Спосіб виготовлення термочутливого градієнтного за концентрацією елемента із сплавів з пам’яттю форми

Реферат: Винахід належить до галузі металургії, а саме до способу виготовлення термочутливого градієнтного за концентрацією елемента на основі сплавів з пам'яттю форми і може бути широко використаний у електроенергетиці. Спосіб включає операції перше плавлення сплаву з пам'яттю форми при температурі плавлення Т пл. під об'ємним тиском Ро , надання заданої робочої форми утворюваній заготовці при температурі Тф  0,6  0,9Тпл , гартування її з β – . області, деформацію у напрямку зміни форми елемента при охолодженні з температури в інтервалі від точки початку (Мп) до точки кінця (Мк) прямого мартенситного перетворення (М п Мк), фіксацію цієї форми після деформації ε = 0,01 – 10% при температурах Тmin = Mпmin – Mкmin та Тmax = Mnmax – Mkmax, витримку при цій температурі протягом τв = 1,0 – 10,0 хв., усунення фіксації форми в інтервалі температур Тmin = Mпmin – Mкmin, при цьому після надання заданої робочої форми заготовці на її поверхні жорстко закріплюють легуючий(-і) матеріал(-и), зі змінною масою (mлм) по довжині заготовки Lз , нагрівають заготовку з легуючим(-ми) матеріалом(-ами) до температури Тзлм = (1,1 – 1,7) Тпл. у середовищі газової композиції на основі нейтрального газу під об'ємним тиском Ро  0,5  100 МПа, витримують нерухомо зону плавлення у рідкому стані при температурі Трс  11 17Тпл протягом рс  0,1  10,0 хв., , , . охолоджують заготовку в інтервалі мінімальних температур прямого мартенситного перетворення Т min  Mпmin  Mкmin зі швидкістю VT min  0,1 15 °С/сек., розплавляють втретє , заготовку шляхом переміщення зони плавлення Lзз  уздовж заготовки із швидкістю , , . Vзз  0,1 5,0 мм/хв. при температурі Тзп  12  15Тпл , охолоджують зону плавлення від UA 98171 C2 (12) UA 98171 C2 температури Т пл. із швидкістю кристалізації Vкк.  0,01 3,0 мм/хв. при градієнті температур Тград  0,1  0,9Тпл. , а після зазначених вище – гатрування, фіксації, витримки і усунення фіксації, заготовку додатково навантажують розтяжною або стискною силою у інтервалі температур Т min  Mпmin  Mкmin та термоциклують під навантаженням 3-50 циклів через інтервали робочих температур Т min T max . Винахід забезпечує широкий і безперервний інтервал робочих температур, підсищений ступінь пластичної і напруженої деформації. UA 98171 C2 5 10 Винахід належить до галузі металургії, зокрема до технології виробництва монокристалічних термочутливих градієнтних за концентрацією елементів на основі сплавів з пам'яттю форми, що мають широкий і безперервний інтервал робочих температур та підвищений ступінь пластичної і надпружної деформації вздовж головної осі, і може бути широко використаний у електроенергетиці, наприклад, як термокомпенсатори ліній електропередач, точному приладобудуванні при виготовленні термочутливих елементів для пускових, захисних, лінійних вимірювальних приладів автоматики, ущільнюючих силових термокомпенсаторів у кріогенних вузлах, що зазнають дії теплового розширення або стискання при нагріванні або охолодженні. Відомий спосіб виготовлення термочутливого елемента із сплаву системи мідь-алюміній (Cu-Al), що полягає у формуванні деталі з послідуючим гартуванням із області стабільної фази (авт. свід. СРСР №330359, МПК G01K11/00, 1968). Недоліком способу є те, що виготовлені за способом полікристалічні елементи мають нелінійну робочу характеристику "температура-деформація" T та низьку зворотну зворотна деформацію МкАк  0,15  0,20 % при зміні температур, а також обмежений інтервал робочих 15 Тр температур між температурами кінця прямого Мк і зворотного Ак мартенситних перетворень Ак  Мк , що не перевищує 70 °C для сплавів системи Cu-Al-Ni з пам'яттю форми. 20 Це зумовлено відсутністю в способі операцій, що формують в об'ємі виготовленого термочутливого елемента інші хімічно змінні системи (ХЗС), що можуть також проявляти ефекти пам'яті форми та відповідні робочі характеристики "температура-деформація" T і тим самим суттєво розширити інтервал робочих температур Tp . Виготовлені термочутливі зворотна елементи також мають малу зворотну деформацію Мк Ак  0,25  0,30 %. Під зворотною зворотна деформацією Мк Ак необхідно розуміти здатність виготовленого за способом елемента 25 самостійно деформуватися із вихідного положення при нагріванні вище температури початку зворотного Aп мартенситного перетворення і самостійно деформуватися у вихідне положення при охолодженні нижче температури початку прямого Мп мартенситного перетворення. Виготовлені за способом термочутливі елементи мають досить низьке значення максимальної ф фазової пластичної деформації  nмм    0,5 % при охолодженні в інтервал температур max прямого мартенситного перетворення Мп Мк . В свою чергу, низьке значення максимальної  ф фазової пластичної деформації  nмм    30 текучості  ф       при прямому max Мп Мк обумовлено високими напругами опору фазової мартенситному перетворенні (ПМП) в межах ф  35  40 МРа, що протидіють підвищенню фазової пластичності   ф   nмм   при прямому мартенситному перетворенні до величини пластичної деформації 0,5 %. Під границею фазової текучості  ф  слід розуміти граничну сукупність внутрішніх мікроскопічних реактивних напруг      35   R MnMк   micro   ф   nмм  max   сплаву з пам'яттю, що протидіють його максимальній пластичній деформації   при охолодженні в інтервал температур прямого Мп Мк мартенситного перетворення. Виготовлений за способом полікристалічний термочутливий елемент також має низьку початкову границю реактивних напруг проходження зворотного Aп  Aк  R  10  15 МРа, що ініціюються під час Ак мартенситного перетворення (ЗМП). Під границею реактивних напруг  R  слід розуміти граничну сукупність внутрішніх мікроскопічних напруг  Ак    40   R An Aк   micro    в сплаві з пам'яттю, що генеруються при нагріванні його в інтервал температур   зворотного Aп  Aк  мартенситного перетворення у зневоленому стані при примусовому обмеженні відновлювальної деформації геометричної форми  R!