СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ МЕДНЫХ СПЛАВОВ С ЭФФЕКТОМ ПАМЯТИ ФОРМЫ Российский патент 2025 года по МПК C22F1/08 B21J5/00 

Область техники

Изобретение относится к области термомеханической обработки поликристаллических сплавов Cu-Al-Ni, Cu-Zn, Cu-Zn-Al с целью значительного повышения их механических и функциональных свойств, создания на их основе материалов с эффектами памяти формы и высокотемпературной сверхэластичности и демпфирования. Способ может быть использован в машиностроении, авиационной, космической технике, на транспорте, в строительстве, медицине, механотронике и микросистемной технике для создания исполнительных механизмов, датчиков, актюаторов, демпфирующих элементов и конструкций с различной шириной температурного гистерезиса и величины обратимой деформации.

Уровень техники

В современной экономике, особенно в некоторых ее отраслях, многие изделия и конструкции находятся в условиях усталостных постоянных или внезапных колебательных воздействий. Обычные средства защиты и противодействия им не всегда достаточны. Создание и применение антисейсмических и антивибрационных устройств из материалов с обратимыми эффектами памяти формы и гигантским демпфированием является важной технической задачей, направленной на решение данной проблемы. Наилучшим подходом, который на сегодняшний день способен решить все производственные и эксплуатационные проблемы, представляется перспективный метод обработки одноосным сжатием при повышенных температурах с последующим охлаждением изделия для формирования мартенситных фаз [Mechanical behavior and structural characterization of a Cu-Al-Ni-based shape-memory alloy subjected to isothermal uniaxial megaplastic compression / V.G Pushin, N.N. Kuranova, A.E. Svirid, Y.M. Ustyugov // Materials. - 2022. - V. 15. - P. 3713-3728.], [Применение изотермической осадки для мегапластической деформации beta-сплавов Cu-Al-Ni / Свирид А.Э., Лукьянов А.В., Пушин В.Г., Куранова Н.Н., Макаров В.В., Пушин А.В., Уксусников А.Н. // Журнал технической физики. - 2020. - V. 90. - P. 1088-1094.], [Design and Development of High-Strength and Ductile Ternary and Multicomponent Eutectoid Cu-Based Shape Memory Alloys: Problems and Perspectives/ V. G. Pushin, N. N. Kuranova, A. E. Svirid, A. N. Uksusnikov, Y. M. Ustyugov // Metals. - 2022. - V. 12. - P. 1289-1321].

Из уровня техники известно стремление технологов изготавливать различные конструкционные элементы и объемные изделия с МЗ и УМЗ структурой из сплавов никелида титана с ЭПФ [RU 2685622 C1], [Патент РФ №2266973]. Однако недостатком данных сплавов является их высокая себестоимость при изготовлении, сложности в термомеханической обработке и механической обрабатываемости.

Из уровня техники известен способ изготовления и обработки медного сплава Cu-Zn-Al с ЭПФ, порошковой металлургией с дополнительным внедрением в матрицу дисперсных частиц YO3 и/или TiO2. (патент EP 0035602, от 09.08.1984). Изобретение относится к области получения материалов с достаточной прочностью и пластичностью, предназначенных для изделий, работающих при воздействии повышенных температур и значительных нагрузок. Способ обработки заключается в спекании сплава из порошка Cu, Zn, Al, YO3 и/или TiO2 при колоссальном давлении до 10000 bar, многократным отжигам при высоких температурах 800-1000°С старении. Для окончательной закалки материал нагревают до 1050°С, выдерживают 10-15 минут и затем охлаждают в воде. Изобретение позволяет изготовить медный сплав с достаточными для дальнейшей работы механическими свойствами. Недостатком данной обработки является многократность термической обработки, высочайшие давления для изготовления изделия, чрезмерно высокая температура закалки 1020-1050°С, которая приводит к ускорению укрупнения зерен. Исходно крупное зерно замедляет процесс формирования МЗ и УМЗ структуры при спекании, что требует большего числа проходов. Это, в свою очередь увеличивает стоимость изделия, снижает технологичность обработки и способствует износу оборудования.

