компонентов сплава между жидкой и твердой фазами, что приводит к изменению температуры на границе раздела фаз и, как следствие, периодическому изменению положения фронта кристаллизации.

Методами металлографии и рентгенографии было установлено, что структура по длине кристалла однородна, малоугловые границы встречаются крайне редко, плотность дислока-

ций в зависимости от типа профиля не превышает 4х103 – 7х104 см-2.

Рис. 1.24. Профилированные монокристаллы сплава

Cu-Al-Ni [5]

1.12. Применение сплавов с эффектом памяти формы

Рассмотрим некоторые важные направления практического применения сплавов с эффектами псевдоупругости и памяти формы в технике и медицине.

Трансформирующиеся конструкции. На основе материа-

лов с эффектом памяти формы разрабатываются различные саморазвертывающиеся конструкцииАв , которые при температуре эксплуатации находятся нижеАв н в сложенном состоянии, а в результате нагрева выше к принимают расправленную форму.

40

Обычно такие конструкции состоят из элементов, выполненных из конструкционных материалов, и из элементов, выполненных из сплавов с памятью формы. Задача последних состоит в том, чтобы при восстановлении формы придать необходимое положение соединенным с ними элементами из конструкционного материала [3].

На рис. 1.25 представлена система саморазвертывания антенны и раскрытия солнечных батарей космического аппарата [6]. Лист и стержень из сплава Ti-Ni, образующие антенну, свернуты в спираль и расположены в специальных углублениях. После того, как спутник выведен на орбиту, антенна нагревается (с помощью специального нагревателя или в результате воздействия солнечного излучения) и, в результате процесса восстановления формы, разворачивается.

Рис. 1.25. Антенна искусственного спутника, изготовленная из сплава с ЭПФ (1, 2 – проволока и листовой сплав Ti-Ni) [6]

Подобная конструкция использовалась в 1989 г. на аппарате «Прогресс-40» (эксперимент «Краб»). В 1993 г. на блоке «Квант» станции «Мир» была установлена ферма «Рапана», расправившаяся в мачту длиной 6 м. (рис. 1.26) [3].

41

Основными характеристиками термомеханических соединений труб являются интервал рабочих температур, внутреннее давление разгерметизации, усилие страгивания [3]. Рабочие температуры должны превышать температуру прямого мартенситного превращения, но при этом быть ниже температур развития процессов возврата, приводящих к релаксации реактивных напряжений.

На рис. 1.29 показана разновидность муфты, используемой в качестве гнезда электрического соединителя. В данном случае используется сплав с ЭПФ двунаправленного действия. На бронзовую втулку, в которой прорезана торцевая щель, надето кольцо из сплава Ti-Ni (Aк ≈ −20 oC). При комнатной температуре кольцо и торцевая часть сжимаются и зажимают вставленный в гнездо штекер, а при низкой – расширяются.

Рис. 1.29. Электрический соединитель из сплава с ЭПФ и порядок его сборки [6]

Другим примером термомеханических соединений являются стопоры, служащие для соединения деталей. Сплав, из которого изготовлен стопор, имеет температуру Aк ниже комнатной. В исходном состоянии стопор имеет раскрытый торец (рис. 1.30, а), после охлаждения торцы распрямляют и вводят стопор в отверстие для крепления (рис. 1.30, б, в). После отогрева до комнатной температуры происходит восстановление формы торцов (рис. 1.30, г).

44

Рис. 1.30. Принцип действия стопора из сплава с ЭПФ [6]

Применение для исполнительных элементов. Во многих конструкциях элементы из сплавов с ЭПФ используются непосредственно в качестве исполнительных элементов устройства. Здесь, как и в описанном выше примере стопора, используется двунаправленный ЭПФ. Регулируя нагрев подходящим способом, добиваются вращательного или возвратно-поступательного движения исполнительных элементов. Нагрев часто осуществляется пропусканием электрического тока, встречаются и другие способы: с помощью потока воды, обдува горячим воздухом, инфракрасного излучения и др.

В качестве примера на рис. 1.31 представлено устройство для перемещения образца в электронном микроскопе. Исполнительные элементы в виде спиральных пружин I и II выполнены из сплава с ЭПФ.

