Введение к работе
Актуальность темы. Создание интеллектуальных материалов, способных реагировать на внешние воздействия изменением своих функциональных характеристик, является одной из важных задач современного материаловедения. Устройства на основе интеллектуальных материалов имеют ряд преимуществ по сравнению с обычными устройствами: они эффективнее и имеют меньшие эксплуатационные затраты.
Одними из широко известных интеллектуальных материалов являются сплавы, обладающие эффектом памяти формы (ЭПФ). Сплавы систем Ni-Ti, Cu-Zn-Al и Cu-Al-Ni нашли широкое применение в разных областях от медицины до машиностроения. Они применяются в деталях, работающих при температурах от -200 до +120С. Сплавы из никелида титана имеют лучшую биосовместимость к живому организму, степень восстановления формы и коррозионную стойкость по сравнению с медными сплавами. Однако есть задачи, в которых необходимо применить сплавы с ЭПФ при более высоких температурах 250-400С. Это решается путем дополнительного легирования никелида титана не дешевыми элементами Au, Pd и Pt, что ведет к существенному удорожанию конечной продукции. Создание более дешевых материалов, которые не хуже в функциональном плане, чем свои аналоги, играет огромную роль в современной экономике.
Мартенситные превращения (МП) в сплавах Ni-Al были
обнаружены в 50-70-ые годы прошлого столетия. Температура
мартенситного превращения в этих сплавах варьируется в широких
пределах от -180 до +500С за счет изменения концентрации никеля.
Сплавы обладают прекрасной жаростойкостью, и это дает
возможность для получения на их основе материалов, обладающих
высокотемпературным эффектом памяти формы (ВТЭПФ). К тому же,
в их состав не входят дорогие легирующие элементы, что может дать
им конкурентное преимущество по отношению к сплавам Ti-Ni -
Au, Ti-Ni -Pd и Ti-Ni -Pt.
Сдерживающим фактором в создании сплавов на основе Ni-Al с ВТЭПФ является их низкая пластичность в крупнокристаллическом состоянии. Кроме того, образование сверхструктурных фаз типа А5Вз (Ni5Ab) и А2В (Ni2Al) приводит к стабилизации р-матрицы по
отношению к прямому или обратному мартенситному превращению, что затрудняет проявление ВТЭПФ. Охрупчивание этих сплавов '. можно уменьшить тремя основными путями: измельчением зерна; легированием третьим элементом; введением пластичной у-фазы в однофазные р-сплавы.
Замещение половины Ni кобальтом в мартенситных сплавах Ni-Al переводит их из парамагнитного в ферромагнитное состояние с сохранением эффекта термоупругости. Сплавы Co-Ni-Al рассматриваются в качестве возможного аналога сплава Ni2MnGa, который под действием внешнего магнитного поля значительно изменяет свою форму за счет переориентации двойников в мартенсите (при этом обратимая деформация монокристаллов может достигает 6%). Однако исследователи не исключают возможность получения такого эффекта и на поликристаллических образцах. Полагают, что для этого необходимо создать текстурованное состояние с преимущественной ориентировкой.
Представляемая диссертация посвящена изучению возможности создания микрокристаллического состояния и влияния измельчения зерна и дополнительного легирования на структурные и фазовые превращения и характеристики эффекта памяти формы в сплавах на основе Ni-Al. Цель работы и задачи исследования
Цель работы - изучить влияние легирования и измельчения зерна до микрокристаллического состояния на структурные и фазовые превращения в сплавах на основе моноалюминида никеля и связанные с ними эффекты памяти формы. При этом в качестве метода синтеза образцов выбран способ спиннингования из расплава.
В связи с поставленной в работе целью создания перспективных более пластичных сплавов на Ni-Al основе с ВТЭПФ предполагалось решить следующие задачи:
Получить методом спиннингования сплавы на основе Ni-Al и Ni-А1-Х (где Х= Со, Cr, Si);
Исследовать мартенситное превращение в быстрозакристаллизованных из расплава (БЗР) сплавах, и определить влияние распада с образованием сверхструктурных фаз типа А2В (Ni2Al) и А5В3 (NisAl3) в БРЗ-сплавах на обратимость и критические температуры термоупругого мартенситного
превращения;
Выполнить исследования особенностей проявления эффекта памяти формы в микрокристаллических сплавах Ni-Al и Ni-Al-X;
Изучить особенности структурных и фазовых превращений в ферромагнитных БЗР-сплавах Co-Ni-Al. Определить температуры перехода из ферромагнитного в парамагнитное состояние (Тс) в зависимости от легирования. Синтезировать микрокристаллические сплавы, в которых Тс выше температур прямого и обратного мартенситных превращений.
