книги / Материаловедение и технологии современных и перспективных материалов

к значительному изменению характеристических температур, как по величине, так и по знаку.

Таким образом, варьируя соотношение титана и никеля, можно существенно менять температуры фазовых переходов и влиять на ширину гистерезиса фазовой диаграммы. В разных сплавах с ЭПФ интервал температур фазовых переходов может находиться в пределах от 4,2 до 1300 К.

Температуры мартенситных превращений зависят от состава сплава. Легирование никелида титана железом, марганцем, хромом, ванадием, кобальтом приводит к снижению Мн и Мк вплоть до –196 °С, а введение Sn, Та, Sb – к их повышению (до +100 °С). Медь и кремний в довольно широком интервале составов слабо влияют на температуры превращений.

6.2.2. Применение сплавов с памятью формы

Разработка и использование сплавов с эффектом памяти формы (ЭПФ) осуществлялись довольно быстрыми темпами. В 1960 г. в США выдан патент на температурный переключатель из сплава Cd-Ag-Аu (рис. 6.19). Другой пример использования сплава с ЭПФ – антенна искусственного спутника, изготовленная с использованием сплава с эффектом памяти формы. Антенна состоит из листа и стержня из сплава Ti-Ni, которые свернуты в виде спирали и поме-

261

щены в углубление в искусственном спутнике. После запуска спутника и выведения его на орбиту антенна нагревается с помощью специального нагревателя или тепла солнечного излучения. В результате антенна выходит в космическое пространство. Такой метод развертки антенны NASA (США) позже исследовало в качестве способа сборки параболоидной антенны на поверхности Луны, однако практического применения метод не нашел.

Сплавы с ЭПФ прежде всего использовались в качестве однонаправленных элементов памяти. Первоначально их применя-

ли для соединительных муфт для труб. Для муфт использовался сплав Ti-Ni-Fe, температура превращения которого очень низкая: –150 °С. Внутренний диаметр муфты изготавливался примерно на 4 % меньше, чем наружный диаметр соединяемых труб. При соединении муфта прежде всего погружалась в жидкий воздух и выдерживалась при низкой температуре. В таком состоянии в муфту вводился дорн с определенной конусностью и расширялся внутренний диаметр на 7–8 %.

В качестве смазочного материала при расширении труб целесообразно использовать полиэтиленовую пленку. В расширенную таким образом муфту, температура которой поддерживается низкой, вводятся с двух сторон соединяемые трубы, удаляется устройство для поддержания низкой температуры, после чего температура муфты повышается до комнатной. Внутренний диаметр муфты восстанавливается до того диаметра, который муфта имела перед расширением; происходит прочное соединение труб. Свыше 100 тыс. таких муфт используется для соединения трубопроводов гидросистем реактивного истребителя F-14. Каких-либо аварий, связанных с утечкой масла, не отмечено. Преимуществом муфт, изготовленных из сплавов с памятью формы, помимо их высокой надежности, является отсутствие высокотемпературного нагрева, как при сварке. Поэтому свой-

262

ства материалов вблизи соединения не ухудшаются. Кроме того, при необходимости легко осуществляется разборка соединения при низкой температуре. Муфты такого типа применяются для трубопроводов атомных подводных лодок, надводных кораблей, для ремонта трубопроводов для перекачки нефти со дна моря, причем для этих целей используются муфты большого диаметра (порядка 150 мм). В настоящее время в этих случаях применяется также сплав Сu-Zn-Al.

Для неподвижного соединения деталей обычно применяются заклепки и болты. Однако если невозможно осуществлять какие-либо действия на противоположной стороне скрепляемых деталей (например, в герметичной пустотелой конструкции), выполнение операций крепления вызывает трудности. Стопоры из сплава с ЭПФ позволяют в этих случаях осуществить крепление, используя пространственное восстановление формы.

Элементы с ЭПФ могут одновременно выполнять функции датчиков температуры и функции исполнительных элементов, поэтому применение их в этих целях наиболее эффективно. Однако немало случаев, когда ЭПФ используются самостоятельно в качестве исполнительных элементов.

