RU2259415C1 - Материал с эффектом памяти формы - Google Patents
Материал с эффектом памяти формы Download PDFInfo
- Publication number
- RU2259415C1 RU2259415C1 RU2004100907/02A RU2004100907A RU2259415C1 RU 2259415 C1 RU2259415 C1 RU 2259415C1 RU 2004100907/02 A RU2004100907/02 A RU 2004100907/02A RU 2004100907 A RU2004100907 A RU 2004100907A RU 2259415 C1 RU2259415 C1 RU 2259415C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- titanium
- surface layer
- effect
- materials
- memory
- Prior art date
Links
Landscapes
- Materials For Medical Uses (AREA)
- Prostheses (AREA)
- Physical Vapour Deposition (AREA)
Abstract
Изобретение относится к материалам с эффектом памяти формы с модифицированной поверхностью, которые могут быть использованы в качестве имплантатов в медицине, в качестве температурных датчиков, термочувствительных и исполнительных элементов и конструкций в приборостроении, радиотехнике. Предложенный материал состоит из основы, выполненной из никелида титана следующего состава, ат.%: титан - 49-51, никель - остальное, и модифицированного легирующими элементами поверхностного слоя. Модифицированный поверхностный слой образован облучением низкоэнергетическим сильноточным электронным пучком, имеет толщину 1000-2500 нм и размеры кристаллитов не более 30 нм, в качестве легирующих элементов он содержит кислород и углерод, при следующем соотношении компонентов, ат.%: кислород - 10-20, углерод - 10-15, титан - 40-50, никель - остальное. Техническим результатом изобретения является создание материалов с эффектом памяти формы с высокой степенью формовосстановления как при малых, так и при больших деформирующих нагрузках. 1 табл.
Description
Изобретение относится к материалам с эффектом памяти формы (ЭПФ) с модифицированной поверхностью, которые могут быть использованы в качестве имплантатов в медицине, в качестве температурных датчиков, термочувствительных и исполнительных элементов и конструкций в приборостроении, радиотехники и т. д.
Известно большое количество сплавов с эффектом памяти формы, таких как Cu-Al, Cu-Al-Ni, Cu-Zn, Ag-Cd, Au-Cd, In-Tl, Ni-Al, Fe-Mn-Si, Fe-Pt, а также сплавы на основе Ti-Ni [Эффект памяти формы в сплавах. Пер. с англ. М.: Металлургия, 1979, 472 с.; Сплавы с эффектом памяти формы. К. Ооцука, К. Симидзу, Ю. Судзуки и др. Пер. с японск. - М.: Металлургия, 1990, 224 с.]. Однако при деформировании под большими нагрузками в этих материалах при последующем нагреве наблюдается значительный недовозврат исходной формы, т. е. низкая степень формовосстановления.
Известен материал на основе никелида титана с эффектом памяти формы с модифицированной методом имплантации ионов азота поверхностью [Налесник О.И., Ясенчук Ю.Ф., Мазуркина Н.А., Итин В.И., Гюнтер В.Э. Влияние электрополировки и ионной имплантации азота в поверхность на электрохимическое поведение титана и никелида титана в растворе NaCl. Имплантаты с памятью формы. 1992, №4, с.53-58.]. Предел текучести такого материала высокий, однако при больших нагрузках в нем развиваются процессы пластической деформации, что приводит к появлению остаточной деформации после нагрева и к неполному формовосстановлению образца.
Наиболее близким аналогом по совокупности существенных признаков к предлагаемому изобретению является запоминающий форму материал на основе никелида титана, состоящий из основы и поверхностного слоя, модифицированного легирующими элементами [патент РФ №2191842, С 22 С 19/03, приоритет 18.08.2000]. Однако степень формовосстановления этого материала при высоких деформирующих нагрузках недостаточно большая.
Актуальной задачей является создание материалов с ЭПФ с высокой степенью формовосстановления как при малых, так и при больших деформирующих нагрузках.
Указанный технический результат достигается тем, что материал с эффектом памяти формы, состоящий из основы и поверхностного слоя, модифицированного легирующими элементами обработкой низкоэнергетическим сильноточным электронным пучком (НСЭП), имеет толщину поверхностного слоя 1000-2500 нм, размеры кристаллитов в нем не более 30 нм.
