Накопленная при прямом мартенситном превращении обратимая энергия способствует развитию обратного превращения при снятии нагрузки и [ 1 ¯ 23 ]-монокристаллы Ni49Fe18Ga27Со6 в данном структурном состоянии проявляют высокую циклическую стабильность сверхэластичности, что является существенным моментом для практического использования. При увеличении времени старения происходит изменение характера развития мартенситных превращений под нагрузкой, частицы γ'-фазы увеличиваются до 150-300 нм и приводят к образованию «неориентированного» мартенсита вблизи поверхности раздела «частица-матрица», отличного от основного. В результате происходит релаксация упругой энергии при развитии мартенситных превращений: вблизи частиц образуются дефекты упаковки и дислокации и наблюдается низкая циклическая стабильность.

Однако старение при 673 К, 4 ч в не приводит к проявлению многократного эффекта памяти формы, поскольку в сплаве NiFeGaCo, подвергнутом отжигу в свободном состоянии, формируются несколько вариантов частиц γ'-фазы, и локальные поля напряжений от частиц в данном случае не приводят к возникновению дальнодействующих полей, способствующих самопроизвольной деформации сплавов при охлаждении.

Известен способ обработки сплавов Cu68.73Zn14.55Al16.72 (ат. %) для получения многократного эффекта памяти формы, который включает в себя ступенчатую термообработку (выдержка при 1120 К, 15 мин, охлаждение до 770 К и последующая закалка в воду при Т=273 К) и последующее термомеханическое циклирование через интервал мартенситных превращений под нагрузкой (постоянные напряжения 34 МПа, количество циклов 30). В ходе отжига при 770 К в материале формируются мелкие частицы γ-фазы порядка 10 нм. Поскольку и в данном случае отжиг проводился в свободном состоянии, то сразу после термообработки многократный эффект памяти формы не наблюдается. Последующие 30 циклов термомеханического циклирования приводят к появлению многократного эффекта памяти формы величиной до 5%. Однако данный метод обладает недостатками. В ходе многочисленных тренировок в материале генерируется и копится большое количество дефектов, которые, с одной стороны, могут способствовать проявлению многократного эффекта памяти формы, но с другой стороны, существенно понижают циклическую стабильность свойств материала и способствуют быстрой деградации (Amengual A., Cesari E., Pons J. Characteristics of the two-way memory effect induced by thermomechanical cycling in Cu-Zn-Al single crystals //Journal de Physique IV. V. 5. C8-871-876).

В качестве наиболее близкого аналога-прототипа выбран способ получения нанокомпозитов с двойным эффектом памяти формы на основе монокристаллов CoNiAl, что достигается посредством термомеханической обработки: отжиг 1613 К в течение 8,5 ч, закалка и последующее старение в вакууме при 673 К, 0,5 ч под действием сжимающей нагрузки 100-120 МПа вдоль [011] направления. Последнее приводит к ориентированному росту неравноосных дисперсных частиц ε-Co размером 10-20 нм и созданию дальнодействующих внутренних полей напряжений, способствующих появлению многократного эффекта памяти формы (патент РФ 2495947, опубл. 20.10.2013, МПК C22F1/10).

Способ-прототип, включающий старение под нагрузкой, имеет недостатки в отношении ферромагнитных сплавов на основе NiFeGaCo. Во-первых, кристаллические структуры фаз в сплавах NiFeGaCo и CoNiAl различны. После обработки при 673 К 0,5 ч в сплавах CoNiAl выделяются частицы размером до 20 нм трех типов: ε-Co с ГПУ решеткой, α-Co с ГЦК решеткой и со сверхструктурой типа Ni2Al (общая объемная доля частиц f ~ 20 %). В сплавах на основе NiFeGaCo при старении 673 К выделяется только γ′-фаза, объемная доля их меньше и частицы имеют другую форму. Для выделения достаточной объемной доли γ′-фазы и созданию дальнодействующих полей напряжений необходим другой режим старения/большее количество времени. Во-вторых, поскольку частицы в NiFeGaCo вытянуты вдоль<111>направлений, то термообработка под нагрузкой вдоль [011] направления не приведет к образованию одного варианта частиц, поскольку существуют 2 направления<111>, эквивалентные по отношению к [011]. Поэтому необходима другая ориентация приложения нагрузки в процессе старения для ориентированного роста частиц. В-третьих, для получения максимальной обратимой деформации при многократном эффекте памяти формы необходим выбор определенной кристаллографической ориентации после проведения двухступенчатой термообработки.

Задачей настоящего изобретения является разработка способа получения многократного эффекта памяти формы в монокристаллах сплавов на основе Ni49Fe18Ga27Co6, с целью проявления многократного эффекта памяти формы при охлаждении в свободном состоянии с величиной, обратимой деформации до 4,5%.

Поставленная задача достигается посредством термомеханической обработки монокристаллов сплавов Ni49Fe18Ga27Co6, включающей первичный нагрев до 1373 К, выдержку в течение 25 мин, закалку и вторичную термомеханическую обработку - старение при 673 К под действием сжимающей нагрузки 100 МПа, которую в отличие от прототипа проводят в течение 4 ч вдоль [ 3 ¯ 12 ] направления для ориентированного роста неравноосных дисперсных частиц.