Ап  Ак  . В результаті дії    1  UA 98171 C2 5 зовнішніх навантажень у матеріалі елементів формується крупнозерниста структура, яка підсилює механічний опір пластичної течії матеріалу при прямому Мп Мк мартенситному перетворенні і сприяє підвищенню крихкості сплаву, що утворюється після гартування із області стабільної -фази. Окрім цього, із зростанням температури зворотного Aп  Aк  мартенситного перетворення вище Aк у під впливом зовнішніх знакозмінних напруг відбувається зростання   R An Aк  ,    розміру зерен, що веде до перерозподілу реактивних мікроскопічних напруг  micro  розтріскуванню і руйнуванню елемента у зневоленому стані під час спроби відновлення початкової форми. Причому найбільш крупні зерна у елементі утворюються після відносно незначної примусової деформації на 0,5  0,7 %. Ця деформація є критична для вказаного 10 15 20 елементу щодо набуття стабільної зміни внутрішніх реактивних напруг  R  при його,  Ак    наприклад, термоциклуванні через інтервали температур мартенситного перетворення. Низькі механічні властивості виготовленого за способом термочутливого елементу, наприклад, термокомпенсатора лінії електропередачі, суттєво погіршують якість виробленого елемента, який за відносно короткий час 40 C  1,2  3,0 год. в зневоленому стані при температурі 40 °C знижує на 20 25 % початкову границю реактивних напруг  Rn  при деформації розтягом, а  Ак    також знижує надійність довгострокового збереження заданого натягу дроту лінії електропередачі від його провисання. Із-за низьких термомеханічних властивостей термокомпенсатори мають низьку надійність роботи, що обумовлено розвитком у виготовленому елементі релаксаційних процесів під час роботи елемента у процесі циклування через інтервали прямого Мп Мк та зворотного Aп  Aк  мартенситних перетворень. Окрім зворотна цього, малий інтервал робочих температур Мк  Ак та мала зворотна деформація Мк Ак 25 30 35 звужують коло пристроїв, де можуть використовуватися такі елементи. Відомий спосіб виготовлення термочутливого градієнтного елемента із сплавів з пам'яттю форми на основі Ni-Ti, в якому відомими операціями обробки сплавів: металічним вакуумним напиленням, хімічним травленням та масопереносом при тліючому електричному розряді при відповідному вакуумному тиску із застосуванням газової очистки, в заготовці за допомогою сплавів з пам'яттю: Au-Cd, Fe-Mn-Si, Cu-Zn-Al або Cu-Ni-Al, виконаної у вигляді пластини, сформовано два структурних стани. Причому, завдяки означеним операціям за способом, в одному елементі формується, як мінімум, два поверхневих прошарки: один - мартенситний, а другий - аустенітний. Завдяки різним структурним градієнтним станам, як мінімум, виготовляється один лінійний елемент, що здатний до прояву двостороннього ефекту пам'яті форми (заявка США: „Shape memory device having two-way cyclical shape memory effect due to compositional gradient and method of manufacture" №2004191556, C22C30/00; C22F1/00; C23C14/14; C23C14/35; C23C14/56; Publication date: 2004-09-30, Inventor: JARDINE PETER A (US)). Недолікомспособу є те, що виготовлені за способом полікристалічні елементи мають нелінійну робочу характеристику "температура-деформація" T та невелику зворотну зворотна деформацію Мк Ак  0,35  0,40 %, а також обмежений інтервал робочих температур між температурами кінця прямого Мк і зворотного Ак мартенситних перетворень Ак  Мк 40 при охолодженні в інтервал ф перетворення Мп Мк . Низьке значення  nмм    50 , що не перевищує 60 °C для сплавів систем: Ni-Ti та Au-Cd, Fe-Mn-Si, Cu-Zn-Al, Cu-Ni-Al з пам'яттю форми. Це зв'язано з відносно малим значенням максимальної фазової пластичної деформації  ф   0,8 %  nмм  max 45 роб. max температур прямого мартенситного зумовлено високим механічним опором пов'язаних між собою прошарків на виготовленому елементі на основі Ni-Ti з пам'яттю: Au-Cd, Fe-Mn-Si, Cu-Zn-Al, Cu-Ni-Al, виконаного у вигляді пластини, де сформовано два структурних стани "аустеніт-мартенсит" - аналогічно термобіметалу. Відомо, що дія термобіметалів заснована різності коефіцієнтів теплового розширення (КТР), жорстко пов'язаних між собою активного і пасивного прошарків. Але у способі використовується сплав, що має приблизно один і той же хімічний склад і невелику різність коефіцієнтів теплового розширення, що зумовлює прояв незначної зворотної деформації виготовленого елемента, а саме, деформацію 2 UA 98171 C2 одного із прошарків "аустеніт-мартенсит" при прямому мартенситному перетворенні. Виготовлений за способом полікристалічний термочутливий елемент також має низьку 5 10 15 20 25 початкову границю реактивних напруг R  15  20 МРа, що ініціюються під час проходження Ак зворотного Aп  Aк  мартенситного перетворення. Низькі механічні властивості виготовленого за способом полікристалічного термочутливого елементу, зв'язані з механічним опором аустенітної складової, що суттєво погіршують якість виробленого елемента. Із-за низьких термомеханічних властивостей виготовлені за способом елементи мають низьку надійність роботи, що обумовлено розвитком у виготовленому елементі релаксаційних процесів після кількох робочих циклів через інтервали