Тепловые приводы и двигатели. Сплавы с эффектом п а-

мяти формы могут применяться в качестве рабочего тела для преобразования тепловой энергии в механическую [5].

Рис. 1.31. Устройство для перемещения образца в электронном микроскопе [6]

45

Конструктивно тепловой привод состоит из силового блока, полезная работа которого совершается в процессе восстановления исходной формы предварительно деформированных элементов с эффектом памяти, и возвратного устройства, которое обеспечивает предварительную деформацию силовых элементов при их охлаждении.

На рис. 1.32 представлены схема и фотография устройства для раскалывания горных пород [5]. Термосиловой элемент 1 изготовлен из монокристаллов Cu-Al-Ni. Возвратное устройство 2 может быть реализовано либо за счет упругой деформации стальной винтовой пружины, либо на основе использования псевдоупругих свойств тех же монокристаллов Cu-Al1-′Ni, но находящихся в псевдоупругом аустенитном состоянии - фазы.

Химический состав сплавов и размеры монокристаллов подбирается таким образом, чтобы в исходном состоянии за счет псевдоупругого поведения возвратного элемента 2 силовой элемент 1, обычно имеющий двойниковую структуру мартенсита, был деформирован передвойникованием до монокристаллического состояния. В результате нагрева с помощью печи 3 монокристалл 1 испытывает обратное термоупругое мартенситное превращение, восстанавливается его исходная форма, растет реактивное напряжение по мере повышения температуры. При этом совершается полезная работа по преодолению сопротивления внешних сил, а также работа по сжатию псевдоупругого монокристалла – возвратного элемента 2. В процессе дальнейшего охлаждения происходит прямое мартенситное превращение и монодоменизация сжатием мартенситной фазы за счет возвратного элемента 2. Далее цикл повторяется.

На рис. 1.33 представлена конструкция теплового двигателя Гинеля с кривошипно-шатунным механизмом [6]. Данный двигатель действует при помощи шести спиралей из сплава TiNi и вращается при разности температур холодной и горячей сред 3-4 o C.

46

Тепловые датчики, терморегуляторы. Сплавы с ЭПФ могут служить основой температурных датчиков, срабатывающих при достижении определенной температуры. В качестве материалов с памятью в таких датчиках могут применяться высокотемпературные сплавы на основе никелида титана ТН1, ТНМ3 или титановые сплавы ВТ16, ВТ22И [3].

В терморегуляторах элементы из сплава с ЭПФ в зависимости от температуры окружающей среды многократно совершают необходимое действие, например, размыкают и замыкают электрическую цепь, регулируя таким образом температуру. В подобных могут использоваться материалы с двунаправленным эффектом памяти, однако во многих случаях используется материал с односторонним ЭПФ и противодействующий элемент из конструкционного сплава [3].

Примером терморегулятора может служить термостат, применяемый в системе охлаждения автомобильного двигателя (рис. 1.34) [6]. Переключающий клапан термостата обеспечивает при холодном двигателе циркуляцию охлаждающей жидкости внутри замкнутой системы, а при горячем – через радиатор.

Рис. 1.34. Автомобильный термостат: 1 – пружина смещения, 2 – спираль из сплава с ЭПФ, 3 – клапан

48

Микрозонды. На основе эффекта псевдоупругости были разработаны и внедрены в технологический процесс производства микрозонды для контроля электрических параметров полупроводниковых приборов и интегральных микросхем [5]. Схема использования микрозондов в процессе измерений приведена на рис. 1.35, а. На рис. 1.35, б представлена фотография кондуктора с жесткой топологией зондов, выполненных из псевдоупругих монокристаллов Cu-Al-Ni.

Обычно микрозонды изготавливают из вольфрама или сплавов на основе вольфрама. Их основной недостаток – высокая степень повреждаемости контактных площадок металлизации и высокий уровень контактного переходного сопротивления при малых нагрузках. Микрозонды из монокристаллов Cu-Al-Ni имеют низкое, не зависящее от приложенной к зонду нагрузки, переходное сопротивление 0,1-0,2 Ом, не повреждают металлизацию, в том числе и алюминиевую, обладают сравнимой с традиционными микрозондами износостойкостью, обеспечивают высокую степень воспроизводимости результатов измерений.

