Материал с эффектом памяти формы

Изобретение относится к материалам с эффектом памяти формы с модифицированной поверхностью, которые могут быть использованы в качестве имплантатов в медицине, в качестве температурных датчиков, термочувствительных и исполнительных элементов и конструкций в приборостроении, радиотехнике. Предложенный материал состоит из основы, выполненной из никелида титана следующего состава, ат.%: титан - 49-51, никель - остальное, и модифицированного легирующими элементами поверхностного слоя. Модифицированный поверхностный слой образован облучением низкоэнергетическим сильноточным электронным пучком, имеет толщину 1000-2500 нм и размеры кристаллитов не более 30 нм, в качестве легирующих элементов он содержит кислород и углерод, при следующем соотношении компонентов, ат.%: кислород - 10-20, углерод - 10-15, титан - 40-50, никель - остальное. Техническим результатом изобретения является создание материалов с эффектом памяти формы с высокой степенью формовосстановления как при малых, так и при больших деформирующих нагрузках. 1 табл.

 

Изобретение относится к материалам с эффектом памяти формы (ЭПФ) с модифицированной поверхностью, которые могут быть использованы в качестве имплантатов в медицине, в качестве температурных датчиков, термочувствительных и исполнительных элементов и конструкций в приборостроении, радиотехники и т. д.

Известно большое количество сплавов с эффектом памяти формы, таких как Cu-Al, Cu-Al-Ni, Cu-Zn, Ag-Cd, Au-Cd, In-Tl, Ni-Al, Fe-Mn-Si, Fe-Pt, а также сплавы на основе Ti-Ni [Эффект памяти формы в сплавах. Пер. с англ. М.: Металлургия, 1979, 472 с.; Сплавы с эффектом памяти формы. К. Ооцука, К. Симидзу, Ю. Судзуки и др. Пер. с японск. - М.: Металлургия, 1990, 224 с.]. Однако при деформировании под большими нагрузками в этих материалах при последующем нагреве наблюдается значительный недовозврат исходной формы, т. е. низкая степень формовосстановления.

Известен материал на основе никелида титана с эффектом памяти формы с модифицированной методом имплантации ионов азота поверхностью [Налесник О.И., Ясенчук Ю.Ф., Мазуркина Н.А., Итин В.И., Гюнтер В.Э. Влияние электрополировки и ионной имплантации азота в поверхность на электрохимическое поведение титана и никелида титана в растворе NaCl. Имплантаты с памятью формы. 1992, №4, с.53-58.]. Предел текучести такого материала высокий, однако при больших нагрузках в нем развиваются процессы пластической деформации, что приводит к появлению остаточной деформации после нагрева и к неполному формовосстановлению образца.

Наиболее близким аналогом по совокупности существенных признаков к предлагаемому изобретению является запоминающий форму материал на основе никелида титана, состоящий из основы и поверхностного слоя, модифицированного легирующими элементами [патент РФ №2191842, С 22 С 19/03, приоритет 18.08.2000]. Однако степень формовосстановления этого материала при высоких деформирующих нагрузках недостаточно большая.

Актуальной задачей является создание материалов с ЭПФ с высокой степенью формовосстановления как при малых, так и при больших деформирующих нагрузках.

Указанный технический результат достигается тем, что материал с эффектом памяти формы, состоящий из основы и поверхностного слоя, модифицированного легирующими элементами обработкой низкоэнергетическим сильноточным электронным пучком (НСЭП), имеет толщину поверхностного слоя 1000-2500 нм, размеры кристаллитов в нем не более 30 нм.

В качестве основы выбран никелид титана следующего состава, ат.%:

титан	49-51
никель	остальное,

при этом химический состав поверхностного слоя имеет следующее соотношение элементов, ат.%:

кислород	10-20
углерод	10-15
титан	40-50
никель	остальное.

Материал с ЭПФ и таким поверхностным слоем даже при больших деформирующих нагрузках накапливает малую пластическую деформацию, а его степень формовосстановления при разгрузке или при последующем нагреве высока. Величина ЭПФ и температурный интервал проявления ЭПФ материала при этом практически не меняются.

Указанные свойства достигаются тем, что облучение материала с ЭПФ низкоэнергетическим сильноточным электронным пучком приводит к импульсному плавлению поверхностного слоя. За время существования жидкой фазы этот слой насыщается примесями кислорода и углерода, поступающими в расплав из остаточной атмосферы рабочей камеры, в которой происходит облучение. После окончания импульса в процессе высокоскоростной кристаллизации расплавленного слоя формируется мелкозернистая структура матричной фазы, содержащая мелкодисперсные частицы оксидов и карбидов. В результате зернограничного и дисперсионного механизмов упрочнения происходит увеличение предела прочности и уменьшение пластической деформации в материале при приложении внешних нагрузок.

Таким образом, создается поверхностный слой, отличающийся от основы материала с ЭПФ химическим и фазовым составами, микрокристаллической структурой, высокими прочностными характеристиками и сохраняющий высокие адгезионные параметры связи с основой.