В качестве основы выбран никелид титана следующего состава, ат.%:
титан | 49-51 |
никель | остальное, |
при этом химический состав поверхностного слоя имеет следующее соотношение элементов, ат.%:
кислород | 10-20 |
углерод | 10-15 |
титан | 40-50 |
никель | остальное. |
Материал с ЭПФ и таким поверхностным слоем даже при больших деформирующих нагрузках накапливает малую пластическую деформацию, а его степень формовосстановления при разгрузке или при последующем нагреве высока. Величина ЭПФ и температурный интервал проявления ЭПФ материала при этом практически не меняются.
Указанные свойства достигаются тем, что облучение материала с ЭПФ низкоэнергетическим сильноточным электронным пучком приводит к импульсному плавлению поверхностного слоя. За время существования жидкой фазы этот слой насыщается примесями кислорода и углерода, поступающими в расплав из остаточной атмосферы рабочей камеры, в которой происходит облучение. После окончания импульса в процессе высокоскоростной кристаллизации расплавленного слоя формируется мелкозернистая структура матричной фазы, содержащая мелкодисперсные частицы оксидов и карбидов. В результате зернограничного и дисперсионного механизмов упрочнения происходит увеличение предела прочности и уменьшение пластической деформации в материале при приложении внешних нагрузок.
Таким образом, создается поверхностный слой, отличающийся от основы материала с ЭПФ химическим и фазовым составами, микрокристаллической структурой, высокими прочностными характеристиками и сохраняющий высокие адгезионные параметры связи с основой.
Толщина поверхностного слоя материала с ЭПФ определяется из условий, что при меньшей толщине степень формовосстановления материала после деформирования большими нагрузками понижается до уровня материала-прототипа, а при большей толщине снижается величина ЭПФ. Максимальный размер кристаллитов и зерен вещества в поверхностном слое обусловлен технологическим режимом получения такого поверхностного слоя, кроме того, ультрамелкое зерно способствует повышению предела текучести в поверхностном слое, что также уменьшает величину пластической деформации и сохраняет высокой степень формовосстановления после приложения к материалу больших деформирующих нагрузок. Процентное содержание в поверхностном слое кислорода и углерода определяется тем, что уменьшение их количества ниже 10 ат.% не приводит к образованию в поверхностном слое достаточного количества оксидов и карбидов, повышающих предел текучести этого слоя, а увеличение их количества свыше 20 и 15 ат.% соответственно приводит к излишнему охрупчиванию поверхностного слоя.
Концентрационный интервал содержания титана в основе материала с ЭПФ из титан-никелевых сплавов определяется тем, что уменьшение его количества ниже 49 ат.% или увеличение выше 51 ат.% может привести к выделению в интерметаллическом соединении вторичных фаз, которые не обладают способностью к мартенситным превращениям и их присутствие может привести к вырождению мартенситного превращения в основном объеме материала и снижению величины ЭПФ.
Получение материала с ЭПФ с модифицированной поверхностью, состоящего из основы и модифицированного легирующими элементами поверхностного слоя, имеющего толщину 1000-2500 нм и размеры кристаллитов в нем не более 30 нм, невозможно известными способами.
Изобретение осуществляется следующим образом.
Пример: Материал с ЭПФ с поверхностным модифицированным слоем готовили поэтапно. Никелид титана состава Ti-50,5 aт.% Ni выплавляли шестикратным электродуговым переплавом в атмосфере аргона из компонентов: титан - иодидный, никель марки Н0. После плавки слиток подвергали экструзии, затем волочению с промежуточными отжигами. Полученные образцы в виде проволоки диаметром 2 мм и длиной 70 мм электролитически полировали.
Образцы облучали низкоэнергетическим сильноточным электронным пучком с параметрами: средняя энергия электронов 15- 20 кэВ, плотность энергии за импульс 5-8 Дж/см2, длительность импульса 1,5-3,5 мкс, число импульсов в серии 10-100, частота повторения импульсов 0,1 Гц. Облучение проводили в техническом вакууме 10-4-10-5 мм рт.ст., содержащем дозированное количество примесей кислорода и углерода.
Химический состав и структурно-фазовое состояние поверхностного слоя образцов в исходном состоянии и после облучения импульсным электронным пучком контролировали с помощью Оже-анализа и рентгенофазового анализа.
