СПОСОБ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ МОНОКРИСТАЛЛОВ СПЛАВА Fe-Ni-Co-Al-Ti-Nb, ОРИЕНТИРОВАННЫХ ВДОЛЬ НАПРАВЛЕНИЯ [001], С ДВОЙНЫМ ЭФФЕКТОМ ПАМЯТИ ФОРМЫ
METHOD OF HEAT TREATMENT OF MONOCRYSTALS OF ALLOY Fe-Ni-Co-Al-Ti-Nb, ORIENTED ALONG DIRECTION [001], WITH DOUBLE EFFECT OF SHAPE MEMORY

Изобретение относится к области металлургии, а именно к термомеханической обработке монокристаллов сплава  Fe-Ni-Co-Al-Ti-Nb. Способ может быть использован  в машиностроении, авиационной, космической промышленности, механотронике и микросистемной технике для создания исполнительных механизмов, датчиков, актюаторов, демпфирующих элементов.
2
к
к
к
к
к
н
Известно, что термоупругое γ-α' (γ- гранецентрированная кубическая решетка (ГЦК); α'- объемноцентрированная тетрагональная решетка (ОЦТ)) мартенситное превращение с эффектом памяти формы и сверхэластичности в сплавах на основе железа реализуется при выделении когерентных частиц γ'-фазы, упорядоченных по типу L1, размером 3-20 нм. Сплавы, испытывающие термоупругие мартенситные превращения могут проявлять как односторонний, так и двойной эффект памяти формы. Односторонний эффект памяти формы – это способность материала при нагреве выше температуры конца обратного мартенситного превращения при нагреве А возвращать приобретенную ранее в мартенситном состоянии деформацию и восстанавливать форму. Односторонний эффект памяти формы можно получить двумя способами. Первый способ получения одностороннего эффекта памяти формы включает деформацию материала при температуре испытания равной температуре конца прямого мартенситного превращения при охлаждении М, затем снятие нагрузки при этой температуре и нагрев при температуре выше температуры А. Второй способ получения одностороннего эффекта памяти формы состоит в охлаждении и нагреве материала в температурном интервале  М>Т>А под постоянной приложенной нагрузкой. Двойной эффект памяти формы – это самопроизвольное изменение формы материала – сжатие или растяжение образца при охлаждении/нагреве в отсутствии внешних напряжений за счет внутренних ориентированных полей  напряжений. Как правило, в материалах с термоупругими мартенситными превращениями наблюдается односторонний эффект памяти формы. Для реализации двойного эффекта памяти формы необходимо создать в материале внутренние ориентированные поля напряжений, которые получают за счет дополнительных изменений структуры материала, например за счет ориентированного роста частиц второй фазы при старении под сжимающими или растягивающими напряжениями, за счет введения кристаллических дефектов при термоциклической тренировке через температуру начала прямого мартенситного превращения М и др.
о
о
о
о
Известен способ термической обработки поликристаллов ферромагнитных сплавов на основе железа Fe-Ni-Co-Al-X [1], который включает термическую обработку материала в три этапа, после которых γ-α'-мартенситное превращение становится термоупругим и реализуется сверхэластичность. На первом этапе для получения листа толщиной 10 мм из полученного сплава использовали горячую прокатку при температуре1300С, затем этот лист отжигали при 1300С в течение 10 минут и охлаждали на воздухе. На втором этапе  листы сплава подвергали холодной прокатке до 98% и получали листы толщиной 0.2 мм, после чего листы сплава выдерживали при 1300С в течение 30 минут с последующей закалкой в воду для получения однофазного твердого раствора γ- фазы и получения преимущественной ориентации зерен <100> и <110>. На третьем этапе использовали отжиг при Т= 600С в течение 90 часов для выделения  когерентных частиц упорядоченной γ'-фазы. В результате такого способа термической обработки в сплаве Fe-Ni-Co-Al-Ta-B была получена сверхэластичность до 13% при комнатной температуре. Недостатком данной термомеханической обработки является то, что выделение хрупкой β-фазы по границам зерен не позволяет повышать температуру отжига и сократить время для выделения частиц γ'-фазы. Трудность такой термомеханической  обработки состоит в том, что для получения преимущественной ориентации зерен <100> и <110> в листе используются горячая прокатка при высоких температурах Т=1300ºС, большая степень прокатки до 98% и длительные отжиги 90 часов при температуре 600ºС для получения упорядоченной γ'-фазы. Двойным эффектом памяти формы такие поликристаллы не обладают.