Научная новизна. Выполнено систематическое исследование полученных методом быстрой закалки из расплава микрокристаллических сплавов на основе систем Ni-Al, Ni-Al-X (Х= Со, Cr, Si) и Co-Ni-Al с термоупругим мартенситным превращением:
Определены температурно-временные интервалы распада быстрозакристализованных пересыщенных никелем микрокристалллических Р-сплавов на основе моноалюминида никеля в мартенситном и аустенитном состояниях. Построены С-образные кривые распада микрокристаллических мартенситных сплавов №65А1з5 и №5бА1з4Сою (ат.%);
Показано, что легирование кобальтом моноалюминида никеля существенно снижает степень распада как мартенсита, так и аустенита с образованием фазы типа А5В3 ОМІ5АІ3), а также приводит к полному подавлению распада аустенита с образованием метастабильной фазы типа AiB (NiiAl);
Показано, что ленты БЗР сплавов толщиной -30 мкм (Ni64Al36, №б5А135 и №б4А1з2Сг4 ат.%) обладают более высокой пластичностью (-2-4%) по сравнению с обычным крупнокристаллическим состоянием (фольга толщиной -70 мкм, изготовленная из литого образца, разрушается по границам зерен при деформации, равной -0,5%.). Одной из причин повышенной пластичности может быть на 3 порядка меньший размер зерна БЗР сплавов, что обеспечивает, в частности, меньшую приграничную концентрацию примесей.
Практическая значимость работы. В работе показано, что
измельчение зерна до микрокристаллического состояния привело к
увеличению пластичности в БЗР сплавах Ni^A^, №б4АЬб и
№5бА134Сою. Предложены и экспериментально обоснованы
перспективные пути стабилизации обратимости
высокотемпературного МП в р-сплавах на основе моноалюминида никеля. На способ термической обработки получен патент Российской Федерации на изобретение №2296178 с датой приоритета от 20 сентября 2005г.
Выясненные закономерности образования фаз типа А5В3 (NisAb) и АгВ (№гА1) в микрокристаллических В-сплавах Ni-Al следует учитывать при разработке и эксплуатации жаростойких защитных покрытий жаропрочных никелевых сплавов для газотурбинных установок, где к покрытиям предъявляются строгие требования высокой стабильности структуры при повышенных температурах.
Положення, выносимые на защиту:
Составы и структура быстрозакристаллизованных из расплава сплавов с высокотемпературным эффектом памяти формы на основе Ni-Al, легированных Со, Сг и Si;
Принципы создания перспективных функциональных БЗР сплавов системы Ni-Al с высокотемпературным эффектом памяти формы, включающие легирование третьим элементом (например, кобальтом) и кратковременный стабилизирующий отжиг в низкотемпературной аустенитной области;
Построение изотермических диаграмм начала распада для быстрозакристаллизованных из расплава сплавов Ni65Ab5 и №5бА134Со,о;
Составы ферромагнитных быстрозакристаллизованных сплавов Co-Ni-Al с температурой мартенситного превращения выше комнатной.
Достоверность полученных результатов обеспечивается воспроизводимостью результатов на большом числе сплавов и их согласием с известными в литературе данными, полученные другими методами; использованием современных методов исследования структуры и фазового состава, включая просвечивающую электронную микроскопию, оптическую микроскопию, а также резистометрические и магнитные исследования.
Личный вклад автора. Вошедшие в работу результаты были получены автором под научным руководством Косицына С. В., а также совместно с соавторами Катаевой Н.В., Завалишином В.А., Поповым А.Г. и Косицыной И.И. Автором проведен углубленный анализ существующей проблемы. Им лично была сконструирована и
собрана лабораторная установка по измерению
электросопротивления, проведены измерения электросопротивления, выполнена расшифровка и анализ данных просвечивающей электронной микроскопии. Автор принимал непосредственное основное участие в постановке всех задач исследования, их выполнении и обсуждении всех полученных результатов.
