Спосіб виготовлення термочутливих елементів зі сплавів системи мідь-алюміній

Изобретение относится к области термической обработки металлов и может быть использовано в научном приборостроении при изготовлении термочувствительных элементов для пусковых, защитных релейных и измерительных устройств. Известен способ изготовления термочувствительных элементов для передачи информации путем контроля изменения цвета поверхности сплава медь-алюминий, который появляется в результате нагрева поверхности лазерным лучом [1]. Недостатком известного способа является отсутствие возможности совмещения в одном элементе двух традиционных элементов - термочувствительного и обеспечивающего механическое перемещение за счет восстановления формы (эффекта памяти формы). Это не позволяет эффективно микроминиатюризировать различные пусковые, защитные, измерительные устройства. Кроме того, известный способ не обеспечивает рельефочувстви тельности сигнала и является сложным для реализации вследствие применения тонкопленочных элементов. Известен также способ изготовления термочувстви тельного элемента из сплавов, обладающих эффектом памяти формы, заключающийся в том, что сплав закаливают из бета-области, деформируют в области упругих напряжений, фиксируют изделия в деформированном состоянии и подвергают отпуску при 150-300°С в течение 5-180 мин [2]. Недостатком известного способа является отсутствие возможности бесконтактной передачи термочувстви тельного сигнала от элемента, снижающее его техникоэкономические показатели и функциональные возможности. Элементы, изготовленные известным способом и изменяющие исходную форму при нагреве, не могут быть использованы в устройствах, где недопустимы механические перемещения. В ряде устройств звуковые сигналы, возникающие при восстановлении формы температурочувстви тельных элементов, создают неконтролируемые и некомпенсированные помехи в электрических цепях. Наиболее близким по технической сущности к заявляемому решению является способ изготовления термочувстви тельных элементов из сплавов системы медь - алюминий, включающий закалку из b-области, деформацию, формирование маркировочных знаков заданной формы и размеров в аустенитной области, перевод сплава в мартенситное состояние с последующим нагревом в аустенитную область лазерным лучом в режиме оплавления [3]. Однако известный способ сложен в реализации, так как требует применения специальной машины растяжения и охлаждения заготовки в заневоленном состоянии до температуры ниже точки конца мартенситного превращения, а также дополнительной деформации при низкой температуре. Кроме того, для повышения стабильности элементов, изготовленных по известному способу, возникает необходимость в термоциклировании в области упруги х напряжений, что усложняет способ. Известный способ не обеспечивает высокого цветового контраста на поверхности элементов. В основу изобретения поставлена задача создать термочувствительный элемент с высоким цветовым контрастом и высокой работоспособностью. Поставленная задача достигается тем, что в известном способе изготовления термочувствительных элементов из сплавов системы медь-алюминий, включающем закалку из b-области, деформацию, формирование маркировочных знаков заданной формы и размеров в аустенитной области, перевод сплава в мартенситное состояние с последующим нагревом в аустенитную область лазерным лучом в режиме оплавления, маркировочные знаки формируют сразу после закалки из b-области поверхностным наклепом на грани плотнейшей упаковки (III) монокристалла сплава. Изобретение осуществляется следующим образом. Элементы выполняют из закаленного сплава на основе системы медь -алюминий, например, Cu-AI-Ni или Сu-Аl-Мn. Сплав гомогенизируют при температурах 900-1000°С. Закалку сплава производят из области температур стабильной b-фазы, например, 900°С. При комнатной температуре после закалки такой сплав находится в однофазном состоянии и имеет ГЦК решетку. Проводят поверхностный наклеп части различных граней монокристалла, например, обкаткой роликом. Наклепанные участки играют роль маркировочных знаков. С этой целью они могут выполняться в виде букв, различных знаков и других символов, удобных для считывания информации. При поверхностном наклепе не превышают предел прочности, близкий к пределу упругости. Это требование связано с высокой хрупкостью сплава и невозможностью его пластической деформации растяжением, кручением, изгибом. Поскольку деформация наклепом производится только части одной грани монокристалла и, кроме того, поверхностно, она не может существенным образом изменить механические и другие характеристики всего элемента. Сплав охлаждают ниже температуры начала мартенситного превращения, например, до температуры жидкого азота. При этой температуре наклепанные участки облучают лазерным лучом. Облучение сплава, охлажденного до низких температур, необходимо для достижения высокой скорости автозакалки нагретых лазерным лучом участков монокристаллов. Возможность формирования термочувстви тельного сигнала основана на явлении изменения селективного отражения видимого света сплавов системы медь - алюминий при мартенситном переходе. В bсостоянии поверхность сплава отражает видимый свет преимущественно в желтой области спектра, а в мартенситном состоянии - в красной области. Разница цвета