Самой характерной особенностью исполнительных элементов с памятью формы является их миниатюрность. Это обусловлено простотой механизма их действия, а также тем, что элемент состоит из одного сплава. Однако следует обратить внимание на то, что при увеличении размеров элемента скорость действия элемента замедляется.

Другой характерной особенностью исполнительных элементов из сплава с ЭПФ является то, что на их действие влияет не среда или атмосфера, а только температура. Следовательно, возможна установка этих элементов в таких средах, как вакуум или вода, при этом нет необходимости в герметизированном подвижном узле, как при установке двигателей или гидропневматических цилиндров.

Применение ЭПФ в медицине:

• фильтры для введения в сосуды кровеносной системы вводятся в виде прямой проволоки с помощью катетера, после чего они приобретают форму фильтров, имеющих заданную локацию;

263

•зажимы для защемления слабых вен;

•крепежные штифты, предназначенные для фиксации протезов на костях.

•стержни для коррекции позвоночника при сколиозе (рис. 6.20);

•искусственные мышцы, которые приводятся в действие электрическим током (рис. 6.21);

•оправа для очков (в нижней части, где стекла крепятся проволокой пластиковые линзы не выскальзывают при охлаждении, оправа не растягивается при протирке линз и длительном использовании);

•проволока (ортодонтическая дуга) для исправления зубного ряда (рис. 6.22) и др.

Рис. 6.20. Стержень для исправления позвоночника

264

6.2.3. Жаропрочные сплавы

Жаропрочность – способность металла сопротивляться пластической деформации и разрушению при высоких температурах.

Критерии оценки жаропрочности:

1)кратковременная ползучесть,

2)длительная ползучесть.

Ползучесть – свойство металла медленно пластически деформироваться под действием постоянной нагрузки при постоянной температуре.

Жаростойкость – способность металлов сопротивляться газовой коррозии при высоких температурах в течение длительного времени. Жаростойкость зависит от строения окисной пленки.

Условия работы жаропрочных сплавов:

•высокие температуры (600–2000 °С),

•перепады температур,

•усталость,

•ползучесть,

•воздействия на поверхность,

•коррозия.

Классификация жаропрочных материалов (табл. 6.7):

1.Тугоплавкие металлы с ОЦК решеткой (вольфрам, молибден, титан, ниобий).

2.Керамические материалы.

3.Интерметаллические на основе алюминия, железа, никеля, ко-

бальта.

4.Суперсплавы.

Механические свойства жаропрочных интерметаллидов:

•высокая хрупкость, не устраняемая при уменьшении количества примесей. Разрушение при растяжении хрупкое, при сжатии – пластичное;

•высокая твердость (HV 500–11 000 МПа);

•аномальная зависимость предела текучести от температуры – низкая прочность при комнатной Т, высокая – при повышенной Т.

265

Появление температурного пика связывается с переходом порядок– беспорядок или от одной упорядоченной структуры к другой;

• высокая температура плавления (выше 1000 °С).

Таблица 6.7

Свойства жаропрочных материалов

Прочность при повышенной температуре. Прочность металла определяется силами связи атомов в кристаллической решетке. При нагреве подвижность атомов возрастает, количество вакансий возрастает, диффузионные процессы активизируются. Это снижает силы межатомных связей и прочность.

При пластическом деформировании с нагревом возможны 2 взаимно противоположных процесса:

1)упрочнение при пластическом деформировании;

2)разупрочнение при искажении кристаллической решетки, растворении упрочняющих фаз.

Таким образом, структура жаропрочных сплавов должна содержать фазы, работающие при низких и высоких температурах

(табл. 6.8 и 6.9).