Необходимо подчеркнуть, что в способе-прототипе, после термомеханической обработки образцы вырезались вдоль той же ориентации, вдоль которой проводилось старение - [011]. Первая основная отличительная особенность предложенного способа - это выбор другой ориентации после проведения термомеханической обработки - [001]. При сжатии вдоль этого направления в монокристаллах NiFeGaCo реализуется максимальный ресурс деформации решетки при L21-14М мартенситном превращении - 6,2%.

Второй особенностью является проведение термомеханического циклирования, которое заключается в циклическом изменении температуры в интервале развития мартенситных превращений (от 220 К до 420 К) под действием постоянной сжимающей нагрузки, приложенной вдоль направления [001]. Рекомендуется проводить термомеханическое циклирование при напряжениях от 30 до 80 МПа в течение одного-двух циклов во избежание появления большого количества дефектов.

Пример конкретного выполнения.

Исходным материалом является монокристалл Ni49Fe18Ga27Co6 (ат. %), из которого методом электроискровой резки вырезаны образцы в форме параллелепипеда с ориентацией одного из ребер вдоль [ 3 ¯ 12 ] направления. Образцы отжигали в среде He при 1373 К в течение 25 мин и закаливали в воде комнатной температуры. На следующем этапе проводили термомеханическую обработку по описанному выше способу - старение в вакууме при 673 К, 4 ч под нагрузкой 100 МПа, приложенной вдоль [ 3 ¯ 12 ] направления, медленное охлаждение и старение в свободном состоянии при 673 К, 4 ч.

После термообработки образцы вырезали вдоль двух направлений - [ 3 ¯ 12 ] и [001].

После старения в свободном состоянии многократный эффект памяти формы не возникает независимо от ориентации образцов. Однако проведение термомеханического циклирования в интервале мартенситных превращений (охлаждение до 220 К и нагрев до 420 К) под нагрузкой 40-80 МПа, приложенной вдоль [001] направления, приводит к возникновению многократного эффекта памяти формы величиной до 1,4% (при максимальной обратимой деформации 4,3%). Это значит, что образец при последующем охлаждении под действием минимальных сжимающих напряжений 0,7 МПа, которые позволяют фиксировать изменение размеров образца, испытывает деформацию за счет внутренних дальнодействующих полей напряжений. Деформация является обратимой при нагреве.

После старения под нагрузкой образцы без предварительных тренировок обладают многократным эффектом памяти формы с величиной деформации 1±(0,3)% вдоль [ 3 ¯ 12 ] направления и ~0,5±(0,3)% вдоль [001] направления.

Для увеличения обратимой деформации проведено термомеханическое циклирование в интервале мартенситных превращений (от 220 К до 420 К) под нагрузкой. Величина обратимой деформации изменяется в зависимости от величины приложенных напряжений во время проведения термомеханического циклирования и увеличивается от 3% при циклировании при 30 МПа до 4,5 % при циклировании при 80 МПа. Максимальная величина обратимой деформации при реализации обычного эффекта памяти формы в данном состоянии при 30-80 МПа составляет 5%. Следовательно, предложенный способ позволяет достичь эффективности многократного эффекта памяти формы 90% за счет проведения двухступенчатой термической обработки, включающей старение под нагрузкой вдоль [ 3 ¯ 12 ] направления, и термомеханического циклирования под нагрузкой вдоль [001] направления.

В таблице приведены значения обратимой деформации при обычном эффекте памяти формы (εЭПФ) и многократном эффекте памяти формы (εМЭПФ) для [001]- и [ 3 ¯ 12 ]-монокристаллов, прошедших термомеханическую обработку и тренировку.

Таким образом, предложенный способ обработки монокристаллов сплавов на основе NiFeGaCo позволяет получить многократный эффект памяти формы и использовать монокристаллы в качестве инновационных технических решений, например, датчиков, актюаторов, исполнительных механизмов в различных современных технических конструкциях и устройствах.

Способ получения нанокомпозита с двойным эффектом памяти формы на основе монокристаллов ферромагнитного сплава Ni49Fe18Ga27Co6, ат.%, включающий отжиг монокристалла в атмосфере инертного газа с последующей закалкой в воду и старение под нагрузкой при 673 K в вакууме, отличающийся тем, что отжиг монокристалла проводят при температуре 1373 K в течение 25 мин, старение проводят под нагрузкой, приложенной вдоль направления [ 3 ¯ 12 ], в течение 4 часов, а после старения проводят термомеханическое циклирование путем циклического изменения температуры в интервале развития мартенситных превращений от 220 K до 420 K под действием постоянной сжимающей нагрузки 30-80 МПа, приложенной вдоль направления [001].