Наиболее близким к предлагаемой технологии является способ деформационно-термической обработки медных сплавов с ЭПФ, описанный в патенте [№ JPH03-107443 от 07.05.1991 Япония]. Способ получения объемных заготовок из сплавов Cu-Al-Ni с ЭПФ, включающий выплавку, гомогенизирующий отжиг в однофазной β-области с повторным нагревом под закалку и холодную или теплую деформацию при температурах ниже температуры эвтектоидного распада. Данный способ позволяет получить сплавы, способные проявлять ЭПФ в широком интервале температур. Недостатком данной обработки является чрезмерно высокая температура закалки исходно крупнозернистого сплава, которая приводит к ускорению укрупнения β-зерен (свыше 1-1.5 мм). Исходно крупное зерно замедляет процесс формирования УМЗ структуры при последующей деформации и требует большего давления и времени, что увеличивает стоимость изделия, снижает технологичность обработки и способствует износу оборудования.

Задачей предлагаемого изобретения является разработка термомеханической обработки медных сплавов с ЭПФ, которая обеспечит производство объемных изделий с МЗ и УМЗ структурой, которые будут обладать высокой электропроводностью, прочностью и пластичностью и способным проявлять эффект памяти формы в широком интервале температур.

Раскрытие сущности изобретения

Техническая сущность. Для решения поставленной задачи предлагается способ комбинированной деформационно-термической обработки медных сплавов с ЭПФ, включающей высокотемпературную ковку на первом этапе, изотермический отжиг в однофазной β-области в течение 60 мин. с закалкой в воду на втором и «теплую» пластическую деформацию одноосным сжатием на третьем этапе. Указанная последовательность операций обеспечивает сильное измельчение микроструктуры и за счет этого формирование высоких механических свойств и функциональных характеристик. Интенсивной пластической деформацией, контролируемой по температуре одноосным непрерывным сжатием медных сплавов с ЭПФ за счет смешенного процесса динамической и статической рекристаллизации обеспечиваем формирование однородной УМЗ структуры с размером зерен/субзерен 1-2 мкм. С последующим охлаждением после деформации инициируем термоупругое мартенситное превращение с образованием мартенситных фаз β(D03)→β'(18R)+γ'(2H), в основном однопакетной морфологии в пределах исходных аустенитных зерен, ответственных за ЭПФ.

Технический результат изобретения заключается в том, что заявленный способ позволяет получать изделия характеризующиеся мелкозернистой и ультрамелкозернистой структурой, которые обладают высокой электропроводностью, прочностью (более 1600 МПа при сжатии) и пластичностью (при деформации растяжением 18-50%), достаточной псевдоупругой и высокой обратимой деформацей (до 95-100%), а также способны проявлять эффект памяти формы в широком интервале температур.

Задача изобретения решается за счет применения комбинированной термомеханической обработки, включающей горячую ковку, высокотемпературный нагрев в однофазную β-область с последующей закалкой и одноосное сжатие при повышенной температуре с последующим охлаждением изделия, для формирования мартенситных фаз, ответственных за эффект памяти формы. Высокая технологичность обработки обеспечивается операциями, которые могут быть включены в непрерывный цикл производства.

Горячая ковка при температуре 900-1000°С с последующей закалкой заготовки способствует устранению ликвации и измельчению зерен до 300-500 мкм (исходный размер зерен более 1 мм). Повторный нагрев до 1000°С, 30 минут под закалку обеспечивает статическую рекристаллизацию и упорядочение в сверхструктуру B2→D03 исходно неупорядоченного β-твердого раствора. Средний размер зерен после такой термической обработки составляет 100-150 мкм. Одноосное сжатие сопровождается развитием динамической рекристаллизации и формированием структуры с размером зерен менее 10 мкм. Одновременно, с появлением пластичной α-фазы (A1) происходят процессы выделения дисперсных частиц B2'-фазы (на основе NiAl), что обеспечивает упрочняющий эффект. Деформация при пониженных температурах будет способствовать наклепу медных сплавов, снижению их технологической пластичности и, наконец, к преждевременному разрушению. Деформация методом одноосного сжатия при повышенной температуре обеспечит формирование структуры с высокой плотностью большеуговых границ (≈50%) и к появлению дисперсных частиц. Последующее охлаждение способствует фазовому превращению аустенит→мартенсит/мартенсит (D03→β'+γ'). В итоге изделие обладает повышенной прочностью, хорошим качеством поверхности и стабильности геометрических параметров поперечного сечения.

Краткое описание графических материалов

Сущность изобретения пояснена следующими фигурами.

