СПОСОБ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ МОНОКРИСТАЛЛОВ ФЕРРОМАГНИТНОГО СПЛАВА Fe-Ni-Co-Al-Ti С ЭФФЕКТОМ ПАМЯТИ ФОРМЫ И СВЕРХЭЛАСТИЧНОСТЬЮ, ОРИЕНТИРОВАННЫХ ВДОЛЬ [001] НАПРАВЛЕНИЯ ПРИ ДЕФОРМАЦИИ РАСТЯЖЕНИЕМ
THERMAL TREATMENT OF MONOCRYSTALS OF Fe-Ni-Co-Al-Ti FERROMAGNETIC ALLOY WITH SHAPE MEMORY EFFECT AND SUPERELASTICITY ORIENTED IN [001] DIRECTION AT STRETCHING STRAIN

Изобретение относится к области металлургии, а именно к термомеханической обработке монокристаллов ферромагнитного сплава нового состава Fe-Ni-Co-Al-Ti. Способ может быть использован в машиностроении, авиационной, космической промышленности, механотронике и микросистемной технике для создания исполнительных механизмов, датчиков, актюаторов, демпфирующих элементов.
0
Известно, что эффект памяти формы и сверхэластичность проявляют сплавы, испытывающие термоупругие мартенситные превращения. В сплавах на основе железа γ-α′ (γ - гранецентрированная кубическая решетка (ГЦК); α′ - объемно центрированная тетрагональная решетка (ОЦТ)) мартенситные превращения являются нетермоупругими и не наблюдается эффекта памяти формы и сверхэластичности. Для создания условий для термоупругих γ-α′-мартенситных превращений необходимо реализовать следующие условия: 1) повысить уровень деформирующих напряжений высокотемпературной фазы за счет изменения химического состава или выделения частиц второй фазы; 2) уменьшить изменение объема ΔV и величину деформации решетки ε при мартенситном превращении; 3) изменить тип деформации с инвариантной решеткой от скольжения в сплавах с нетермоупругим мартенситом к двойникованию в сплавах с термоупругим мартенситом; 4) увеличить тетрагональность решетки с/а и, соответственно, уменьшить величину двойникового сдвига при мартенситном превращении. Обычно эти условия достигаются за счет выделения дисперсных частиц второй фазы при термических обработках.
3
2
3
Известен способ термической обработки поликристаллов ферромагнитных сплавов на основе железа Fe-Ni-Co-Ti, который включает в себя термическую обработку материала в одну и две стадии старения, после которых γ-α′-мартенситное превращение становится термоупругим. Термическая обработка в одну стадию старения включает в себя следующую последовательность отжигов: 1) гомогенизационный отжиг в атмосфере инертного газа He при температуре 1100°C в течение 10 часов с последующей закалкой в воду комнатной температуры; 2) Закаленные образцы после гомогенизационного отжига подвергались старению в одну стадию при температуре 550-700°C в течение 1-15 минут. Термическая обработка в две стадии старения включает в себя следующую последовательность отжигов: 1) гомогенизационный отжиг в атмосфере инертного газа гелия при температуре 1100°C в течение 10 часов с последующей закалкой в 10% растворе КОН в воде комнатной температуры; 2) старение закаленных образцов при температуре 900°C в течение 3 минут с последующей закалкой в воду; 3) второе старение состаренных образцов при температуре 650°C в течение 30 минут (В.В. Кокорин, Л.П. Гунько. Тетрагональность решетки мартенсита и параметры γ-α′-превращения в сплавах Fe-Ni-Co-Ti. Металлофизика и новейшие технологии, 1995. т.17. №11, с.30-35; В.В. Кокорин. Мартенситные превращения в неоднородных твердых растворах. Киев, Наукова Думка. 1987. С.166.; Е. Cesari, V.A. Chernenko, V.V. Kokorin, J. Pons, C. Segui. Physical properties of Fe-Ni-Co-Ti alloy in the vicinity of martensitic transformation. Scripta Materialia, 1999, V.40. №3, pp 341-345). После данных термических обработок в сплавах на основе железа Fe-Ni-Co-Ti выделяются наноразмерные частицы (NiCo)Ti, атомно-упорядоченные по типу L1, размер которых оказывается равным 3-4 нм. Выделение упорядоченных наноразмерных частиц приводит к упрочнению высокотемпературной фазы, к увеличению тетрагональности решетки мартенсита с/а≥1.16 и к малым изменениям объема решетки при мартенситном превращении. В результате мартенситное превращение из нетермоупругого в закаленном состоянии переходит в термоупругое при выделении наноразмерных частиц с величиной температурного гистерезиса ΔT=50°C. Преимущество старения в две стадии перед старением в одну стадию заключается в том, что старение в две стадии приводит к развитию мартенситного превращения при комнатной температуре в отличие от старения в одну стадию, где мартенситное превращение начинается при температуре (-20°C) и ниже. Недостатком этих сплавов и термических обработок является то, что объемная доля наноразмерных частиц (NiCo)Ti оказывается малой, что не приводит к значительному росту прочностных свойств высокотемпературной фазы и в данном аналоге наблюдается только эффект памяти формы, но не проявляется эффект сверхэластичности. Увеличение объемной доли частиц за счет увеличения концентрации титана и увеличения времени старения больше 15 минут не привели к появлению сверхэластичности в сплавах Fe-Ni-Co-Ti.