прямого Мп Мк та зворотного Aп  Aк  мартенситних перетворень у процесі роботи елемента. Окрім цього, малий інтервал робочих температур Tp  Мк  Ак , що не перевищує 60 °C, звужує коло пристроїв, де можуть використовуватися виготовлені елементи. Найбільш близьким за технічною суттю та результатом, що досягається, щодо запропонованого способу є спосіб виготовлення термочутливих градієнтних елементів із сплавів з пам'яттю форми, який включає плавлення сплаву з пам'яттю форми при температурі плавлення Tпп. під об'ємним тиском Ро , гартування із -області, деформацію у напрямку зміни форми елемента при охолодженні при температурі, що знаходиться у інтервалі від точки початку Мп до точки кінця Мк  прямого мартенситного перетворення Мп Мк , фіксацію геометричної форми, нагрів до температури відпалу Тв  350  600 °С. При цьому плавлення сплаву ведуть складовими частинами, щонайменше у двох окремо ізольованих об'ємах, з інтервалами критичних температур мартенситного перетворення (ІКТМП): Мп1  Мк1, Ап1  Ак1;Мп2  Мк2, Ап2  Ак2;Мпn  Мкn, Aпn  Aкn , де n - порядковий номер складової частини), що відрізняються між собою за хімічним складом та положенням інтервалами критичних температур мартенситного перетворення: Мп1  Мк1, Ап1  Ак1;  Мп2  Мк2, Ап2  Ак2 ;  Мпn  Mкn, Aпn  Aкn  , на складові частини Po  0,01 500 Па при температурі кожної складової частини Tсс  13  15Тпл , кожну складову частину , , . почергово зливають заданими масовими порціями m1n у результуючий об'єм із швидкістю V1n  0,0001 10 м/с при температурі результуючого об'єму Tp  14  16Тпл , сформовану у , , , . 30 35 результуючому об'ємі суцільну заготовку, що складається із послідовних безперервних складових частин з різним положенням інтервалами критичних температур мартенситного перетворення, охолоджують із швидкістю Vоо  0,1 0,8 °С/сек. в інтервал температур Мп1  Мк1 , надають необхідну робочу форму заготовці, наприклад, у вигляді циліндричної спіральної пружини, при температурі Тф  0,6  0,9Тпл , після вище вказаного гартування проводять . нормалізацію при температурі Тн  0,4  0,6Тпл з наступним охолодженням на повітрі до . кімнатної температури Т к , кожну ланку заготовки піддають деформації 1n в межах   1n  0,01 10,0 %, починаючи із ланки з мінімальним значенням інтервалами критичних температур мартенситного перетворення: T min  Мп1  Мк1, Aп1  Ак1 ; і, завершуючи, ланкою з максимальним значенням інтервалами критичних температур мартенситного перетворення: T max  Мпn  Мкn, Aпn  Акn - при температурі в інтервалі Мп1n  Мк1n , причому після 40 вказаної фіксації геометричної форми нагрівають до температури відпалу Тв  11 17Aкn , , , витримують при цій температурі протягом в  1,0  10,0 хв., а після охолодження в інтервал температур Мп1  Мк1 усувають фіксацію і проводять стабілізуючий відпал 45 Tсс протягом св  0,01 10 хв. при температурі Тсв  17  2,0Aкn (Деклараційний патент України на корисну , , модель: "Спосіб виготовлення термочутливих градієнтних елементів із сплавів з пам'яттю форми" №8529, МПК C22F1/00, 2005р.). Недоліком способу - найближчого аналогу - є те, що виготовлені за способом полікристалічні елементи складаються з кількох 2  5 нелінійно та дискретно сформованих в одному уздовжньому напрямку Nхзс хімічно змінних систем, що проявляють ефекти пам'яті форми та відповідні нелінійні робочі характеристики "температура-деформація" Т та мають 50 зворотна , невелику зворотну деформацію МкАк  125  130 %. Це зумовлено тим, що операцію , плавлення сплаву ведуть складовими дискретними частинами, що найменше у двох окремо 3 UA 98171 C2 5 10 15 ізольованих об'ємах, з інтервалами критичних температур мартенситного перетворення: Мп1  Мк1, Ап1  Ак1;Мп2  Мк2, Ап2  Ак2;Мпn  Мкn, Aпn  Aкn , де n - порядковий номер складової частини), що відрізняються між собою за хімічним складом та положенням інтервалів критичних температур мартенситного перетворення: Мп1  Мк1, Ап1  Ак1;  Мп2  Мк2, Ап2  Ак2 ;  Мпn  Mкn, Aпn  Aкn  . Різні положення інтервалів критичних температур мартенситного перетворення формують у термочутливому елементі заготовки дискретні термочутливі складові, що відтворюють властивості в одному напрямку. Формування у результуючому об'ємі суцільної заготовки, що складається із послідовних складових частин з різним положенням інтервалів критичних температур мартенситного перетворення і наступне охолодження із швидкістю Vоо  0,1 0,8 °С/сек. в інтервал температур Мп1  Мк1 , створює при зливі розплаву у результуючий об'єм неоднорідні хімічні зони та дефекти у вигляді непроплавів на межі контакту складових частин розплаву. Деформація   кожної ланки заготовки в межах 0,01-10,0 %, починаючи із ланки з мінімальним значенням інтервалів критичних температур мартенситного перетворення: T min  Мп1  Мк1, Aп1  Ак1 ; і, завершуючи, ланкою з максимальним значенням інтервалів критичних температур мартенситного перетворення: T max  Мпn  Мкn, Aпn  Акn - при температурі в інтервалі Мп1n  Мк1n приводить до зниження міцності з'єднання між складовими елемента, руйнування та спотворення робочої характеристики „температура-деформація" Т , зниження максимальної ф фазової пластичної деформації  nмм    20 прямого Мп Мк max  1,2 % при охолодженні в інтервал температур мартенситного перетворення. Низьке значення максимальної фазової ф пластичної деформації  nмм    max зумовлене неоднорідним хімічним станом заготовки після неконтрольованого процесу зливу кожної складової і утворенням між складовими елемента крихких областей, що утворюють окисні включення. Виготовлений за способом полікристалічний 25 30 термочутливий