поверхности сплава в указанных состояниях оказывается достаточной для фиксирования их по видимому спектру, например, с помощью спектрометра или визуально. Один термочувствительный элемент может формировать сигнал о достижении температур начала Мн и конца Мк прямого мартенситного превращения (при охлаждении) и начала Ан и конца Ак обратного мартенситного превращения (при последующем нагреве). Например, для сплава 82,4% Сu - 13,4% AI - 4,2% Ni указанные температурные точки мартенситных переходов равны Мн = -160°С, Ан = -175°С, Аk =110°С. При лазерном облучении происходит нагрев поверхности сплаве в область существования стабильной bфазы с последующей автозакалкой нагретого слоя со скоростью охлаждения 105-106 град/сек. Высокая скорость охлаждения вызывает внутренние (закалочные) напряжения в поверхностном слое сплаве, уровень которых определяет понижение температуры Мн . Изменение электросопротивления монокристаллических образцов сплава Cu-AI-Ni показало, что Мн прямого мартенситного перехода в облученном образце понизилась на 8°С. а Ан - на 6°С. Вследствие этого в поверхностных слоях облученных участков мартенситный переход начинался при более низкой температуре и они имели исходный желтый цвет в то время, как остальные необлученные участки, претерпевшие мартенситное превращение, изменили цвет на красный. По возникновению цветового контраста можно зафиксировать температур у Мн. При дальнейшем охлаждении облученные участки претерпевали мартенситное превращение и по исчезновению цветового контраста можно было фиксировать температуру Мк . Последующий нагрев мартенситных образцов приводил к возникновению контраста при начале обратного мартенситного превращения, а затем исчезновению его при завершении обратного превращения. Это позволило фиксировать температуры Ан и Ак . Многократные охлаждения и нагревы образцов с участками, облученными лазерным лучом, показали, что температуры начала и конца прямых и обратных мартенситных переходов в дальнейшем (по сравнению с первым циклом мартенситных переходов) практически не изменялись. Кривые изменения электросопротивления таких образцов после первого и сотого циклов охлаждения и нагрева практически совпадали, а цветовой контраст не изменялся. Указанная закономерность связана с термоупругим характером мартенситных переходов, когда кооперативные сдвиги в кристаллических решетках происходили в одних и те х же кристаллографических системах при прямых и обратных переходах и не вносили изменений в структурное состояние высокотемпературной b-фазы, способных изменить ее свободную энергию, а значит, Мн и Ак . Это показывает, что ресурс работы термочувствительного элемента, изготовленного предлагаемым способом, практически неограничен. Были проведены эксперименты по определению режимов лазерной обработки монокристаллических образцов, обеспечивающих максимальный цветовой контраст при мартенситных переходах. Экспериментально установлено, что контраст усиливался при поверхностном наклепе монокристалла. Были наклепаны и облучены лазерным пучком различные кристаллографические грани монокристалла Cu-AI-Ni. Исследовали грани (III), (100), (110), а также грани с большими миллеровскими индексами (произвольная вырезка). Максимальный цветовой контраст наблюдали при облучении грани (III) монокристалла, являющейся плоскостью плотнейшей упаковки в ГЦК структуре. Он усиливался при облучении той же грани монокристалла при охлаждении его ниже Мн п утем помещения в пары жидкого азота. Усилие контраста позволяет повысить точность измерения температурочувствительного сигнала и более надежную его бесконтактную передачу. Облучение импульсным лазерным лучом в среде аргона проводили на установке "Квант-18М" при частоте 0,3-0,8 гц с энергией луча от 2 до 82 дж. Предварительно поверхность монокристалла сплава с 82,4% Сu 13,4% AI - 4,2% Ni протравливали для удаления окислов. Эффект возникновения различного селективного отражения облученных и исходных участков сплава наблюдали начиная с энергии луча 8 дж. При этом сплав в результате облучения нагревался до 900-1000°С, т.е. в область b-фазы. Микроструктурные исследования показали, что зона теплового действия была равна 0,12 мм. Облучение при более низких энергиях луча не приводило к возникновению цветового контраста при охлаждении сплава в интервале мартенситного перехода. Цветовой контраст мало изменялся при повышении энергии луча. Гомогенизация сплава в bобласти перед облучением лазерным лучом (3-10 часов) обеспечивала устойчивый цветовой контраст и равномерный однородный цвет как исходных, так и облученных участков граней монокристалла. По сравнению с прототипом использование термочувстви тельных элементов, изготовленных предложенным способом, обеспечивает бесконтактную передачу термочувствительного сигнала, повышает надежность пусковых, релейных и измерительных устройств. Отсутствие механических перемещений при эксплуатации элементов упрощает их использование и позволяет повысить степень миниатюризации приборов. Один элемент может формировать сигнал о четырех температурных точках. На основе сплава CuAI можно изготовить элементы, чувствительные к отрицательным температурам. Использование маркировочных знаков позволяет обеспечить цифровую индикацию и дистанционное управление устройствами, содержащими термочувствительные элементы.