н
к
Известен способ термической обработки монокристаллов ферромагнитного сплава на основе железа Fe-Ni-Co-Al-Nb со сверхэластичностью величиной 13-15.3% [2], который включает в себя получение монокристаллов, ориентированных вдоль [001] направления, их гомогенизационный отжиг при 1250ºС в течение 10 часов, нагрев и выдержку в атмосфере инертного газа He при температуре 1280ºС в течение 1 часа с последующей закалкой в воду комнатной температуры и старение в атмосфере инертного газа He при температуре 700ºС в течение 0.5 часа с последующим охлаждением в воду. К недостаткам этой термической обработки монокристаллов сплава Fe-Ni-Co-Al-Nb относится низкая температура M начала прямого при охлаждении и низкая температура Aконца обратного при нагреве γ-α'-мартенситного превращения. В результате этого при температуре испытания -196ºС напряжения для начала развития γ-α'-мартенситного превращения под нагрузкой оказываются высокими 350-400 МПа и односторонний эффект памяти формы не реализуется, а сверхэластичность наблюдается ниже комнатной температуры в температурном интервале от -196ºС до 8 ºС, что ограничивает широкое применение этого метода в производстве.  Данная термическая обработка монокристаллов, ориентированных вдоль [001] направления, не приводит к появлению двойного эффекта памяти формы.
н
В качестве наиболее близкого аналога-прототипа выбран способ термической обработки  монокристаллов [001] ориентации сплавов  Fe-28%Ni-17%Co-11.5%Al-2.5%(X)(0.05%B) (ат.%) (X=Ti, Nb(B), (Ti+Nb)B) с односторонним эффектом памяти формы и сверхэластичностью в температурном интервале от (-196 ºС) до 50ºС, описанный в работе [3], который сочетает в себе получение монокристаллов, ориентированных вдоль [001] направления, их гомогенизационный отжиг в атмосфере инертного газа  He при температуре 1280ºС в течение 10 часов, нагрев и выдержку в атмосфере инертного газа He при температуре 1300ºС в течение 1 часа с последующей закалкой в воду комнатной температуры   и старение в атмосфере инертного газа He при температуре 700ºС в течение 5 часов, в результате которого происходит выделение когерентных частиц упорядоченной γ'-фазы размером 3-10 нм и  реализуется сверхэластичность величиной 5-7.5% и односторонний эффект памяти формы под нагрузкой величиной 2.5-3% за счет повышения температуры M для начала прямого γ-α'-мартенситного превращения при охлаждении и уменьшения напряжений для развития γ-α'-мартенситного превращения под нагрузкой при -196ºС. В способе-прототипе наиболее существенным недостатком является наличие частиц карбида металлов МеС размером 1-2 мкм в результате недостаточного гомогенизационного отжига, что приводит к неоднородности материала и не достижению  величины одностороннего эффекта памяти формы и сверхэластичности теоретического значения деформации решетки для γ-α'-мартенситного превращения при деформации растяжением 8.7%. В способе-прототипе за счет старения в свободном состоянии невозможно создать условия для наблюдения двойного эффекта памяти формы.
Задачей настоящего изобретения является разработка способа получения двойного эффекта памяти формы в монокристаллах сплава Fe-Ni-Co-Al-Ti-Nb, ориентированных вдоль [001] направления, за счет термомеханической термообработки.