елемент також має низьку початкову границю реактивних напруг R  30  35 Ак МРа, що ініціюються під час проходження зворотного Aп  Aк  мартенситного перетворення. Проведення операції, пов'язану з об'ємним тиском Ро на складові частини Ро  0,01 500 МРа при температурі кожної складової частини Tсс  13  15Тпл , викликає появу у складових , , . заготовки мережі тріщин, в результаті чого виготовлений елемент руйнується. Окрім цього, із зростанням температури зворотного Aп  Aк  мартенситного перетворення вище Aк у під впливом зовнішнього навантаження відбувається збільшення розміру зерен, що веде до   R An Aк   , розтріскуванню і руйнуванню    перерозподілу реактивних мікроскопічних напруг  micro  елемента у зневоленому стані під час спроб відновлення початкової форми. Причому найбільш крупні зерна у елементі утворюються після відносно незначної попередньої деформації на 0,5  0,7 %. Ця деформація є критична для вказаного елементу щодо набуття елементом 35 40 45 стабільної зміни внутрішніх реактивних напруг  R  при його, наприклад, термоциклуванні  Ак    через інтервали температур мартенситних перетворень. Низькі механічні властивості виготовленого за способом термочутливого елементу, наприклад, термокомпенсатора лінії електропередачі, суттєво погіршують якість виробленого елемента, який за відносно короткий час 60 C  2,5  3,0 год. в зневоленому стані при температурі 50 °C знижує на 20 25 % початкову границю реактивних напруг  Rn  при деформації розтягом, а також знижує  Ак    надійність довгострокового збереження заданого натягу дроту лінії електропередачі від його провисання. Із-за низьких термомеханічних властивостей термокомпенсатори мають низьку надійність роботи, що обумовлено розвитком у виготовленому елементі релаксаційних процесів під час технологічного циклування через інтервали прямого Мп Мк та зворотного Aп  Aк  мартенситних перетворень у процесі роботи термокомпенсатора. Окрім цього, складність способу виготовлення елементів, малий інтервал робочих температур Tp  Мк  Ак кожної складової, що не перевищує 60 °C, звужує коло пристроїв де можуть використовуватися такі елементи. 4 UA 98171 C2 5 В основу винаходу поставлена задача удосконалення способу виготовлення термочутливих градієнтних елементів із сплавів з пам'яттю форми шляхом створення в одному, окремо взятому і фізично визначеному статичному об'ємі термочутливого елемента монокристалічної структури із заданим хімічно нерівноважним градієнтним станом, що складається з Nхзс - числа сформованих в різних напрямках хімічно змінних систем, що проявляють ефекти пам'яті форми та відповідні лінійні робочі характеристики "температура-деформація" Т , а також введення у спосіб операцій, що суттєво збільшують: зворотну деформацію  зворотна   Мк  Ак    при зміні температури Т  , початкову границю реактивних напруг  R  при нагріванні вище температури  Ак    початку зворотного Ап мартенситного перетворення та фазову пластичність при деформації 10 15  ф  нижче температури початку прямого Мп мартенситного перетворення.  nмм   Поставлена задача досягається тим, що у відомому способі виготовлення термочутливих градієнтних елементів із сплавів з пам'яттю форми, що включає перше плавлення сплаву з пам'яттю форми при температурі плавлення Т пл. під об'ємним тиском Ро , надання заданої робочої форми заготовці, наприклад, у вигляді дроту, при температурі Тф  0,6  0,9Тпл , . гартування із -області, деформацію у напрямку зміни форми елемента при охолодженні при температурі в інтервалі від точки початку Мп до точки кінця Мк  прямого мартенситного перетворення Мп Мк , фіксацію форми після деформації   в межах 0,01-10,0 % при температурах T min  Мпmin  Мкmin та T max  Мпmax  Мкmax , витримку при цій температурі протягом 20 хв., усунення фіксації форми в інтервалі температур в  10  10,0 , T min  Мпmin  Мкmin , згідно з винаходом, після надання заданої робочої форми заготовці на її поверхні жорстко закріпляють легуючий(і) хімічний(і) матеріал(и), наприклад, із ряду хімічних елементів 3, 4, 5, 6 груп періодичної таблиці Менделєєва, із змінною заданою масою mлхе  по 25 довжині заготовки Lз , наприклад, шляхом напилення, нагрівають заготовку з легуючим хімічним(и) елементом(ами) до температури Тзлм  1,1 1,7Тпл. у середовищі газової композиції на основі нейтрального газу під об'ємним тиском Ро  0,5  100 МПа, наприклад, гелію у зваженому стані, витримують нерухомо зону плавлення у рідкому стані при температурі Трс  11 17Тпл протягом рс  0,1  10,0 хв., охолоджують заготовку в інтервал мінімальних , , . температур 30 35 40 45 50 прямого мартенситного перетворення T min  Мпmin  Мкmin із швидкістю VT min  0,1 15 °С/сек., розплавляють втретє заготовку шляхом переміщення зони плавлення , уздовж заготовки із швидкістю Vзз  0,1 5,0 мм/хв. при температурі Тзп  12  15Тпл , , , . Т пл. охолоджують зону плавлення від температури із швидкістю кристалізації Vкк.  0,01 3,0 мм/хв. при градієнті температур Тград  0,1  0,9Тпл. , а після гартування, фіксації, Lзз  витримки і усунення фіксації, заготовку додатково навантажують розтягуючою або стягуючою силою у інтервалі температур T min  Мпmin  Мкmin та термоциклують під навантаженням 3-50 циклів через інтервали робочих температур Т min T max . Операція жорсткого закріплення на поверхнях заготовки легуючого(их) хімічного(их) елементу(ів), наприклад хімічних елементів 3, 4, 5, 6 груп періодичного закону Д. И. Менделєєва, із змінною заданою масою mлхе  по довжині заготовки Lз , наприклад, шляхом напилення, необхідна для фіксації та хімічного приєднання до основної маси заготовки