Фиг 1 - Кривые "напряжение σ-деформация ε" сплава Cu-14Al-4Ni, полученные при механических испытаниях на сжатие: а - при 20°С, б - при 400 (1); 500 (2); 600 (3); 700 (4); 800°С (5).

Фиг 2 - Кривые "напряжение σ - деформация ε, δ" сплава Cu-14Al-3Ni, полученные при механических испытаниях на сжатие (а) при 600°С (кривая 1), 700°С (2), 800°С (3) и при последующем растяжении при комнатной температуре (б) после закалки при 20°С (1) или после сжатия при 700°С (2) и 800°С (3).

Осуществление изобретения

Заявленный способ апробирован в Институте физики металлов УрО РАН и в Уральском Федеральном университет им. Б.Н. Ельцина.

Пример 1. По данным механических испытаний сжатием при комнатной температуре закаленный в воде при 20°С от 950°С (10 мин.) после ковки сплав эвтектоидного состава Cu-14Al-4Ni в исходном состоянии способен испытывать достаточно большую пластическую деформацию до разрушения, ε=22%, при высоких напряжениях предела текучести σ_0.2 и временного сопротивления σ_в, близких 400 и 1150 МПа, соответственно (Фиг. 1а). При дальнейшем увеличении нагрузки деформация осуществлялась в условиях сильного упрочнения, завершающегося разрушением образцов после значительной для данных сплавов пластической деформации (δ=20-22%). Наибольшую пластичность при сжатии демонстрировал сплав, деформируемый при 600°С. Однако, высокие пределы текучести σ_0.2 (380-250 МПа) были у сплавов, подвергнутых деформации при температурах 400-500°С (Фиг. 1б). Интервал температур одноосного сжатия 400-500°С был выбран в связи с тем, что в процессе деформации при данной температуре развивается непрерывная динамическая рекристаллизация, сопровождающаяся выделением дисперсных частиц. В результате, происходит рост прочностных свойств за счет измельчения зерен, повышения плотности дислокаций и распада пересыщенного твердого раствора. Для предотвращения процессов распада твердого раствора образцы после деформации были подвергнуты закалке в воде.

В таблице 1 приведены свойства сплава Cu-14Al-4Ni после обработки. Испытания на одноосное сжатие были проведены при комнатной и повышенных температурах в соответствии с ГОСТ (8817-82) на испытательной машине «Instron 5882» с целью определения предела прочности, текучести и деформации до разрушения (σ_В , σ_0.2, δ).

Таблица 1

T исп., °С ε, % σ_0.2, МПа σ_в, МПа 20 22 400 1150 400 84 380 1550 500 84 250 1550 600 95 70 1550 700 72 50 2000 800 58 50 1980

Пример 2. При испытаниях механических свойств в процессе изотермического сжатия в аустенитном состоянии при 600, 700 и 800°С были установлены высокие механические характеристики сплава Cu-14Al-3Ni (Фиг. 2 a, таблица 2). Начиная от низких напряжений предела текучести σ_м (50-70 МПа), сплав испытывал равномерную деформацию ε_р (до 50% при 873 К), а затем на завершающей стадии пластической деформации вплоть до разрушения ε (до 95%) сильное деформационное упрочнение при высоких значениях предела прочности σ_в. При сжатии имели место специфические процессы динамической рекристаллизации под действием нагрузки, которая была вначале минимальной на установившейся стадии равномерного пластического течения, а затем резко возростала (до 2 ГПа). Это в итоге привело к формированию в исходном КЗ сплаве равноосной МЗ структуры, размеры зерна которой оказались по данным растровой электронной микроскопии на порядок меньшими и составили 200-300 и 100-120 мкм после испытаний осадкой при температурах 600°С и 700-800°С, соответственно. При охлаждении до комнатной температуры в МЗ сплаве происходило термоупругое мартенситное превращение с появлением тонкопластинчатого мартенсита, как правило, однопакетной морфологии в пределах зерен. Результаты последующих испытаний механических свойств в процессе растяжения сплава Cu-14Al-3Ni уже в мартенситном состоянии приведены на фиг. 2. Были измерены свойства сплава после осадки при 700 и 800°С, а также для сравнения крупнозернистого сплава в исходном состоянии после ковки с закалкой от 950°С в воде при комнатной температуре (таблица 2).