Поставленная задача достигается способом термической обработки монокристаллов сплава Fe-Ni-Co-Al-Ti-Nb, включающим гомогенизирующий отжиг при 1285ºС в течение 20 часов, закалку в воду от температуры 1300ºС, 1 час и затем старение закаленного монокристалла, которое в отличие от прототипа проводим в два этапа: вначале старение в свободном состоянии при температуре 700°С в течение 5 часов,  а затем старение под действием растягивающей нагрузки 120 МПа, соответствующей области упругой деформации монокристалла вдоль [001] направления, при температуре 600°С в течение 2 часов  для получения ориентированного роста дисперсных частиц γ'-фазы размером 7-10 нм и неравноосных частиц NiAl β- фазы диаметром 15-25 нм и длиной 50-75 нм  и создания дальнодействующих внутренних ориентированных полей напряжений в материале с целью получения двойного эффекта памяти формы. Второй этап старения под растягивающей нагрузкой 120 МПа при 600°С в течение 2 часов обеспечивает более однородное распределение частиц γ'-и β- фазы вдоль направления приложенной нагрузки и изменяет форму частиц γ'-фазы от сферической к неравноосной.
Требования к получению двойного эффекта памяти формы при старении под нагрузкой:
- осуществлять гомогенизационный отжиг  в атмосфере инертного газа He при 1285-1300ºС в течение 20 часов затем  перед закалкой в воду нагрев и выдержка в атмосфере инертного газа Не при температуре 1300ºС в течение 1 часа для достижения химической однородности монокристалла и получения однофазной неупорядоченной структуры γ-фазы до выделения частиц упорядоченной  γ'-и β- фазы;
- старение в свободном состоянии при температуре при 700°С в течение 5 часов проводить в атмосфере инертного газа He с последующим охлаждением в воду при комнатной температуре;
- размер частиц упорядоченной  γ'-фазы должен находиться в интервале 5–10 нм;
- размер частиц упорядоченной  β-фазы должен находиться в интервале: диаметр 15–20 нм, длина 50–75 нм;
-2
- старение под нагрузкой 120 МПа проводить в вакууме не хуже 10Па при температуре 600°С в течение 2 часов;
- в вакуумной камере монокристалл до приложения растягивающей нагрузки 120 МПа необходимо нагреть до 200°С, для того чтобы данная нагрузка не приводила к пластической деформации и находилась только в области  упругой деформации исходной высокотемпературной  γ-фазы;
- после выдержки под растягивающей нагрузкой 120 МПа при температуре  600°С в течение 2 часов, нагрузку с образца снимать после охлаждения до 200°С;
- нагрев и охлаждение выполнять со скоростью 10–20 °С/мин.
Необходимо подчеркнуть, что в способе-прототипе, после старения в свободном состоянии при температуре  700°С в течение 5 часов выделяются только частицы  γ'-фазы равноосной формы размером 3–10 нм, ориентированные внутренние поля напряжений не образуются и двойной эффект памяти формы не реализуется.  В предложенном способе старение в два этапа приводит к выделению частиц двух фаз γ'-и β- фазы, которые ориентированы относительно внешней нагрузки и имеют неравноосную форму, что приводит к появлению ориентированных внутренних полей напряжений и, соответственно, ориентированному варианту кристаллов α'-мартенсита и проявлению растягивающего двойного эффекта памяти формы.
н
н
к
н
к
Техническим результатом предложенного способа  является улучшение функциональных свойств – повышение температуры M начала прямого γ-α'-мартенситного превращения при охлаждении на  110 - 120ºС относительно одноступенчатого старения при температуре 700ºС в течение 5 часов; односторонний и растягивающий двойной эффекты памяти формы с величиной обратимой деформации от 1.7(±0,5)% до 3.5(±0,5)% за счет создания внутренних полей напряжений в материале при старении под нагрузкой; температурный интервал проявления растягивающего двойного эффекта памяти формы 118-357К (при отсутствии внешних напряжений температуры, характеризующие двойной эффект памяти формы:  M=232К, M=118К, А=187К, А=350К); термоциклическая стабильность двойного эффекта памяти формы при числе термоциклов n=10; сверхэластичность величиной 3.5-5% в температурном интервале от  –30 ºС до +60 ºС.
