Аморфний сплав на основі системи нікель-титан з ефектом пам’яті форми

Аморфний сплав на основі системи нікельтитан з ефектом пам'яті форми, що містить нікель, титан, га фній і мідь, який відрізняється тим, що він додатково містить ніобій, тантал і церій у наступному співвідношенні хімічних компонентів, ат.%: титан 32,4-49,8 гафній 0,6-6,0 мідь 0,5-4,8 ніобій 0,4-4,5 тантал 0,3-3,0 церій 0,2-2,8 нікель 47,5-48,2. Винахід відноситься до металургії, а саме, до градієнтних сплавів на основі системи нікель-титан з ефектом пам'яті форми з аморфною складовою для виготовлення на їх основі градієнтних термочутливи х елементів, наприклад, термочутливих градієнтних муфт для з'єднання трубопроводів. Винахід може бути також широко використано в практичній медицині як матеріал для виготовлення стентів (stent) - розширювачів, які застосовуються в кардіохірургії для збереження відкритого просвіту в аортальному клапані серцево-судинної системи, що забезпечують вихід крові при стенозах аорти, а також для виготовлення імплантантів в ортопедії і травматології, до яких пред'являють вимоги високої біологічної сумісності з живими тканинами, механічній міцності і хімічній стійкості. Відомо аморфний сплав на основі нікелю [NICKEL BASE AMORPHOUS ALLOY COMPOSITION, Publication number: JP2001303219; Publication date: 2001-10-31; Classification international: C22C45/04; C22C45/00; Application number: JP20000210744 20000712; Priority number: KR20000020587 20000419; KR20000028995 20000529], що містить нікель, цирконий+титан, кремній в наступному співвідношенні хімічних компонентів (% ат.): нікель 45-63 цирконій+титан 32-48 кремній (або фосфор) 1-11. Головним недоліком сплаву є те, що він не володіє властивістю пам'яті форми і не може бути використаний як термочутливий елемент, наприклад, термочутливої муфти для з'єднання трубопроводу. Відомий сплав нікель-титан-мідь з пам'яттю форми для виготовлення термочутливи х елементів [U.S.Patent application, "Nickel/Titanium/Copper Shape Memory Alloy", by John D. Harrison et al., U.S. 4565589, МПК4 С22F1/00, U.S. Cl. 148/402; 148/421 filed Sept. 29, 1983.], що містить нікель, титан, мідь при наступному співвідношенні хімічних елементів (% ат.): титан 43,4-49,8 мідь 0,3-4,0 нікель решта. Основними недоліками сплаву є: низька здібність його до аморфізації [Delta]Tx=Tx-Tg, а також низька твердість (Таф) ділянок з аморфною фа (19) UA (11) 85984 (13) C2 (21) a200804618 (22) 10.04.2008 (24) 10.03.2009 (46) 10.03.2009, Бюл.№ 5, 2009 р. (72) БАБАНЛИ МУСТАФА БАБА-ОГЛИ, КОВАЛЬ ЮРІЙ МИКОЛАЙОВИЧ, UA, КОЛОМИЦЕВ ВІКТОР ІЛЛІЧ, UA, НЕГАНОВ ЛЕОНІД МИ ХАЙЛОВИЧ, UA, ШПАК АН АТОЛІЙ ПЕТРОВИЧ, U A (73) ІНСТИТУТ МЕТАЛОФІЗИКИ ІМ. Г.В. КУРДЮМОВА Н АЦІОН АЛЬНОЇ АКАДЕМІЇ Н АУК УКРАЇНИ, UA (56) UA 8733 U, 15.08.2005 UA 11400 U, 15.12.2005 RU 2048744 C1, 27.11.1995 JP 5195124 A, 03.08.1993 JP 2002294371 A, 09.10.2002 Wei Cai, Chungsheng Zhang, Liancheng Zhao Microstructure and recovery characteristics of the 3 85984 зою, що не перевищує величини 50-80 Ην. Окрім цього, сплав має відносно малу величину фазової пластичності ( eф ) при прямому (Ms-Mf) мартенпмп ситному перетворенні, в межах 1,0-1,5%, а також низьку межу реактивних напруг ( sR max ) , що розAf виваються сплавом при нагріванні в інтервал температур зворотного (As-Af) мартенситного перетворення, що не перевищують величини 7080МРа. Температурний інтервал аморфізації представляється формулою [Delta]Tx=Tx-Tg (де Тх представляє температуру ініціації кристалізації, a Tg представляє температуру переходу при осклянні), прутка або листу, що мають діаметр або товщин у 1мм або більше і частинку об'єму аморфної фази 90% і більше, може бути вироблений методом відливання в металеву опоку, стискаючою силою 1,900МРа і більше, модулем Юнга - 100 GPa і більше, і твердістю (по Вікерсу) - 500 Ην і більше. Під межею реактивних напруг ( sR max ) Af слід розуміти граничну сумарну величину внутріRn As¸ Af å шніх мікроскопічних напруг ( smicro ) У сплаві з пам'яттю, що генеруються при нагріванні його в інтервал температур (As-Af), в умовах примусового обмеження деформації відновлення геометричної форми. Незадовільна схильність сплаву до аморфізації викликає появу негомогенності аморфної складової, що істотно ускладнює і збільшує трудомісткість термомеханічної обробки сплаву. Мала твердість (Ην) негомогенної аморфної фази при використовуванні сплаву, наприклад, як якості сполучної муфти, викликає деформацію стискаючих ребер муфти при нагріванні в інтервал температур зворотного (As-Af) мартенситного перетворення, що знижує щільність і герметичність з'єднання з іншими конструкційними елементами, наприклад, при з'єднанні муфтою тр убопроводу, виконаного з міцної сталі марки ХН77ТЮР (% мас: Сr=19-20; Ті=2,4-2,8; Аl=0,6-1,0; С=0,02; В=0,01; W=5-7; Fe-основа), оскільки відповідні внутрішні гострі стискаючі ребра в муфті при нагріванні в інтервал температур зворотного (As-Af) мартенситного перетворення не забезпечують проникнення стискаючих ребер в матеріал трубопроводу на достатню глибину (δ). При цьому, глибина (δ) проникнення стискаючих ребер муфти не перевищує 0,1мм, що не забезпечує достатню надійність герметизації трубопроводу і належну механічну міцність з'єднання. У свою чергу, максимальна фазо ва пластичність сплаву (eф ) max при прямому пмп (Ms-Mf) мартенситному перетворенні в основному залежить від вмісту в сплаві певних хімічних компонентів і температури деформації по відношенню до температури рівноваги фаз. Із зростанням температури зворотного (As-Af) мартенситного перетворення вище As-Af в сплаві під впливом зовнішнього навантаження відбувається зростання розміру зерен, що веде до перерозподілу реактивRn As¸ Af å них мікроскопічних напруг ( smicro ) . При цьому ділянки сплаву, що проявляють ефект пам'яті форми, мають відносно невелику (1,0-1,5%,) плас 4 тичну де формацію ( eф ) . В процесі дорнування пмп муфти з вказаного сплаву, в інтервалі температур прямого (Ms-Mf) мартенситного перетворення, виникає залишкова деформація (Δδ), яка не усувається при подальшому нагріванні з'єднання в інтервал температур зворотного (As-Af) мартенситного перетворення. Окрім цього, процес релаксації діючих внутрішніх мікроскопічних напруг å Rn As¸ Af ) викликає появу залишкової деформації (Δδ) в умовах постійної дії зовнішнього навантаження і веде до зниження первинної межі реак( smicro тивних s R max =100-110МРа напруг сплаву до рівня Af s R max =78-80МРа. Це істотно знижує жорсткість Af з'єднання і веде до розгерметизації трубопроводу. Відомий також сплав нікель-титан-ніобій з пам'яттю форми [U.S.Patent No.4,770,725 Int.Cl.4 C22F 1/00, U.S. Cl. 148/402; 148/421...filed jun.5, 1987], що містить нікель, титан і ніобій в наступному співвідношенні хімічних елементів (% ат.): титан 34-48 ніобій 2,5-30 нікель 36,5-50,5. Недоліками сплаву є: низька здатність