із змінною заданою масою mлм  по довжині заготовки Lз легуючих хімічних елементів (металів та сплавів), що повинні при наступних операціях, а саме при переміщенні зони плавлення заготовки, хімічно увійти в склад рідкого розчину заготовки у зоні її рідкого стану. Це забезпечує задану зміну характеристичних температур мартенситних перетворень в об'ємі заготовки в залежності від впливу часу дії температури та тиску на легуючий(і) хімічний(і) елемент(и), наприклад, із ряду хімічних елементів 3, 4, 5, 6 груп періодичного закону Д. И. Менделєєва, а саме: алюміній (Аl), магній (Mg), кремній (Si), натрій (Na), скандій (Sc), титан (Ті), ванадій (V), марганець (Мn), хром (Сr), залізо (Fe), кобальт (Co), нікель (Ni), мідь (Сu), цинк (Zn), галій (Ga), германій (Ge), ітрій (Y), цирконій (Zr), ніобій (Nb), молібден (Мо), срібло (Ag), кадмій (Cd), індій (In), олово (Sn), технецій (Те), гафній (Hf), тантал (Та), вольфрам (W), реній (Re), осмій (Os), паладій (Pd), платина (Pt), іридій (Ir), золото (Аu), свинець (Рb), талій (Тl), вісмут (Ві) та інші. 5 UA 98171 C2 5 10 15 20 Нагрівання заготовки з жорстко закріпленими на поверхнях заготовки легуючим(-ими) хімічним(и) елементом(ами) до температури Тзлм  1,1 1,7Тпл. у середовищі газової композиції на основі нейтрального газу під об'ємним тиском Ро  0,5  100 МПа, наприклад, гелію у зваженому стані, забезпечує взаємне сполучення та однорідне розчинення на дільниці плавлення легуючого(их) хімічного(их) елементу(ів) без утворення в зоні розчинення окисних включень, із заданим розподілом змінної по величині масою mлхе  по довжині заготовки Lз легуючого(их) хімічного(их) елемента (або металів та сплавів). Нагрівання заготовки з легуючим(ми) хімічним(и) елементом(ами) нижче температури Тзлм  1,1Тпл. не забезпечує однорідне розчинення на дільниці плавлення легуючого(их) хімічного(их) елемента(ів), а вище температури Тзлхе  17Тпл приводить до критичного розширення зони плавлення Lзз  , що , . веде до спотворення характеристичних температур. Об'ємний тиск в межах Ро  0,5  100 МПа газової композиції на основі нейтрального газу забезпечує необхідне ущільнення і хімічне очищення рідкої фази в процесі плавлення та кристалізації. Об'ємний тиск менше Ро  0,5 МПа викликає мікророзриви в тілі заготовки, що зумовлює виникнення мережі тріщин при подальшому виготовленні елемента. Об'ємний тиск більше Ро  100 МПа приводить до радіального звуження зони плавлення Lзз  заготовки, що порушує геометрію заготовки. Нерухома витримка зони плавлення у рідкому стані при температурі Трс  11 17Тпл , , . протягом часу рс  0,1  3,0 хв. необхідна для стабілізації заданого хімічного стану в зоні плавлення перед процесом кристалізації. Витримка нерухомо зони плавлення у рідкому стані при температурі менше Тpc  11Тпл протягом часу менше рс  0,1 хв. не стабілізує розплав в , . зоні плавлення перед кристалізацією, а більше рс  3,0 хв. викликає критичне розширення зони 25 30 35 40 45 плавлення і спотворення хімічного стану в цій зоні. Охолодження заготовки в інтервал температур мінімальних температур прямого мартенситного перетворення Т min  Mпmin  Mкmin із швидкістю VT min  0,1 15 °С/сек. , забезпечує оптимальний час для фіксації складних перманентних фазових перетворень у об'ємі заготовки аж до мінімальних їх значень інтервалу температур прямого мартенситного перетворення Т min  Mпmin  Mкmin , при якому скасовується утворення дефектів в текстурі, наприклад, мікротріщин, що можуть виникати в складному напруженому стані заготовки в процесі проходження відповідних перманентних мартенситних перетворень. При швидкості охолодження заготовки в інтервал температур прямого мартенситного перетворення Т min  Mпmin  Mкmin менше за VT min  0,1 °С/сек. спотворюється геометрична форма заготовки, що пов'язано з утворенням мікрообластей із аномально пружнім станом, а при швидкості більше VT min  15 °С/сек. в тілі заготовки формується мережа мікротріщин. , Повторне розплавлення заготовки шляхом переміщення зони плавлення Lзз  уздовж заготовки із швидкістю Vзз  0,1 5,0 мм/хв. при температурі Тзп  12  15Тпл і охолодження зони , , . плавлення від температури Т пл. із швидкістю кристалізації Vкк.  0,01 3,0 мм/хв. при градієнті температур Тград  0,1  0,9Тпл. забезпечує отримання монокристалічної структури заготовки у зоні плавлення. Розплавлення заготовки шляхом переміщення зони плавлення Lзз  уздовж заготовки із швидкістю менше Vзз  0,1 мм/хв. при температурі нижче Тзп  12Тпл і охолодження , . Т пл. із швидкістю кристалізації менше Vкк.  0,01 мм/хв. при зони плавлення від температури градієнті температур нижче Тград  0,1Тпл. не забезпечує отримання монокристалічної структури заготовки, а більше вказаних меж, відповідно: Vзз  5,0 мм/хв. при температурі Тград  0,9Тпл. , при градієнті температур формується Тзп  15Тпл , , . Vкк.  3,0 мм/хв. крупнозерниста полікристалічна структура. Навантаження заготовки розтягуючою (або стягуючою) силою у інтервалі температур Т min  Mпmin  Mкmin та термоциклування під навантаженням 3-50 циклів через інтервали робочих температур Т min T max стабілізує самостійну зворотну деформацію термочутливого елемента при охолоджені в інтервал температур Mпmin  Mкmin та наступному нагріванні в інтервал температур Aпmax  Aкmax . Навантаження заготовки розтягуючою або стягуючою 50 силою за межами інтервалу температур Т min  Mпmin  Mкmin та термоциклування під навантаженням менше 3 циклів через інтервали робочих температур не стабілізує зворотну 6 UA 98171 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 деформацію термочутливого елемента