3
Известен способ термической обработки поликристаллов ферромагнитных сплавов на основе железа Fe-Ni-Co-Al-Ta, включающий термомеханическую обработку материала в три этапа (Y. Tanaka, Y. Himuro, R. Kainuma, T. Omori, K. Ishida. Ferrous polycrystalline shape-memory alloy showing huge superelastisity. // Science. 2010, V.327, P.1488-1490). На первом этапе для получения острой текструктуры {035}<100> поликристалла заготовки сплава подвергали горячей прокатке при температуре 1250°C, после чего для получения однофазного твердого раствора исходной фазы (аустенит - γ-фаза) образцы отжигали при температуре 1300°C в течение 15 минут с последующим охлаждением в воду. На втором этапе вырезанные образцы подвергали дополнительной холодной прокатке до 98,6% без каких-либо промежуточных отжигов. После этого для получения однофазного твердорастворного состояния γ-фазы использовали гомогенизационный отжиг при температуре 1300°C в течение 18 часов. На третьем этапе использовали старение при температуре 600°C в течение 60-90 часов для выделения когерентных частиц упорядоченной γ′-фазы (Ni, Fe, Co)(Al, Ta) в неупорядоченном твердом растворе и получили сверхэластичность. В данном способе в отличие от первого способа достигается увеличение объемной доли наноразмерных частиц γ′-фазы размером 3-5 нм до 20% за счет замены Ti на Al и Ta. Однако при выделении наноразмерных частиц γ′-фазы не только повышается уровень прочностных свойств сплава, но и при старении по границам зерен выделяется β-фаза, что приводит к хрупкому разрушению и не достижению желаемых результатов по сверхэластичности. Дополнительное легирование В (бором) подавляет выделение β-фазы по границам зерен и способствует получению большой сверхэластичности до 13% при комнатной температуре. Недостатком данной термомеханической обработки является то, что выделение β-фазы по границам зерен не позволяет повышать температуру отжига для выделения частиц γ′-фазы и сократить время для ее выделения. Трудность такой термомеханической обработки состоит в том, что для получения острой структуры используются горячая прокатка при высоких температурах 1250°C и старение для получения упорядоченной γ′-фазы при температуре 600°C в течение 60-90 часов. В данном аналоге для получения сверхэластичности используют длительные термические обработки.
В качестве наиболее близкого аналога-прототипа выбран способ термической обработки монокристаллов [001] ориентации ферромагнитного сплава Fe-28%Ni-17%Co-11.5%Al-2.5%Ta (ат.%) с функциональными свойствами при деформации растяжением - с эффектом памяти формы и сверхэластичностью в температурном интервале от
(-196°C) до 50°C, описанный в работе (И.В. Киреева, Ю.И. Чумляков, В.А. Кириллов, I. Karaman, E. Cesari. Ориентационная и температурная зависимость сверхэластичности в монокристаллах FeNiCoAlTa, обусловленной обратимыми γ-α′-мартенситными превращениями. Письма в ЖТФ, 2011, Т.37, Вып. 10, С.86-94), который сочетает в себе получение монокристаллов, ориентированных вдоль [001] направления, их гомогенизационный отжиг в атмосфере инертного газа Не при температуре 1250°C в течение 5 часов с последующей закалкой в воду для получения однофазной структуры и старения в атмосфере инертного газа Не при температуре 700°C в течение 1-7 часов с последующей закалкой в воду, в результате которого происходит выделение частиц упорядоченной γ′-фазы размером 3-5 нм, и сверхэластичность наблюдается в широком температурном интервале величиной до 6,7%.