Уникальной особенностью механического поведения медного сплава Cu-14Al-3Ni с ЭПФ при растяжении после сжатия (Фиг. 2) стало появление стадии фазовой мартенситной псевдоупругой деформации при низком напряжении старта переориентации двойниковой мартенситной структуры (σ_м<100 MPa). При дальнейшем увеличении нагрузки деформация осуществлялась в условиях сильного упрочнения, завершающегося разрушением образцов при высоких значениях σ_в после значительной для данных сплавов пластической деформации (δ=14-16%) (кривые 2 и 3 на Фиг. 2). Кривая 1 иллюстрирует, напротив, низкие прочностные и пластические свойства исходного КЗ сплава.

В таблице 2 приведены свойства сплава Cu-14Al-3Ni после термомеханической обработки. Испытания на одноосное растяжение были проведены в соответствии с ГОСТ 1497-84 на испытательной машине «Instron 5882» с целью определения предела прочности, текучести, деформации до разрушения и псевдоупругой деформации (σ_В , σ_0.2, δ, ε_пу).

Таблица 2 - Свойства сплава Cu-14Al-3Ni после термомеханической обработки

Обработка σ_в, МПа σ_м, МПа δ, % ε_пу, % Закалка от 1223К 500 300 6 - Сжатие при 700°С 1600 80 14 3 Сжатие при 800°С 1100 80 16 2

Таким образом, предложенный способ получения поликристаллических сплавов Cu-Al-Ni с памятью формы позволяет повысить механические и функциональные свойства и использовать их в качестве инновационных технических решений, например, как высокотемпературные датчики, актюаторы, исполнительные механизмы в различных современных технических конструкциях и устройствах.

Медный сплав после деформационно-термической обработки имеет высокую прочность, пластичность и обратимую деформацию, которые в несколько раз выше, чем в исходном состоянии. Термомеханическая обработка обеспечивает достаточную стабильность механических свойств после отжига и технологичность. Предложенная термомеханическая обработка может быть применена для создания и применения антисейсмических и антивибрационных устройств из материалов с обратимыми эффектами памяти формы и гигантским демпфированием и является важной технической задачей, направленной на решение данной проблемы.

Изобретение относится к металлургии, а именно к термомеханической обработке поликристаллических медных сплавов с эффектом памяти формы с метастабильной мелкозернистой (МЗ) или ультрамелкозернистой (УМЗ) структурой, способных испытывать термоупругие мартенситные превращения. Способ деформационно-термической обработки заготовки из медного сплава Cu-14Al-3Ni с эффектом памяти формы включает термическую обработку заготовки из медного сплава и ее пластическую деформацию. Обеспечивают заготовку из медного сплава Cu-14Al-3Ni с эффектом памяти формы, которую нагревают до температуры 900-1000°С и проводят ковку при этой температуре. Последующую термическую обработку путем изотермического отжига осуществляют при температуре 900-1050°С с выдержкой при этой температуре в течение 10-30 мин и с последующей закалкой в воду с температурой 20°С, далее проводят нагрев до температуры 400-500°С и ведут пластическую деформацию путем одноосного сжатия с накопленной степенью логарифмической деформации е=1-2, а затем проводят закалку заготовки в воде при комнатной температуре. Модификация микроструктуры и свойств за счет термической и термомеханической обработок дает возможность получить массивные изделия из сплавов на основе меди для разработки и изготовления различных объемных конструкционных элементов с эффектами памяти формы для применения в разных индустриальных областях. Обеспечивается получение изделий с высокими показателями электропроводности, прочности, пластичности, а также достаточной псевдоупругой и высокой обратимой деформацией при проявлении эффекта памяти формы в широком интервале температур. 2 ил., 2 табл., 2 пр.

Способ деформационно-термической обработки заготовки из медного сплава Cu-14Al-3Ni с эффектом памяти формы, включающий термическую обработку заготовки из медного сплава и ее пластическую деформацию, отличающийся тем, что обеспечивают заготовку из медного сплава Cu-14Al-3Ni с эффектом памяти формы, которую нагревают до температуры 900-1000°С и проводят ковку при этой температуре, последующую термическую обработку путем изотермического отжига осуществляют при температуре 900-1050°С с выдержкой при этой температуре в течение 10-30 мин и с последующей закалкой в воду с температурой 20°С, далее проводят нагрев до температуры 400-500°С и ведут пластическую деформацию путем одноосного сжатия с накопленной степенью логарифмической деформации е=1-2, а затем проводят закалку заготовки в воде при комнатной температуре.