при охолоджені в інтервал температур Mпmin  Mкmin та наступному нагріванні в інтервал температур Aпmax  Aкmax , а більше 50 циклів не викликає подальше помітне збільшення самостійної зворотної деформації термочутливого елемента при охолоджені. Із науково-технічної і патентної літератури невідомі технічні рішення, в яких введені у спосіб операції змогли забезпечити створення в одному, окремо взятому і фізично визначеному монокристалічному об'ємі термочутливого елемента, хімічно сформований відповідним чином нерівноважний стан, що складається з N-числа хімічно сформованих в різних напрямках хімічно змінних систем, що проявляють ефекти пам'яті форми та демонструють відповідні фізичні властивості Nхзс  , а також мають задані лінійні робочі характеристики за рахунок введення у спосіб операцій, що формують у об'ємі заготовки хімічний градієнтний стан. Введення у спосіб операцій, які повинні забезпечити перманентні мартенситні перетворення в заданих напрямках, також повинні забезпечити виготовлення монокристалічних градієнтних елементів не тільки в сплавах системи Сu-Аl-Ni, а і в аналогічних підсистемах, наприклад, Cu-Zn-Al, Ni-Ti та ін. Виготовлений за способом монокристалічний градієнтний елемент, наприклад, у вигляді дроту, повинен самостійно змінювати геометричну форму (деформація стисканням або розтягом) при нагріванні в інтервалі температур зворотного Aп  Aк  мартенситного перетворення і самостійно відтворювати її при охолодженні у інтервалі температур. Із цього можна зробити висновок, що запропоноване технічне рішення відповідає критеріям: "новизна" та "винахідницький рівень". Для зручності пояснення операцій за способом, а також функціональних можливостей виготовленого елемента на Фіг.1, 2, 3 ілюструються основні етапи виготовлення термочутливого елемента. На Фіг.1 ілюструється циліндрична заготовка. На Фіг.2 ілюструється геометрична форма легуючого хімічного елемента, наприклад, алюмінію (Аl), виконаного із фольги у формі трапеції. На Фіг.3 ілюструється нероз'ємне з'єднання циліндричної заготовки 1 з легуючим хімічним елементом із фольги, виконаної у вигляді трапеції 2. На Фіг.4 ілюструється початковий етап формування зони плавлення 3 заготовці 1 з легуючим хімічним елементом в одному вертикальному напрямку Nхзс  1 , виконаним із фольги у вигляді трапеції 2, що розміщена у термостійкому контейнері 4 і нагрівається за допомогою витка 5 високочастотного індуктора. На Фіг.5 ілюструється середній етап проходження зони плавлення 3 уздовж проплавленої заготовки з легуючим хімічним елементом 6. На Фіг.6 ілюструється заключний етап проходження проплавленої зони на заготовці з одним легуючим хімічним елементом в одному вертикальному напрямку Nхзс  1 . На Фіг.7 ілюструється, виготовлений за способом монокристалічний термочутливий елемент на основі сплаву з пам'яттю форми Сu-11,314,5 %, Al-3,0 %, Ni, з одним градієнтним станом по його змінній довжині L 200C при температурі +200 °C, в залежності від концентрації легуючого елемента - Аl по його вихідній довжині L200C при температурі -200 °C. На Фіг.8 ілюструється, виготовлений за способом монокристалічний термочутливий елемент на основі сплаву з пам'яттю форми Cu-11,314,5 %, Al-3,0 %, Ni, з одним градієнтним станом по його змінній довжині L 200C при температурі +200 °C, в залежності від концентрації легуючого елемента Аl. На Фіг.9 ілюструється залежність "деформація-температура", виготовленого за способом термочутливого елемента, що деформується стисканням при нагріванні від -200 до +200 °C на зворотна 4,5 % в одному напрямку Nхзс  1 . Від'ємний знак показує, що деформація  Мк  Ак  при    50 55  нагріванні термочутливого елемента відбувається стисканням. На Фіг.10 ілюструється нероз'ємне з'єднання циліндричної заготовки з 2-ма легуючими хімічними елементами, що встановлені в двох зустрічних вертикальних напрямках Nхзс  2 , виконаних у вигляді зустрічних конусів. На Фіг.11 ілюструється виготовлений за способом монокристалічний термочутливий елемент на основі сплаву з пам'яттю форми з відповідними двома хімічними градієнтними станами в двох протилежних напрямках Nхзс  2 . На Фіг.12 ілюструється залежність зміни температури кінця зворотного Aк  мартенситного перетворення від температури в виготовленому термочутливому елементі. 7 UA 98171 C2 5 10 15 20 25 На Фіг.13 ілюструється заготовка на основі сплаву з пам'яттю форми Cu-11,3 %, Al-3,0 %, Ni з 4 конічними легуючими хімічними елементами із алюмінію (Аl) в різних напрямках Nхзс , що жорстко закріплені на циліндричній поверхні заготовки. На Фіг.14 ілюструється, виготовлений за способом монокристалічний термочутливий елемент на основі сплаву з пам'яттю форми Сu-11,314,5 %, Al-3,0 %, Ni, з 4 градієнтними станами, що змінюються в залежності від концентрації легуючого елемента Аl. На Фіг.15 ілюструється залежність "мартенситне перетворення-температура", виготовленого за способом термочутливого елемента. На Фіг.16 ілюструється заготовка на основі сплаву з пам'яттю форми Cu-11,3 %, Al-3,0 %, Ni з двома зустрічними конічними легуючими хімічними елементами у двох напрямках Nхзс  2 - із алюмінію, що жорстко встановлені в відповідні внутрішні отвори заготовки. На Фіг.17 ілюструється виготовлений монокристал з двома зустрічними хімічними напрямками Nхзс  2 - із алюмінію, що має відповідний розподіл критичної температури кінця зворотного Aк  мартенситного перетворення у зустрічних напрямках - Фіг.18. Приклад № 1 виготовлення монокристалічного термочутливого градієнтного елемента із сплаву з пам'яттю форми системи Сu-11,3 %, Аl-3,0 %, Ni (ваг. %). 