Пример конкретного выполнения.
3
Исходным материалом являются монокристаллы сплава Fe-Ni-Co-Al-Ti-Nb, из которых методом электроискровой резки вырезаны образцы на растяжение в форме двойной лопатки, ориентированные вдоль [001] направления, размер образцов 2.5x1.5x12 мм. Образцы гомогенизировали  в среде инертного газа He при температуре 1285ºС в течение 20 часов, затем нагрев и выдержка  при температуре 1300ºС в течение 1 часа с последующей закалкой  в воду комнатной  температуры. После чего проводили старение в два этапа: первый этап – старение в свободном состоянии при температуре 700°С в атмосфере инертного газа Не в течение 5 часов  с последующим  охлаждением в воду и второй этап – старение под растягивающей нагрузкой 120 МПа, приложенной вдоль [001] направления, при 600°С в течение 2 часов в вакууме со скоростью нагрева/охлаждения 10–20 °С/мин.
В таблице 1 приведены функциональные свойства при деформации растяжением монокристалла с осью ориентации [001] сплава Fe-Ni-Co-Al-Ti-Nb после термической обработки и для сравнения образца, полученного по способу-прототипу. Как показывают, полученные результаты, образцы после предложенной термической обработки обладают односторонним и двойным эффектом памяти формы с величиной обратимой (растягивающей) деформации от 1.7(±0,5)% до 3.5(±0,5)% и  сверхэластичностью величиной 3.5-5(±0,5)% при деформации растяжением.
Таблица 1. Функциональные свойства монокристаллов сплава Fe-Ni-Co-Al-Ti-Nb по способу-прототипу и после термообоработки, предложенной в настоящем проекте при деформации растяжением.
н
к
СЭ1
СЭ2
СЭ
СЭ
ЭПФ
ДЭПФ
В данной таблице: I – сплав Fe-Ni-Co-Al-Ti; II - сплав Fe-Ni-Co-Al-Nb; III - сплав Fe-Ni-Co-Al-TiNbB;  IV- сплав Fe-Ni-Co-Al-TiNb; M– температура начала прямого мартенситного превращения при охлаждении, А– температура конца обратного мартенситного превращения при нагреве; Т– температура появления первой петли сверхэластичности; Т– максимальная температура наблюдения сверхэластичности; ΔТ – температурный интервал сверхэластичности; ε – величина максимальной обратимой деформации при реализации сверхэластичности; ε – величина эффекта памяти формы под нагрузкой; ε– величина двойного эффекта памяти формы.
Таким образом, предложенный способ позволяет получить в монокристаллах с осью ориентации [001] сплава Fe-Ni-Co-Al-Ti-Nb двойной эффект памяти формы за счет выделения ориентированных частиц γ'-и β- фазы с сохранением сверхэластичности на уровне 3.5-5(±0,5)% и использовать их в качестве инновационных технических решений, например, как актюаторы, исполнительные механизмы в различных современных технических конструкциях и устройствах.
Источники информации:
1. Патент EP 1961830; МПК  C21D9/46, C22C38/00, C22C38/14, C22C38/60; опубл. 27.10.2010.
2. Патент RU 2495946; МПК C22C38/12, C21D6/00; опубл. 20.10.2013.
3. Ю.И. Чумляков, И.В. Киреева, О.А. Куц, Ю.Н. Платонова, В.В. Поклонов, И.В. Куксгаузен, Д.А. Куксгаузен, М.Ю. Панченко, К.А. Реунова.  Термоупругие мартенситные превращения в  монокристаллах сплавов FeNiCoAlX(B). Известия вузов. Физика. 2015. № 11. С.61-68.