Данная термическая обработка монокристаллов по сравнению с поликристаллами не сопровождается выделением β-фазы и не требует специальных термомеханических обработок при высоких температурах для получения острой текстуры из-за отсутствия границ зерен. Однако в способе-прототипе наиболее существенным недостатком является невозможность получения сверхэластичности при деформации растяжением больше 7% из-за выделения частиц TaC размером 1-2 мкм, которые охрупчивают монокристаллы и уменьшают их пластичность.
3
Задачей настоящего изобретения является разработка способа термической обработки монокристаллов ферромагнитного сплава Fe-Ni-Co-Al-Ti с эффектом памяти формы и сверхэластичностью, ориентированных вдоль [001] направления при деформации растяжением, за счет старения при температуре 600°C-700°C в течение 1-7 часов. В данном сплаве Fe-Ni-Co-Al-Ti Ti является более легким элементом в отличие от Ta в системе Fe-Ni-Co-Al-Ta. Это, во-первых, приводит к более однородному распределению атомов Ti по слитку при выплавке заготовки и при росте монокристаллов. Во-вторых, за счет большей диффузионной подвижности атомов Ti в твердом состоянии удается сократить время при температурах старения 600°C до 4 часов для выделения частиц γ′-фазы (Ni, Fe, Co)(Al, Ti), чтобы получить эффект памяти формы и сверхэластичность. В сплавах Fe-Ni-Co-Al-Ta для получения эффекта памяти формы и сверхэластичности старение при температуре 600°C длится 60-90 часов. Поэтому Ti в сплаве Fe-Ni-Co-Al-Ti является более технологичным элементом, чем Ta.
Поставленная задача решается тем, что способ термической обработки монокристаллов ферромагнитного сплава Fe-Ni-Co-Al-Ti с эффектом памяти формы и сверхэластичностью, ориентированных вдоль [001] направления при деформации растяжением, включает гомогенизационный отжиг монокристаллов ферромагнитного сплава, содержащего, мас.%: Fe - 42,8, Ni - 30,7, Co - 18,4, Al - 5,8, Ti - 2,3, в атмосфере инертного газа He при температуре 1250°C в течение 10 часов, нагрев и выдержку при температуре 1280°C в течение 1 часа с последующей закалкой в воду комнатной температуры и старение в атмосфере инертного газа He при температуре 600-700°C в течение времени 1-7 часов с последующим охлаждением в воде. В отличие от прототипа в сплаве Fe-Ni-Co-Al-Ti, во-первых, при термических обработках нет фазы богатой танталом TaC, приводящей к снижению пластичности монокристаллов. Во-вторых, за счет большей диффузионной подвижности атомов Ti старение при температуре 600°C, приводящее к проявлению эффекта памяти формы и сверхэластичности, требует малые времена. При наличии частиц упорядоченной γ′-фазы размером 3-5 нм в новом сплаве Fe-Ni-Co-Al-Ti наблюдается эффект памяти формы под постоянной нагрузкой и сверхэластичность величиной от 4.5% до 8% в температурном интервале от (-196°C) до 20°C в монокристаллах, ориентированных вдоль [001] направления при деформации растяжением.
Требования к получению эффектов памяти формы под нагрузкой и сверхэластичности:
- осуществлять гомогенизационный отжиг в атмосфере инертного газа He при температуре 1250°C в течение 10 часов, затем перед закалкой в воду нагрев и выдержка в атмосфере инертного газа Не при температуре 1280°C в течение 1 часа для достижения химической однородности монокристалла и получения однофазной неупорядоченной структуры γ-фазы до выделения частиц упорядоченной γ′-фазы;
- размер частиц упорядоченной γ′-фазы не должен превышать размер 5 нм;
- старение при температуре при 600°C-700°C в течение 1-7 часов проводить в атмосфере инертного газа He с последующим охлаждением в воду при комнатной температуре.