266

Таблица 6.9 Принципы легирования жаропрочных сплавов

Суперсплавы. Сплавы на основе элементов VIII группы, разработанные для эксплуатации при повышенной температуре под воздействием механических нагрузок в условиях, при которых от материала требуется термическая стабильность. Работают при температурах, близких к температуре плавления (реактивные двигатели, атомные реакторы, газовые турбины. Суперсплавы применяют для изготовления специальных газотурбин (тяговых агрегатов космических кораблей, насосов ракетных двигателей, авиационных реактивных двигателей) с ресурсом работы более 100 000 ч.

Суперсплавы были получены в США путем введения небольших добавок титана и алюминия к жаростойкому хромоникелевому сплаву, что позволило существенно увеличить сопротивление ползучести. Алюминий и титан образуют в сплавах основную упрочняю-

щую γ′-фазу Ni3(Al,Ti).

Известные суперсплавы США: на никелевой основе Astroloy, Inconel 718, Rene 41, железоникелевые сплавы Hayness 556, N 155, ко-

бальтовый сплав L605, работающие при температуре 980°. Разработаны российские суперсплавы: ХН55ВМКЮ, работающий при температуре 950 °С длительное время, ХН55ВМТКЮ – при температуре 850 °С.

268

Структура суперсплавов:

1)матрица (аустенит),

2)включения, когерентные матрице (γ′-фаза),

3)карбиды (в кобальтовых сплавах),

4)зернограничная фаза (улучшает сопротивление разрыву),

5)бориды в виде редких частиц по границам зерен (затормаживают диффузию на границах зерен),

6)плотно упакованные фазы.

6.2.4. Технологии получения интерметаллических сплавов

Для получения сплавов используются следующие технологии:

1.Расплавление и кристаллизация, в том числе, направленная кристаллизация (свойства монокристаллических сплавов выше, чем поликристаллических) (рис. 6.23).

2.Механическое легирование.

аб

Рис. 6.23. Схема установки для направленной кристаллизации: а – общий вид: 1 – приемник, 2 – радиационный нагрев, 3 – индукционная катушка, 4 – расплавленный металл, 5 – радиаторное охлаждение, 6 – тепловой экран, 7 – керамическая изложница, 8 – устройство для отбора монокристаллов, 9 – водяной холодильник, 10 – блок столбчатых зерен; б – устройство для отбора монокристаллов: 1 – спиральный канал (геликоид), 2 – зона затравки

269

Расплавление и кристаллизация.

Технология производства и свойства сплавов с ЭПФ. Никелид титана в жидком состоянии легко поглощает газы и взаимодействует со многими веществами. Качество металла достигается применением комбинированного способа плавки, при котором вначале плавка производится в вакуумной гарниссажной печи, после чего полученный электрод вторично переплавляют в электродуговой вакуумной печи в слитки массой до 1 т.

Никелид титана подвергают обработке давлением в интервале температур 700–900 °С. Нагрев до более высоких температур опасен из-за сильного окисления и образования хрупкого газонасыщенного поверхностного слоя.

Особенно важную роль играет технологическая операция термофиксации. Сложность этой операции обусловлена проявлением эффекта памяти после придания заготовке из никелида титана требуемой формы. Заготовку деформируют при комнатной температуре. Для сохранения формы и размеров производят жесткое фиксирование по всем степеням свободы (заневоливание) с последующим нагревом в вакууме до температуры 650–700 °С, т.е. до аустенитного состояния. В результате такой операции достигается стабильное состояние структуры и формы, которые объект «запоминает».

Для повышения триботехнических характеристик проводится химико-термическая обработка, состоящая из оксидирования и азотирования трущихся поверхностей. Сплавы никелида титана свариваются теми же способами, как и другие титановые сплавы: аргонодуговым, электронно-лучевым и др.

Сплавы на основе никелида титана плохо поддаются механической обработке, особенно сплавы типа ТН-1, в которых интервал прямого мартенситного превращения (Мн–Мк) находится вблизи комнатной температуры. В процессе резания происходят структурные превращения в поверхностном слое, приводящие к появлению эффекта памяти и резкому изменению механических свойств. Для механической обработки следует применять твердосплавные резцы с оптимальной геометрией и специальные охлаждающие среды.

270