БИМЕТАЛЛИЧЕСКИЙ ЭЛЕМЕНТ, ВКЛЮЧАЮЩИЙ НИТИНОЛ (СПЛАВ С ПАМЯТЬЮ ФОРМЫ)

Полезная модель относится к конструкциям из слоев металла, а именно к биметаллическим элементам, и может найти применение в приборостроении, в том числе в термореле, элементах термоклапанов, терморегуляторах, различных термозависимых датчиков и тому подобное.
Известен материал с эффектом памяти формы с модифицированной поверхностью, состоящий из основы, выполненной из никелида титана и модифицированного поверхностного слоя, образованного облучением низкоэнергетическим сильноточным электронным пучком (см. RU №2259415, C22C 14/00, 2005 г.). Однако степень формовосстановления этого материала при высоких деформирующих нагрузках недостаточно большая. И, с одной стороны, нитинол (сплав с памятью формы) позволяет обеспечивать нужное положение элемента при определенной температуре, но, с другой стороны, изменение температуры не позволяет вернуть элемент в исходное положение, так поверхностный модифицированный слой после обработки лазером имеет существенно повышенную твердость по сравнению с твердостью металла основы, но не обладает упругими свойствами. Поэтому силовые элементы из нитинола (сплава с памятью формы) работают в паре с упругими элементами: контрпружинами, упругими пластинами, лепестками и тому подобное.
Наиболее близкой к предлагаемой модели по техническому уровню является модель - прототип, а именно биметаллический элемент, у которого один слой выполнен из нитинола (сплава с памятью формы), а другой слой из материала с высокими упругими свойствами (патент РФ №2335401). В этом биметаллическом элементе активный элемент из нитинола (сплава с памятью формы) за счет реактивных усилий, развивающихся в этом слое при заданной температуре (при нагреве) реализует перемещение части биметаллического элемента. А возврат в исходное положение на этапе охлаждения происходит в результате постоянно действующих сил во втором слое при одновременной релаксации напряжения в первом слое из нитинола (сплава с памятью формы).
Недостатком указанного биметаллического элемента является невозможность его использования в промышленности без упругих котнрэлементов, так как сам по себе материал с меньшим коэффициентом объемного расширения еще не гарантирует точности перемещения элемента в пространстве, так как коэффициент объемного расширения не позволяет точно обеспечить расширение или сжатие тела (слоя), которое требуется только в одном линейном направлении с учетом большого разнообразия размеров применяемых биметаллических элементов, кроме того, нерегулируемое соотношение толщины слоев биметаллического элемента также не позволяет гарантировать необходимую точность его действия. Поэтому для увеличения точности перемещения описанного биметаллического элемента продолжают использоваться, хотя и меньших размеров, дополнительные упругие контрэлменты, на экспериментальный подбор размеров которых конструкторам требуется значительное количество дополнительного времени.
Задача, на решение которой направлено заявленное техническое решение, заключается в увеличении точности восстановления формы биметаллических элементов после срабатывания их при заданных температурах и полное исключение дополнительных упругих контрэлементов.
Решение поставленной задачи достигается за счет определения точного необходимого соответствия толщины слоев биметаллического элемента, упругих свойств материала слоев биметаллического элемента в сочетании с величинами разности их коэффициентов линейного расширения вместо коэффициентов объемного расширения, а именно: толщина упругого второго слоя составляет 70 процентов от толщины слоя, выполненного из нитинола (сплава с памятью формы) при том условии, что коэффициент линейного расширения второго слоя меньше коэффициента линейного расширения слоя, выполненного из нитинола (сплава с памятью формы), на 5 процентов.
Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков, является точность перемещения части биметаллического элемента, с допуском, равным плюс 0,5 градуса окружности и полное исключение упругих элементов для возвращения части биметаллического элемента в исходное состояние.
Рабочее положение биметаллического элемента в пространстве в этом случае будет обеспечиваться аустентным и мартенситным превращениями в материале слоя, выполненного из нитинола (сплава с памятью формы), а роль упругого контрэлемента выполняет второй слой, так как пяти процентная разница в коэффициентах линейного расширения материалов в слоях приведет к образованию внутренних напряжений в слое с меньшим коэффициентом линейного расширения, которые при своей релаксации вместе с упругим силами второго слоя при движении части элемента в первоначальное состояние будут играть роль упругого контрэлемента.
Схема работы биметаллического элемента представлена на фиг. 1, где 1 - слой нитинола (сплава с памятью формы, 2 - слой материала, обеспечивающего упругие свойства и одновременно с коэффициентом линейного расширения, меньшим, чем у материала первого слоя, на 5 процентов, «А» - первоначальная конфигурация биметаллического элемента, «Б» - конфигурация биметаллического элемента в сработавшем состоянии.
Алгоритм подготовки, сборки и работы биметаллического элемента следующий. Слой, выполненный из нитинола (сплава с памятью формы) многократно термоциклируют для развития в материале обратимой памяти формы, например, для осуществления поворота на определенный угол, затем, для образования биметаллического элемента, соединяют с упругим материалом, имеющим на 5 процентов меньший коэффициент линейного расширения, чем у слоя, выполненного из нитинола (сплава с памятью формы).
Биметаллический элемент, показанный на фиг. 1, из исходного положения (конфигурации) «А» при повышении температуры до температуры конца аустенитного превращения (температуры срабатывания биметаллического элемента) за счет преобразований в слое из нитинола (сплава с памятью формы) перемещается в положение (конфигурацию) «Б», преодолевая упругие силы во втором слое.
Снижение температуры до температуры начала, а затем конца мартенситного превращения приводит к тому, что слой из нитинола (сплава с памятью формы) начинает терять прочность за счет эффекта прироста пластичности в мартенситном превращении, и напряжения, возникшие в результате разницы в значениях коэффициентов линейного расширения, вместе с упругими силами упругого второго слоя возвращают элемент в положение (конфигурацию) «А» за счет собственного линейного сокращения.
Предлагаемый биметаллический элемент, таким образом, не имеет недостатков, описанных в аналоге и прототипе, имеет в работе очень высокую точность перемещения (изменения своей конфигурации) и не требует упругих контрэлементов.