0
Необходимо подчеркнуть, что в способе-прототипе исследования проводили на образцах с ориентацией оси нагрузки вдоль [001] направления при деформации растяжением. Поскольку именно вдоль [001] направления теоретически рассчитанная деформация решетки при γ-α′-превращении и, следовательно, ресурс обратимой деформации при реализации эффекта памяти формы и сверхэластичности имеют максимальные значения ε=8.7% при деформации растяжением. Однако в способе-прототипе при использованных термообработках в ориентации [001] данная теоретическая величина ресурса сверхэластичности не достигается.
Техническим результатом предложенного способа является получение функциональных свойств - эффекта памяти формы под нагрузкой и сверхэластичности в монокристаллах ферромагнитного сплава Fe-Ni-Co-Al-Ti, ориентированных вдоль [001] направления при деформации растяжением, с полной обратимостью заданной в цикле «нагрузка - разгрузка» деформации и с вариацией величины механического гистерезиса с одновременным увеличением механических характеристик высокотемпературной фазы за счет выделения частиц упорядоченной γ′-фазы.
Пример конкретного выполнения
3
Исходным материалом является монокристалл ферромагнитного сплава Fe-Ni-Co-Al-Ti, из которого методом электроискровой резки вырезаны образцы на растяжение в форме двойной лопатки, ориентированные вдоль [001] направления, размер образцов 2.5×1.5×12 мм. Образцы гомогенизировали в среде инертного газа He при температуре 1250°C в течение 10 часов, затем нагрев и выдержка при температуре 1280°C в течение 1 часа с последующей закалкой в воду комнатной температуры. После чего проводили старение при температуре 600°C-700°C в атмосфере инертного газа He в течение 1-7 ч с последующим охлаждением в воду.
В таблице приведены функциональные свойства при деформации растяжением полученного образца после термической обработки нового сплава, и для сравнения образца, полученного по способу-прототипу. Как показывают полученные результаты, образцы после предложенной термической обработки нового сплава обладают эффектом памяти формы и сверхэластичностью в широком температурном интервале величиной от 4.5% до 8%.
Таким образом, предложенный способ позволяет получить в монокристаллах ферромагнитного сплава нового химического состава на основе железа эффект памяти формы и сверхэластичность и использовать их в качестве инновационных технических решений, например, как актюаторы, исполнительные механизмы в различных современных технических конструкциях и устройствах.
Функциональные свойства монокристаллов сплава Fe-Ni-Co-Al-Ti после термообоработки по способу-прототипу, предложенной в настоящем проекте при деформации растяжением
Ориентация
Состояние
M<sub>s</sub>, (±2)°C
A<sub>f</sub>, (±2)°C
Т<sub>СЭ1</sub>, (±2)°С
Е<sub>СЭ2</sub>, (±2)°C
ΔТ<sub>СЭ</sub>, (±2)°C
σ, (±2) МПа
ε<sub>СЭ</sub>, (±0,5) %
ε<sub>ЭПФ</sub>, (±0,5) %
Прототип
[001]
Гомогенизационный отжиг 1250°C, 5 ч, закалка+старение700°C, 7 ч
-110
-90
-80
50
130
125
6.7
Термическая обработка по прототипу
[001]
Гомогенизационный отжиг 1250°C, 5 ч, закалка+старение 700°C, 7 ч
<-196
-80
60
140
130-180
4.5
4.5
Термическая обработка
[001]
Гомогенизационный отжиг 1250°C, 8 ч+нагрев и выдержка при 1280°C, 1 ч, закалка+старение 700°C, 1 ч
<-196
-196
5
200
130-300
7.5
4.5
Термическая обработка
[001]
Гомогенизационный отжиг 1250°C, 8ч + нагрев и выдержка при 1280°C, 1 ч, закалка+старение 600°C, 4 ч
<-196
-60
0
60
400-600
7.5
В данной таблице: M<sub>s</sub> - температура начала прямого мартенситного превращения при охлаждении, A<sub>f</sub> - температура конца обратного мартенситного превращения при нагреве; ΔТ<sub>СЭ</sub> - температурный интервал сверхэластичности от Т<sub>СЭ1</sub> до Т<sub>СЭ2</sub>; Δσ - величина механического гистерезиса; ε<sub>СЭ</sub> - величина максимальной обратимой деформации при реализации сверхэластичности; ε<sub>ЭПФ</sub> - величина максимальной обратимой деформации при реализации эффекта памяти формы.