1. Виплавляють базовий склад сплаву з пам'яттю форми системи Cu-11,3 %, Al-3,0 %, Ni (ваг. %) в індукційній печі при температурі плавлення Тпл.=1100 °C у атмосфері хімічно чистого аргону. Відповідні концентрації складових (мас. %) та їх критичні температури мартенситного перетворення наведені у таблиці 1. 2. Методом гарячого пресування надають циліндричну робочу форму заготовці при температурі Тф=0,6 Тпл. 3. Методом лазерної зварки кріплять жорстко на поверхні циліндричної заготовки легуючий хімічний елемент, наприклад, алюміній (Аl) у вигляді вирізаної з алюмінієвої фольги трапеції із змінною заданою масою ( mлхе = від 0,1 до 3,2 % Аl) по довжині заготовки Lз . 4. Нагрівають заготовку з легуючим алюмінієм (Аl) із змінною заданою масою ( mлхе =від 30 0,1 до 3,2 % Аl) по довжині заготовки Lз до температури Тзлхе  11Тпл у середовищі газової , . композиції на основі нейтрального газу під об'ємним тиском Ро  0,5 МПа, наприклад, гелію у зваженому стані. 5. Витримують нерухомо зону плавлення у рідкому стані при температурі Трс  11Тпл , . протягом рс  0,1 хв. 6. Охолоджують заготовку в інтервал температур мінімальних температур прямого мартенситного перетворення Т min  Mпmin  Mкmin із швидкістю VT min  0,1 °С/сек. 35 40 45 50 7. Повторно розплавляють заготовку шляхом переміщення зони плавлення Lзз  уздовж заготовки із швидкістю Vзз  0,1 мм/хв. при температурі Тзп  12Тпл і охолоджують зону , . плавлення від температури Т пл. із швидкістю кристалізації Vкк.  0,01 мм/хв. при градієнті температур Тград  0,1Тпл. 8. Після вище вказаних: гартування, фіксації, витримки і усунення фіксації, навантажують заготовку розтягуючою силою у інтервалі температур Т min  Mпmin  Mкmin , термоциклують під навантаженням 3 циклів через інтервали робочих температур Т min T max . 9. Реєструють самостійну зворотну деформацію термочутливого елемента при охолоджені у рідкому азоті (-196 °C) та при нагріванні до температури +200 °C (табл. 1, табл. 2). Приклад № 2 виготовлення монокристалічного термочутливого градієнтного елемента із сплаву з пам'яттю форми системи Ni-44,3 %, Ti-0,3 %, Fe (ваг. %). 1. Виплавляють базовий склад сплаву з пам'яттю форми системи Ni-44,3 %, Ti-0,3 %, Fe (ваг. %) в індукційній печі при температурі плавлення Тпл.=1400 °C у атмосфері хімічно чистого аргону. Відповідні концентрації складових (мас. %) та їх критичні температури мартенситного перетворення наведені у таблиці 2. 2. Методом гарячого пресування заготовці надають циліндричну робочу форму при температурі Тф=0,9 Тпл. Методом металічного напилення наносять на поверхню циліндричної заготовки легуючий хімічний елемент - кобальт (Co). Площа напилення Co має вигляд трикутника із змінною заданою масою ( mлхе =від 0,1 до 1,5 % Со) по довжині заготовки Lз. 4. Нагрівають заготовку з напиленим на її поверхню легуючим кобальтом (Co) із змінною заданою масою ( mлхе = від 0,1 до 1,5 % Со) по довжині заготовки Lз до температури 8 UA 98171 C2 Тзлхе  17Тпл у середовищі газової композиції на основі нейтрального газу під об'ємним тиском , . Ро  100 МПа, наприклад, гелію у зваженому стані. 5. Витримують нерухомо зону плавлення у рідкому стані при температурі Трс  17Тпл , . протягом рс  10,0 хв. 5 10 15 20 6. Охолоджують заготовку в інтервал температур мінімальних температур прямого мартенситного перетворення Т min  Mпmin  Mкmin із швидкістю VT min  1,5 °С/сек. 7. Повторно розплавляють заготовку шляхом переміщення зони плавлення Lзз  уздовж заготовки із швидкістю Vзз  5,0 мм/хв. при температурі Тзп  15Тпл і охолоджують зону , . плавлення від температури Т пл. із швидкістю кристалізації Vкк.  3,0 мм/хв. при градієнті температур Тград  0,9Тпл. 8. Після вказаних: гартування, фіксації, витримки і усунення фіксації, навантажують заготовку розтягуючою силою у інтервалі температур Т min  Mпmin  Mкmin , термоциклують під навантаженням 50 циклів через інтервали робочих температур Т min T max . 9. Реєструють самостійну зворотну деформацію термочутливого елемента при охолоджені у рідкому азоті (-196 °C) та нагріванні до температури +100 °C (табл. 3, табл. 4). Інші приклади виготовлення термочутливого елементу зведені у табл. 5 і табл. 6. Порівняльний аналіз запропонованого способу і способу-прототипу свідчить, що введення нових технологічних операцій дозволяє одержати якісно новий термочутливий елемент, у якому виготовлені за способом монокристалічні елементи складаються більше ніж з 4 сформованих в різних напрямках Nхзс хімічно змінних систем, що проявляють ефект пам'яті форми та відповідні лінійні робочі характеристики "температура-деформація" T . Спосіб збільшує зворотна більше ніж в 3 рази зворотну деформацію МкАк  3,5  4,5 % при зміні температури T  в інтервалі робочих температур Tp  196  200C  400C , в 5 раз підвищує границю реактивних напруг 25 r  170  220 МРа Aк 35 Aп мартенситного перетворення та в 6 раз підвищує максимальну фазову пластичність при деформації 30 при нагріванні вище температури початку зворотного  ф   7,2 % нижче температури початку прямого  nмм    max Mп мартенситного перетворення. Це значно розширює технологічні та функціональні можливості виготовлених термочутливих елементів та спрощує виготовлення термочутливого елемента. Використання виготовленого елемента як компенсатора температури дозволяє лінійно компенсувати температуру у інтервалі від -196 °C до +400 °C, що 6-10 раз перевищує можливості елементів, виготовлених за способом-прототипом. Запропонований спосіб може бути відтворений на металургійних підприємствах України при виробництві термочутливих градієнтних елементів, що проявляють ефект