Сплав с эффектом памяти формы

 

Изобретение относится к области металлургии, в частности к сплавам с эффектом памяти формы и может быть использовано для обеспечения несварного и самозатягивающегося крепежа, герметизации изделий, в качестве термочувствительных и исполнительных силовых устройств в электротехнике, приборостроении и т.д. Сплав содержит следующие компоненты, ат.%: титан 48,0 - 52,0, цирконий 2,0 - 11,0; иттрий 0,05 - 0,15; никель - остальное. 1 табл.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к сплавам с эффектом памяти формы и может быть использовано для обеспечения несварного и самозатягивающегося крепежа, герметизации изделий, в качестве термочувствительных и исполнительных силовых устройств в электротехнике, приборостроении, радиотехнике, и т.д.

Достоинства сплавов с эффектом памяти формы определяют по ряду параметров, основными из которых являются температурный интервал проявления эффекта памяти, величина обратимой деформации и температурный гистерезис формоизменения [1] Температурный гистерезис формоизменения определяется разностью температур между прямым и обратным мартенситными превращениями, обеспечивающими собственно эффект памяти формы. Увеличение гистерезиса между прямым и обратным мартенситными превращениями является одной из главных задач при использовании материала с "памятью" в качестве крепежных, самозатягивающихся и силовых устройств, особенно в изделиях подверженных при эксплуатации колебаниям температуры, что часто встречается в практике. Поэтому актуальной задачей является создание сплава с эффектом памяти формы, обладающего широким гистерезисом между прямым и обратным мартенситными превращениями.

Известен сплав с эффектом памяти формы [2] содержащий следующие компоненты, ат.

Титан 45,5 48,8 Никель 47,5 49,7 Медь Остальное.

Недостатком этого сплава является неширокий гистерезис мартенситного превращения (не более 30^oC).

Известен сплав с эффектом памяти формы [3] содержащий, ат.

Титан 24,0 42,5 Никель 41,5 54,0 по крайней мере один элемент из группы Цирконий-гафний 14,0 22,0.

Недостатком этого сплава является также неширокий гистерезис мартенситного превращения (не более 40^oC).

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому изобретению является сплав с эффектом памяти формы следующего состава [4] ат.

Титан 24,0 42,5 Никель 41,3 54,0 Цирконий 7,5 22,0 Гистерезис между прямым и обратным мартенситными превращениями в этом сплаве составляет 40 45^oC, что очень часто недостаточно для эффективного применения сплавов с эффектом памяти формы.

Целью изобретения является увеличение гистерезиса между прямым и обратным мартенситными превращениями.

Указанная цель достигается тем, что сплав с эффектом памяти формы, содержащий титан, никель, цирконий, дополнительно содержит иттрий и имеет следующее соотношение компонентов, ат.

Титан 48,0 52,0 Цирконий 2,0 11,0
Иттрий 0,05 0,15
Никель Остальное
Сплав такого состава обладает эффектом памяти формы и по сравнению с известным имеет гистерезис между прямым и обратным мартенситными превращениями более 45^oC. Указанные свойства достигаются тем, что введение в титан-никелевую матрицу циркония, который занимает преимущественно места в кристаллической подрешетке титана, способствует увеличению гистерезиса между прямым и обратным мартенситными превращениями. Добавление иттрия способствует пластификации матрицы, которая может охрупчиваться при введении в сплав циркония.

Процентное содержание в сплаве циркония определяется тем, что при концентрациях его менее 2 ат. гистерезис между прямым и обратным мартенситными превращениями становится мал, а при концентрации его более 11 ат. при указанном соотношении титана, иттрия и никеля, сплав становится хрупким и уменьшается величина эффекта памяти формы.

При концентрации иттрия в сплаве менее 0,05 ат. при указанном соотношении титана, циркония и никеля не наблюдается эффекта пластификации. Содержание иттрия в сплаве более 0,15 ат. может привести к появлению красноломкости.

Концентрационный интервал содержания титана определяется тем, что при указанном соотношении циркония, иттрия и никеля, уменьшение его ниже 48 ат. и увеличение содержания титана выше 52 ат. может привести к распаду твердого раствора, что может привести к вырождению мартенситного превращения, снижению технологичности и ухудшению проявления эффекта памяти формы.

Пример. Сплав готовили с использованием шихты из материалов: титан - иодидный, иттрий марки 99,998, никель марки Н-О. Навеска 50 г содержала титана 21,94 г, циркония 3,29 г, иттрия 0,10 г, никеля 24,67 г. Потери веса после плавки не превышали 0.1% поэтому состав сплава определяли по исходному содержанию компонентов (50 ат. Ti; 3,9 ат. Zr; 0,1 ат. Y; 46,0 ат. Ni).

Навеску сплавляли электродуговым методом в атмосфере очищенного гелия, затем подвергали индукционному переплаву с целью достижения однородного состава и выливали расплав в холодную изложницу. Полученный таким образом слиток диаметром 8 мм разрезали электроэррозионным методом на образцы 1х1х60 мм³ для определения свойств эффекта памяти формы и гистерезиса между прямым и обратным мартенситными превращениями. Для снятия внутренних напряжений образцы подвергали отжигу при 800^oC (1 час) в вакууме не ниже 10^-4 ммрт.ст. и последующему охлаждению с печью.

Испытания образцов проводили на установке типа обратный крутильный маятник. Схема испытаний следующая: выше температур мартенситных превращений на образце создавали постоянно действующий закручивающий момент. Образцы охлаждали ниже температур мартенситных превращений. Затем снимали нагрузку и осуществляли нагрев в свободном состоянии образца через интервалы мартенситных превращений. На двухкоординатном пишущем патенциометре Н-306 фиксировали деформацию и температуру. Дополнительно температуры обратного и прямого мартенситных превращений определяли по температурной зависимости электросопротивления, используя четырехточечный метод измерения электросопротивления. Другие примеры изготовления и испытания сплавов приведены в таблице.

Анализ полученных результатов показывает, что с увеличением содержания циркония в сплаве растет гистерезис между прямым и обратным мартенситными превращениями. Добавление иттрия существенно повышает пластичность сплавов, способствуя сохранению эффекта памяти формы. Изменение концентрации титана незначительно меняет указанные параметры.

Из приведенных в таблице данных видно, что предлагаемый сплав по сравнению с прототипом имеет гистерезис между прямым и обратным мартенситными превращениями на 15 30^oC больше. Это позволяет резко расширить область применения предлагаемого сплава в безрезьбовых несварных соединениях в качестве самозатягивающегося крепежа и т.д.

Литература
1. Корнилов И.И. Белоусов О.К. Качур Б.Б. Никелид титана и другие сплавы с эффектом "памяти". М. Наука, 1977, 180 с.

2. Патент N 4337090 США. 29.06.82, кл. С 22 C 19/03.

3. Патент N 5108523 США. 28.04.92, кл. С 22 C 19/00.

4. Патент N 4006076 ФРГ. 13.12.90, кл. С 22 C 19/03 прототип.

Формула изобретения

Сплав с эффектом памяти формы, содержащий титан, цирконий, никель, отличающийся тем, что он дополнительно содержит иттрий при следующем соотношении компонентов, ат.

Титан 48 52
Цирконий 2 11
Иттрий 0,05 0,15
Никель Остальное

РИСУНКИ

Рисунок 1