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к металлургии, в частности к литейным коррозионно-стойким жаропрочным сплавам на основе никеля, и может быть использовано для изготовления литьем деталей горячего тракта газотурбинных установок, работающих в агрессивных средах природного газа при температурах 600-900°C.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к получению высокопрочных углеродсодержащих инварных сплавов. Способ обработки углеродсодержащего инварного сплава включает закалку и деформационно-термическую упрочняющую обработку.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к термической обработке отливок из жаропрочных никелевых сплавов, предназначенных для производства деталей газотурбинных двигателей и газотурбинных установок, и может быть использовано в авиационной и энергетической промышленности.

Изобретение относится к области изготовления ротора турбины газотурбинного двигателя, состоящего из двух и более деталей, изготовленных преимущественно из никелевого жаропрочного сплава с применением электронно-лучевой сварки.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к способу изготовления никелевого суперсплава типа INCONEL 718. При изготовлении никелевого суперсплава типа INCONEL 718 последний этап ковки осуществляют при температуре Т ниже, чем температура δ-растворимости, с обеспечением во всех точках М в никелевом суперсплаве локальной степени D деформации, которая не меньше, чем минимальная величина Dm, обеспечивающая рекристаллизацию разорванных зерен в мелкие зерна.

Изобретение относится к металлургии, а именно к получению пористых металлических материалов методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза, и может использоваться в медицинской имплантологии.

Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано в энергетическом машиностроении и приборостроении, в медицине, при низкотемпературном формировании исходной формы изделий из материалов с термоупругими мартенситными превращениями.

Изобретение относится к металлургии, а именно к пружинам из никелида титана, и может быть использовано для управления деформационными свойствами обратимого формоизменения, такими как угловое (поворотное) и осевое (поступательное) перемещение витой пружины.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к способу получения никелевой полосы из нескольких, по меньшей мере, по существу цельных катодных листов. Способ получения никелевой полосы из катодных листов характеризуется тем, что полосу получают горячей прокаткой по отдельности листов, которые соединяют в полосу, или горячей прокаткой полосы после соединения отдельных листов.
Изобретение относится к приборостроению и может использоваться для изготовления упругих подвесов чувствительных элементов динамически настраиваемых гироскопов (ДНГ).

Группа изобретений относится к металлическим волокнам жаростойкого сплава, которые могут быть использованы для получения истираемых уплотнений проточной части турбины авиационного газотурбинного двигателя.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к производству жаропрочных сплавов на основе никеля, легированных редкоземельными металлами. Способ получения сплава на основе никеля включает загрузку в плавильный тигель шихты в виде металлических отходов или смеси металлических отходов и легирующих металлов, введение в шихту рафинирующей добавки, расплавление шихты и разливку полученного расплава через фильтр.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к высокопрочным инварным сплавам. Заявлен высокопрочный инварный сплав, содержащий, мас.%: никель от 25,0 до менее 38,0, кобальт 0,5÷20,0, углерод 0,05÷1,2, титан 0,05÷4,0, молибден 0,02÷6,0, ванадий 0,01÷4,0, ниобий 0,02÷5,0, вольфрам 0,02÷5,0, цирконий 0,01÷2,0, железо - остальное.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к производству жаропрочных сплавов на основе никеля, и может быть использовано при выплавке сплавов для литья лопаток газотурбинных двигателей.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к способу получения никелевой полосы из нескольких, по меньшей мере, по существу цельных катодных листов. Способ получения никелевой полосы из катодных листов характеризуется тем, что полосу получают горячей прокаткой по отдельности листов, которые соединяют в полосу, или горячей прокаткой полосы после соединения отдельных листов.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к получению лигатуры никель-редкоземельный металл. В способе расплавляют никель, выдерживают полученный расплав и смешивают его с редкоземельным металлом, производят индукционное перемешивание расплава, его разливку и охлаждение, при этом расплавляют никель в вакууме в инертном тигле индукционной печи, полученный расплав нагревают до температуры 1500-1700°C и выдерживают до его дегазации в плавильной камере под вакуумом, после чего снижают температуру расплава никеля до 1400-1550°C и в вакууме или атмосфере инертного газа порционно добавляют в него редкоземельный металл.
Изобретение относится к области металлургии, а именно нанесению покрытий с эффектом памяти формы. Способ получения наноструктурированных покрытий с эффектом памяти формы на стальной поверхности включает нанесение порошка с эффектом памяти формы на основе Ni на стальную поверхность, закалку с нагревом до 1000°C и последующим охлаждением в жидком азоте, пластическую деформацию полученного покрытия в три этапа при нагреве.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к получению жаропрочных сплавов на основе никеля, обладающих высоким сопротивлением ползучести и растяжению.
Изобретение относится к сплавам аккумуляторов водорода. Сплав Ni-B с дефектами структуры, который получен путем кристаллизации расплава Ni-B под воздействием импульсного электрического тока, предложено применять в качестве аккумулятора водорода.
Изобретение предназначено для получения сплава для аккумуляторов водорода и может быть использовано при производстве энергетических машин и в автомобилестроении.

Изобретение может быть использовано в химии, биологии и медицине в целях визуализации и диагностики. Неорганические коллоидные полупроводниковые нанокристаллы переносят из органической в водную фазу, не смешивающуюся с органической фазой, с помощью катализатора межфазного переноса.
Наверх