його до аморфізації [Delta]Tx=Tx-Tg=10¸40°C, а також низька твердість (Таф) ділянок із зформованою аморфною фазою, що не перевищує величини 80-120 Ην. Окрім цього, сплав має відносно малу величину фазової пластичності ( eф ) при прямому (Msпмп Mf) мартенситному перетворенні, в межах 1,72,5%, а також низькі значення реактивних напруг ( sR max ) , що не перевищують величини 120МРа. Af Низька придатність сплаву до аморфізації, у свою чергу, викликає появу негомогенності властивостей аморфної складової, що істотно ускладнює і збільшує трудомісткість термомеханічної обробки сплаву, а також знижує корозійні властивості сплаву. Низька твердість (Тас) негомогенної аморфної фази викликає пластичну деформацію аморфних стискаючих ребер муфти, що знижує щільність з'єднання сплаву з іншими конструкційними елементами, наприклад, при виконанні із сплаву криогенної муфти (кріофітінгу), оскільки відповідні внутрішні аморфні ребра муфти не забезпечують проникнення їх в трубопровід на достатню глибину (δ), наприклад, труби з міцної сталі марки ХН77ТЮР. При цьому, глибина стиснення (δ) труб муфтою, виконаних із сталі марки ХН77ТЮР, що мають однакову твердість, не перевищує 0,3мм, і не забезпечує достатню надійність герметизації трубопроводу і належну механічну міцність з'єднання. При цьому ділянка сплаву, що проявляє ефект пам'яті форми, має відносно невелику (1,52,0%,) пластичну деформацію ( eф ) , і в процесі пмп дорнування муфти з вказаного сплаву, в інтервалі температур зворотного (As-Af) мартенситного перетворення, виникають механічні пошкодження муфти по міжі зерен, що, окрім відміченого недоліку, сильно ускладнює монтаж і установку термочутливої муфти на трубопроводі. 5 85984 Найближчим за складом та технічним результатом, що досягається, до запропонованого сплаву є аморфний сплав на основі системи нікельтитан з ефектом пам'яті форми [P.Ochin et al. "Amorphous multielementary alloys: A preparation route for shape memory alloys", Journal of Alloys and Compounds, 434-435, 2007, p.p.268-271], що містить титан, гафній, мідь і нікель у наступному співвідношенні хімічних елементів (% ат.): титан (Ті) 32 (const.) гафній (Hf) 18 (const.) мідь (Сu) 5-15 нікель (Ni) 35-45. Недоліками сплаву-прототипу є: низька здібність його до амортизації [Delta]Tx=TxTg=15¸50°C, а також низька твердість (Таф) ділянок з формованою аморфною фазою, що не перевищує величини 180-200 Ην. Окрім цього, сплав має відносно малу величину фазової пластичності ( eф ) при прямому (Ms-Mf) мартенситному перепмп творенні, в межах 2,0-3,5%, а також низькі значення максимальних реактивних напруг ( sR max ) , що Af не перевищують величини 300МРа. Низька здатність сплаву до аморфізації [Delta]Тх Тх = Tg=15¸50°C, у свою чергу, викликає появу негомогенності властивостей аморфної складової, що істотно ускладнює і збільшує тр удоємкість термомеханічної обробки сплаву, а також знижує антикорозійні властивості сплаву. Низька твердість (Тас) негомогенної аморфної фази викликає пластичну деформацію стискаючих аморфних ребер муфти, знижує щільність з'єднання сплаву з іншими конструкційними елементами, наприклад, при виконанні із сплаву криогенної муфти, оскільки відповідні внутрішні гострі виступи ребер муфти не забезпечують проникнення аморфної складової в трубопровід на оптимальну глибину δ, наприклад, труби з міцної сталі марки ХН77ТЮР. При цьому глибина проникнення муфти (δ) в тр уби, не перевищує δ