Рис. 1.35. Схема измерений с использованием псевдоупругих,

микрозондов (а) и кондуктор с жесткой топологией псевдоупругих контактов (б)

49

Сверхупругие антенны. Антенны представляют собой монолитные конические или цилиндрические штыри из псевдоупругих монокристаллов сплава Cu-Al-Ni диаметром от 1.5 до 5 мм и длиной до 600 мм. Псевдоупругие свойства таких антенн позволяют компактно их укладывать путем изгиба с радиусом кривизны до R=10d, где d – диаметр штыря, и автоматически разворачиваться в рабочее положение. Например, антенна диаметром 2 мм и длиной 600 мм может быть уложена в контейнер диаметром 40 мм и высотой 10 мм. Температурный диапазон применения антенн -500С – +500С. Аналогичные антенны японского производства, выполненные из сплава Ni-Ti, имеют, в о т- личие от монокристаллов Cu-Al-Ni, на порядок величины большее электрическоесопротивление и остаточную деформацию[5].

Антенны из монокристаллов Cu-Al-Ni нашли применение

впереносных радиостанциях на железнодорожном транспорте и

вмобильных средствах связи техники специального назначения. Применение в медицине. Исследования показали, что

сплавы Ti-Ni обладают высокой химической и биологической надежностью (сопротивление разложению, коррозии, биологическая совместимость, отсутствие токсичности, канцерогенности). В никелиде титана, представляющем собой интерметаллическое соединение, атомы титана и никеля прочно связаны и их диффузионная подвижность ограничена, что препятствует выходу ионов металла, способных оказать различное токсическое воздействие на клетки. Важно также, что имплантаты из никелида титана самопассивируются пленкой TiO2 (со структурой анатаза), препятствующей диффузии ионов никеля и коррозии [3].

Помимо требований безопасности имплантирования, используемые сплавы должны отвечать строгим ограничениям режима теплового воздействия: недопустим контакт ткани с сильно переохлажденными либо нагретыми имплантатами. В связи с этим предъявляются очень жесткие требования к температурному интервалу восстановления формы. Могут применяться спла-

50

вы, которые восстанавливают форму при температуре немного ниже 36 oС и п ри 36 oС обладают сверхупругостью, либо сплавы, восстановление формы которых происходит при нагреве немного выше 36 oС, не вызывающем термического разложения тканей [4].

Биологическая совместимость сплавов Ti-Ni с памятью позволила широко использовать из в медицине, из них изготавливают различные имплантаты и сверхупругие инструменты.

Cплавы Ti-Ni применяются в эндоваскулярной хирургии. На рис. 1.36 показаны цилиндрические стенты, которые расширяют сосуд, перекрытый склеротической бляшкой. Данный имплантат помещают в катетер и при помощи эндоскопа доставляют в нужное место.

Рис. 1.36. Дилатирующие стенты для сосудов и полых органов (а) и их доставка (б) [3]

Из сплавов с памятью могут изготавливаться имплантаты, применяемые для лечения костных переломов (остеосинтеза), замещения связочно-хрящевых структур позвоночника и т.п. [3, 4]. Принцип действия имплантатов для остеосинтеза показан на рис. 1.37. Металлическая скоба имеет первоначально изогнутую форму. После охлаждения ниже комнатной температуры она растягивается и концами закрепляется на костных отломках.

51

После нагрева до температуры тела скоба, стремясь восстановить исходную форму, фиксирует отломки и создает необходимую компрессию [4].

Проволочные элементы из никелида титана широко используются при изготовления ортодонтических дуг, входящих в состав брекет-системы для исправления прикуса зубов [3]. Примером использования сплавов Ti-Ni при изготовлении медицинских инструментов могут служить сверхупругие стоматологические буры, применяемые для обработки зубных каналов [3].

Рис. 1.37. Схема действия имплантата для сращивания перелома [4]: а – исходная форма, б – деформированная форма, в – после установки на костные отломки и нагрева; г – фиксаторы

для остеосинтеза костей черепа [3]

52