Величину и температурные интервалы проявления ЭПФ, остаточную деформацию после приложения различной деформирующей нагрузки определяли на установке типа обратный крутильный маятник. Схема испытаний следующая: выше температуры мартенситных превращений к образцу прикладывали постоянно действующий закручивающий момент сил. Нагруженный образец охлаждали ниже температур мартенситных превращений. Затем снимали нагрузку и осуществляли нагрев образца в свободном состоянии через интервал мартенситных превращений. На двухкоординатном пишущем потенциометре Н-307 фиксировали величину деформаций и температурные интервалы накопления и возврата деформации.
Из приведенных в таблице данных видно, что предлагаемые материалы с ЭПФ имеют малую величину остаточной деформации, обеспечивающую высокую степень формовосстановления по сравнению с прототипом.
Таблица. | ||||||||||||||||
№ | Материал | Состав модифицированного слоя по глубине, ат.% | Величина остаточной деформации при формовосстановлении после деформирования под нагрузкой, % | Параметры НСЭП | Примечание | |||||||||||
Элементы | 100 нм | 500 нм | 1000 нм | 2500 нм | 3000 нм | 100 Мпа | 300 МПа | 500 МПа | 700 МПа | 900 МПа | 1100 МПа | Плотность энергии, Дж/см2 | Число импульсов | |||
1 | TiNi без модификации поверхности | С | 3 | 3 | 3 | 3 | 3 | 0 | 0,4 | 2,5 | 6 | 12 | Более 20 | |||
О | 4 | 4 | 4 | 4 | 4 | |||||||||||
Ti | 46 | 46 | 46 | 46 | 46 | |||||||||||
Ni | 47 | 47 | 47 | 47 | 47 | |||||||||||
2 | TiNi с НСЭП-обработкой | С | 11 | 14 | 10 | 10 | 3 | 0 | 0 | 0,3 | 1,2 | 3 | 6 | 6 | 12 | |
О | 20 | 16 | 10 | 10 | 4 | |||||||||||
Ti | 40 | 41 | 43 | 43 | 46 | |||||||||||
Ni | 29 | 29 | 37 | 37 | 47 | |||||||||||
3 | TiNi с НСЭП-обработкой | С | 10 | 15 | 12 | 11 | 3 | 0 | 0 | 0,3 | 1,1 | 3 | 5,8 | 7,5 | 70 | |
О | 18 | 13 | 12 | 11 | 4 | |||||||||||
Ti | 44 | 44 | 45 | 45 | 46 | |||||||||||
Ni | 28 | 28 | 31 | 33 | 47 | |||||||||||
4 | TiNi с НСЭП-обработкой | С | 10 | 12 | 11 | 10 | 3 | 0 | 0 | 0,4 | 1,3 | 3,1 | 6,1 | 5,5 | 30 | |
O | 16 | 14 | 12 | 10 | 4 | |||||||||||
Ti | 43 | 44 | 45 | 47 | 46 | |||||||||||
Ni | 31 | 30 | 32 | 33 | 47 | |||||||||||
5 | TiNi с имплантированной поверхностью | С | 9 | 4 | 3 | 3 | 3 | 0 | 0,3 | 2,3 | 5,5 | 10 | Более 20 | Прототип | ||
O | 42 | 5 | 4 | 4 | 4 | |||||||||||
Ti | 38 | 45 | 46 | 46 | 46 | |||||||||||
Ni | 11 | 46 | 47 | 47 | 47 |
Claims (1)
- Материал с эффектом памяти формы с модифицированной поверхностью, состоящий из основы, выполненной из никелида титана следующего состава, ат.%: титан 49-51, никель остальное, и модифицированного легирующими элементами поверхностного слоя, отличающийся тем, что модифицированный поверхностный слой образован облучением низкоэнергетическим сильноточным электронным пучком, имеет толщину 1000-2500 нм и размеры кристаллитов не более 30 нм, а в качестве легирующих элементов он содержит кислород и углерод, при следующем соотношении компонентов, ат.%: кислород 10-20, углерод 10-15, титан 40-50, никель остальное.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2004100907/02A RU2259415C1 (ru) | 2004-01-09 | 2004-01-09 | Материал с эффектом памяти формы |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2004100907/02A RU2259415C1 (ru) | 2004-01-09 | 2004-01-09 | Материал с эффектом памяти формы |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2004100907A RU2004100907A (ru) | 2005-08-10 |
RU2259415C1 true RU2259415C1 (ru) | 2005-08-27 |
Family
ID=35844277
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2004100907/02A RU2259415C1 (ru) | 2004-01-09 | 2004-01-09 | Материал с эффектом памяти формы |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2259415C1 (ru) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2502823C1 (ru) * | 2012-04-12 | 2013-12-27 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский Томский государственный университет" (ТГУ) | Способ изготовления тонкой никелид-титановой проволоки |