Толщина поверхностного слоя материала с ЭПФ определяется из условий, что при меньшей толщине степень формовосстановления материала после деформирования большими нагрузками понижается до уровня материала-прототипа, а при большей толщине снижается величина ЭПФ. Максимальный размер кристаллитов и зерен вещества в поверхностном слое обусловлен технологическим режимом получения такого поверхностного слоя, кроме того, ультрамелкое зерно способствует повышению предела текучести в поверхностном слое, что также уменьшает величину пластической деформации и сохраняет высокой степень формовосстановления после приложения к материалу больших деформирующих нагрузок. Процентное содержание в поверхностном слое кислорода и углерода определяется тем, что уменьшение их количества ниже 10 ат.% не приводит к образованию в поверхностном слое достаточного количества оксидов и карбидов, повышающих предел текучести этого слоя, а увеличение их количества свыше 20 и 15 ат.% соответственно приводит к излишнему охрупчиванию поверхностного слоя.

Концентрационный интервал содержания титана в основе материала с ЭПФ из титан-никелевых сплавов определяется тем, что уменьшение его количества ниже 49 ат.% или увеличение выше 51 ат.% может привести к выделению в интерметаллическом соединении вторичных фаз, которые не обладают способностью к мартенситным превращениям и их присутствие может привести к вырождению мартенситного превращения в основном объеме материала и снижению величины ЭПФ.

Получение материала с ЭПФ с модифицированной поверхностью, состоящего из основы и модифицированного легирующими элементами поверхностного слоя, имеющего толщину 1000-2500 нм и размеры кристаллитов в нем не более 30 нм, невозможно известными способами.

Изобретение осуществляется следующим образом.

Пример: Материал с ЭПФ с поверхностным модифицированным слоем готовили поэтапно. Никелид титана состава Ti-50,5 aт.% Ni выплавляли шестикратным электродуговым переплавом в атмосфере аргона из компонентов: титан - иодидный, никель марки Н0. После плавки слиток подвергали экструзии, затем волочению с промежуточными отжигами. Полученные образцы в виде проволоки диаметром 2 мм и длиной 70 мм электролитически полировали.

Образцы облучали низкоэнергетическим сильноточным электронным пучком с параметрами: средняя энергия электронов 15- 20 кэВ, плотность энергии за импульс 5-8 Дж/см², длительность импульса 1,5-3,5 мкс, число импульсов в серии 10-100, частота повторения импульсов 0,1 Гц. Облучение проводили в техническом вакууме 10^-4-10^-5 мм рт.ст., содержащем дозированное количество примесей кислорода и углерода.

Химический состав и структурно-фазовое состояние поверхностного слоя образцов в исходном состоянии и после облучения импульсным электронным пучком контролировали с помощью Оже-анализа и рентгенофазового анализа.

Величину и температурные интервалы проявления ЭПФ, остаточную деформацию после приложения различной деформирующей нагрузки определяли на установке типа обратный крутильный маятник. Схема испытаний следующая: выше температуры мартенситных превращений к образцу прикладывали постоянно действующий закручивающий момент сил. Нагруженный образец охлаждали ниже температур мартенситных превращений. Затем снимали нагрузку и осуществляли нагрев образца в свободном состоянии через интервал мартенситных превращений. На двухкоординатном пишущем потенциометре Н-307 фиксировали величину деформаций и температурные интервалы накопления и возврата деформации.

Из приведенных в таблице данных видно, что предлагаемые материалы с ЭПФ имеют малую величину остаточной деформации, обеспечивающую высокую степень формовосстановления по сравнению с прототипом.

Таблица.
№	Материал	Состав модифицированного слоя по глубине, ат.%	Величина остаточной деформации при формовосстановлении после деформирования под нагрузкой, %	Параметры НСЭП	Примечание
Элементы	100 нм	500 нм	1000 нм	2500 нм	3000 нм	100 Мпа	300 МПа	500 МПа	700 МПа	900 МПа	1100 МПа	Плотность энергии, Дж/см2	Число импульсов
1	TiNi без модификации поверхности	С	3	3	3	3	3	0	0,4	2,5	6	12	Более 20
		О	4	4	4	4	4
		Ti	46	46	46	46	46
Ni	47	47	47	47	47
2	TiNi с НСЭП-обработкой	С	11	14	10	10	3	0	0	0,3	1,2	3	6	6	12
		О	20	16	10	10	4
		Ti	40	41	43	43	46
Ni	29	29	37	37	47
3	TiNi с НСЭП-обработкой	С	10	15	12	11	3	0	0	0,3	1,1	3	5,8	7,5	70
		О	18	13	12	11	4
		Ti	44	44	45	45	46
Ni	28	28	31	33	47
4	TiNi с НСЭП-обработкой	С	10	12	11	10	3	0	0	0,4	1,3	3,1	6,1	5,5	30
		O	16	14	12	10	4
		Ti	43	44	45	47	46
Ni	31	30	32	33	47
5	TiNi с имплантированной поверхностью	С	9	4	3	3	3	0	0,3	2,3	5,5	10	Более 20			Прототип
		O	42	5	4	4	4
		Ti	38	45	46	46	46
Ni	11	46	47	47	47

Материал с эффектом памяти формы с модифицированной поверхностью, состоящий из основы, выполненной из никелида титана следующего состава, ат.%: титан 49-51, никель остальное, и модифицированного легирующими элементами поверхностного слоя, отличающийся тем, что модифицированный поверхностный слой образован облучением низкоэнергетическим сильноточным электронным пучком, имеет толщину 1000-2500 нм и размеры кристаллитов не более 30 нм, а в качестве легирующих элементов он содержит кислород и углерод, при следующем соотношении компонентов, ат.%: кислород 10-20, углерод 10-15, титан 40-50, никель остальное.