пам'яті форми. Для промислового використання способу не вимагається використання складного металургійного обладнання. Достатньо на існуючих ділянках прецизійного лиття передбачити виготовлення та установку додаткової графітової оснастки для формування градієнтних заготовок, а також передбачити нескладне термічне обладнання та відповідну оснастку для термомеханічної обробки розглянутих за способом операцій. Таблиця 1 № спл. 1 Хімічний склад (мас. %) Ni 3,0 Al 11,3 Cu основа Інтервал температур Критичні температури мартенситних перетворень (°С) деформації, Тр , °C Мп Мк Ап Ак +160 +130 +170 +200 70 9 UA 98171 C2 Таблиця 2 Інтервал температур Критичні температури мартенситних перетворень (°С) деформації, Тр , °C Мп Мк Ап Ак Хімічний склад (мас. %) № спл. Ni 1 3,0 2 3,0 Al Сu легуючий Аl 11, 3 основа +160 +130 +170 +200 11, 3 основа mлхе =від 0,1 до 3,2 %Аl -170 -196 +170… …+200 70 400 Таблиця 3 № спл. 1 Критичні температури мартенситних перетворень (°С) Ni Мп Мк Ап Ак основа +60 +30 +70 +100 Хімічний склад (мас. %) Ті 44,3 Fe 0,3 Інтервал температур деформації, Тр , °C 70 Таблиця 4 Хімічний склад (мас. %) № спл. 1 Ті 44,3 Fe 0,3 Ni основа 2 44,3 0,3 основа Легуючий Co mлхе =від 0,1 до 1,5 % Со Критичні температури мартенситних перетворень (°С) Мп Мк Ап Ак +60 +30 +70 + 100 Інтервал температур деформації, Тр , °C 70 -170… …-196 +70… …+100 300 Таблиця 5 Oсновні параметри до операцій способа виготовлення: базовий сплав Cu-11,3 %, Al-3,0 %, Ni (ваг. %) +Аl № ТЗП VКР Тград Ц Результат Т mлхе Тзлхе Ро Tpc рс Тmin VT min VЗП Ч алюміній Е мас. % °С МРа °С хв. °С °С/сек. мм/хв. °С мм/хв. °С циклів оцінка 1 0 1200 0,4 1200 0,1 20 0,1 0,1 1300 0,1 110 2 незад. 2 0,1 1210 0,5 1210 0,2 25 0,2 0.2 1320 0,2 240 3 задовіль. 3 0,5 1290 12,0 1290 1,2 30 0,4 0,8 1360 0,5 350 10 задовіль. 4 0,9 1370 25 1370 2,4 35 0,6 1,4 1400 0,9 440 15 задовіль. 5 1,1 1450 38 1450 3,6 40 0,8 2,0 1450 1,1 530 20 задовіль. 6 1,2 154040 1540 4,5 45 0,9 2,6 1490 1,2 620 25 задовіль. 7 1,6 1590 52 1590 5,5 50 1,0 3,2 1530 1,6 700 30 задовіль. 8 2,0 1640 64 1640 6,7 55 1,1 3,8 1570 2,0 790 35 задовіль. 9 2,4 1710 76 1710 7,8 60 1,2 4,4 1600 2,4 800 40 задовіль. 10 2,8 1790 88 1790 8,8 75 1,3 4,7 1620 2,8 895 45 задовіль. 11 3,2 1870 100 1870 10,0 80 1,5 5,0 1650 3,0 990 50 задовіль. 12 3,3 1980 110 1980 10,5 85 1,8 5,5 1700 3,2 1000 55 незад. 10 UA 98171 C2 Таблиця 6 Oсновні параметри до операцій способа виготовлення: базовий сплав Ni-44,3 %, Ti-0,3 %, Fe (ваг. %) № +Со РезульТ mлхе Тзлхе Ро Tpc рс Тmin VTmin VЗП ТЗП VКР Тград Ц тат Ч кобальт Е мас. % °С МРа °С хв. °С °С/сек. мм/хв. °С мм/хв. °С циклів оцінка 13 0 2390 0,4 2390 0,1 20 0,1 0,1 1690 0,1 270 2 незад. 14 0,1 2380 0,5 2380 0,2 25 0,2 0.2 1680 0,2 280 3 задовіль. 15 0,2 2270 12,0 2270 1,2 30 0,4 0,8 1700 0,5 300 10 задовіль. 16 0,3 2180 25 2180 2,4 35 0,6 1,4 1750 0,9 420 15 задовіль. 17 0,4 2070 30 2070 3,6 40 0,8 2,0 1800 1,1 540 20 задовіль. 18 0,5 1970 40 1970 4,5 45 0,9 2,6 1850 1,2 660 25 задовіль. 19 0,7 1850 50 1850 5,5 50 1,0 3,2 1900 1,6 780 30 задовіль. 20 0,9 1750 60 1750 6,7 55 1,1 3,8 1950 2,0 900 35 задовіль. 21 1,1 1650 75 1650 7,8 60 1,2 4,4 2000 2,4 1020 40 задовіль. 22 1,3 1550 85 1550 8,8 75 1,3 4,7 2050 2,8 1140 45 задовіль. 23 1,5 1540 100 1540 10,0 80 1,5 5,0 2100 3,0 1260 50 задовіль. 24 1,6 1530 110 1530 10,5 85 1,8 5,5 1700 3,2 1280 55 незад. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 5 10 15 20 Спосіб виготовлення термочутливого градієнтного за концентрацією елемента із сплавів з пам'яттю форми, що включає перше плавлення сплаву з пам'яттю форми при температурі плавлення Т пл. під об'ємним тиском Ро , надання заданої робочої форми утвореній заготовці при температурі Тф  0,6  0,9Тпл , гартування її з -області, деформацію у напрямку зміни . форми елемента при охолодженні з температури в інтервалі від точки початку Мп до точки кінця Мк  прямого мартенситного перетворення Мп Мк , фіксацію цієї форми після деформації (ε) = 0,01-10 % при температурах Т min  Mпmin  Mкmin та Т max  Mпmax  Mкmax , витримку при цій температурі протягом в  1,0  10,0 хв., усунення фіксації форми в інтервалі температур Т min  Mпmin  Mкmin , який відрізняється тим, що після надання заданої робочої форми заготовці на її поверхні жорстко закріпляють легуючий(і) хімічний(і) матеріал(и) зі змінною масою (mлм) по довжині заготовки Lз , нагрівають заготовку з легуючим(и) хімічним(и) матеріалом(ами) до температури Тзлм  1,1 1,7Тпл. у середовищі газової композиції на основі нейтрального газу під об'ємним тиском Ро  0,5  100 МПа, витримують нерухомо зону плавлення у рідкому стані при температурі Трс  11 17Тпл протягом рс  0,1  10,0 хв., охолоджують , , . заготовку в інтервалі мінімальних Т min  Mпmin  Mкmin із швидкістю 25 температур VT min  0,1 15 , прямого мартенситного перетворення °С/сек., розплавляють втретє заготовку сплаву з пам’яттю форми шляхом переміщення зони плавлення Lзз  уздовж заготовки зі швидкістю Vзз  0,1 5,0 мм/хв. при температурі Тзп  12  15Тпл , охолоджують зону плавлення , , . від температури Т пл. із швидкістю кристалізації Vкк.  0,01 3,0 мм/хв. при градієнті температур Тград  0,1  0,9Тпл. , а після зазначених - гартування, фіксації, витримки і усунення фіксації, заготовку додатково навантажують розтяжною або стискною силою у інтервалі температур Т min  Mпmin  Mкmin та термоциклують під навантаженням 3-50 циклів через інтервали робочих температур Т min T max . 11 UA 98171 C2 12 UA 98171 C2 13 UA 98171 C2 Комп’ютерна верстка Н. Лисенко Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 14