RU2716926C1 (ru) * | 2019-10-28 | 2020-03-17 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики прочности и материаловедения Сибирского отделения Российской академии наук (ИФПМ СО РАН) | Способ комплексной упрочняющей обработки изделия из титанового сплава Ti-6Al-4V, полученного методом аддитивного производства |
-
2004
- 2004-01-09 RU RU2004100907/02A patent/RU2259415C1/ru not_active IP Right Cessation
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2502823C1 (ru) * | 2012-04-12 | 2013-12-27 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский Томский государственный университет" (ТГУ) | Способ изготовления тонкой никелид-титановой проволоки |
RU2716926C1 (ru) * | 2019-10-28 | 2020-03-17 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики прочности и материаловедения Сибирского отделения Российской академии наук (ИФПМ СО РАН) | Способ комплексной упрочняющей обработки изделия из титанового сплава Ti-6Al-4V, полученного методом аддитивного производства |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2004100907A (ru) | 2005-08-10 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Sergueeva et al. | Structure and properties of amorphous and nanocrystalline NiTi prepared by severe plastic deformation and annealing | |
US10563291B2 (en) | Method of forming a sintered nickel-titanium-rare earth (Ni—Ti—Re) alloy | |
Sotniczuk et al. | Enhancement of the corrosion resistance and mechanical properties of nanocrystalline titanium by low-temperature annealing | |
Morris | High temperature properties of ductile Cu Al Ni shape memory alloys with boron additions | |
Grossmann et al. | Processing and property assessment of NiTi and NiTiCu shape memory actuator springs | |
EP2804711B1 (en) | Mixture of powders for preparing a sintered nickel-titanium-rare earth metal (ni-ti-re) alloy | |
Pintsuk et al. | Thermal shock response of fine-and ultra-fine-grained tungsten-based materials | |
JP6916479B2 (ja) | マグネシウム・鉄合金の製造方法、マグネシウム・鉄合金及びそれを用いた生体医療材料 | |
Raganya et al. | The microstructural and mechanical characterization of the β-type Ti-11.1 Mo-10.8 Nb alloy for biomedical applications | |
Abbas et al. | Effect of Laser Energy on the Structure of Ni46-Ti50-Cu4 Shape-Memory Alloy. | |
JP6587174B2 (ja) | 高靱性マグネシウム基合金伸展材及びその製造方法 | |
Kim et al. | Martensitic transformation and superelasticity of Ti-Nb-Pt alloys | |
RU2259415C1 (ru) | Материал с эффектом памяти формы | |
Horvay et al. | Development of nitinol alloys for additive manufacturing | |
An et al. | Fast aging kinetics of the AA6016 Al-Mg-Si alloy and the application in forming process | |
Li et al. | Tailoring microstructure and martensitic transformation of selective laser melted Ti49. 1Ni50. 9 alloy through electropulsing treatment | |
Wang et al. | Microstructures of TC21 alloys after hydrogenation and dehydrogenation | |
Xing et al. | Structure stability of AA3003 alloy with ultra-fine grain size | |
Motlagh et al. | EBSD study on the effect of second phases and restoration mechanisms in hot deformed new Mn–Ni–Cr alloy | |
Al-Ethari et al. | Effects of Ag and Cu nanopowders on mechanical and physical properties of NiTi shape memory alloy | |
Samiee et al. | The effect of continuous heating on microstructure development in thermo-mechanically processed Ti-10V-3Fe-3Al alloy produced by powder metallurgy | |
Bednarczyk et al. | Enhanced mechanical properties and microstructural stability of ultrafine-grained biodegradable Zn–Li–Mn–Mg–Cu alloys produced by rapid solidification and high-pressure torsion | |
El-Daly et al. | Effect of isothermal ageing on the electrical resistivity and microstructure of Pb–Sn–Zn ternary alloys | |
Lang et al. | Evolution of strain-induced precipitates in a molybdenum base Mo-Hf-C alloy | |
Raynova | Study on low-cost alternatives for synthesising powder metallurgy titanium and titanium alloys |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20130110 |