Області використання сплавів на основі інтерметалідів

Області використання інтерметалідів і сплавів на їх основі надзвичайно широкі через велику різноманітність їх властивостей. До цих матеріалів належать сплави з особливими фізичними та хімічними властивостями. Жароміцні алюмініди та сплави на їх основі представляють значний інтерес для авіаційної та аерокосмічної техніки внаслідок високої стабільності, жароміцності та жаростійкості. Так, зокрема, сплави на основі алюмініду титану (Ti₃Al) використовують для виготовлення ущільнень сопел форсажної камери двигуна (авіаційного), стільникових конструкцій надзвукових літаків, а також інших деталей.

Сплави на основі TiAl вважають перспективними матеріалами для виготовлення опор трубопроводів, ущільнювачів кожуху, статору компресору, повітряних фільтрів камери низького тиску, деталей сопла, лопаток компресору, корпусу турбіни авіаційних двигунів. Сплави на основі TiAl можуть бути використані для виготовлення елементів обшивки космічних апаратів та елементів теплозахисних систем надзвукових літаків. Інтерметалід TiAl передбачається використовувати для виготовлення вихлопних клапанів, деталей турбокомпресорів та інших елементів двигунів автомобілів замість жароміцних нержавіючих сталей та нікелевих сплавів.

Сплави на основі алюмінідів нікелю можуть бути використані в якості конструкційних ливарних матеріалів для виготовлення деталей машин, що працюють тривалий час при підвищених температурах в окислювальних середовищах, причому, для забезпечення їх працездатності у цих умовах не вимагається спеціального захисту. Використання цих сплавів у промисловості дозволить істотно підвищити термін служби та експлуатаційну надійність деталей, зменшити їх вагу. Нові сплави на основі Ni₃Al призначені для роботи при підвищених температурах в середовищі активних газів та рідин. З них, зокрема, можуть виготовлятися поршні, вентилі, ротори в машинобудуванні, нагрівальні труби.

Інтерметалідні сполуки та сплави на їх основі є перспективними конструкційними матеріалами для роботи при високих температурах. Вважається, що використання інтерметалічних сполук може відкрити нову еру у створенні двигунів для аерокосмічної техніки і розвитку інших галузей промисловості.

Сплави з ефектом пам’яті форми використовують у тих випадках, коли конструкцію або елемент складно, або зовсім неможливо виготовити стандартними способами. Наприклад, установка защіпок у з’єднання, до якого немає підходу з внутрішньої сторони. У цьому випадку защіпку з двома голівками охолоджують до температури нижче М_к і замикаючу голівку деформацією перетворюють у циліндр, який дорівнює по діаметру стрижню защіпки. Стрижень вставляють в отвір з’єднання защіпки і після нагріву до температур вище А_к кінець стрижня перетворюється знову у замикаючу голівку.

Сплави типу «нітинол» використовують для виготовлення муфт з’єднання і ущільнень трубопроводів у складно доступних для монтажу місцях, зокрема, при виготовлення авіаційної техніки. Такі муфти для збільшення їх діаметру деформують у рідкому азоті й у охолодженому вигляду вільно насаджують на місце стику. Після нагріву до кімнатної температури муфта відновлює свою форму і забезпечує щільне та міцне з’єднання труб.

Для космічної техніки великий інтерес представляють пристрої великої довжини, що саморозгортаються, типу антен. Виробу надають форму, яка вимагається при експлуатації, потім його згортають (деформують) при кімнатній температурі, щоб можна було транспортувати у компактному вигляді. Після доставки на місце призначення згорнутий виріб відігрівається внаслідок підігріву на сонці й приймає форму, що вимагається.

Крім вказаних, було запропоновано багато різних інших областей використання сплавів з ЕЗФ: біологічні імплантанти, нові матеріали в стоматології, пружини різного призначення, теплові двигуни, маніпулятори і інш. Без сумніву, області використання сплавів з ЕЗФ будуть безперервно розширюватися.

9. СПЛАВИ З ЕФЕКТОМ ПАМ¢ЯТІ ФОРМИ

Ефект запам’ятовування форми (ЕЗФ) проявляється у тому, що після надання зразку певної форми при підвищеній температурі йому надають нову форму за допомогою пластичної деформації при більш низькій температурі, а після нагріву вихідна форма зразку (деталі) відновлюється. Основою цих ефектів є зворотні деформаційні процеси, які обумовлені рухом меж, що ковзають (когерентних, напівкогерентних, двійникових), між кристалами при зсувному перетворенні. При ковзаючому русі межі атомів зміщуються по відношенню до своїх сусідів на відстань, меншу за міжатомну. При такому русі немає потоку вакансій й інших крапкових дефектів, а енергія активації значно менша за енергію самодифузії.

Одним з механізмів відновлення форми зразку після деформації (найбільш важливим механізмом) є той, який пов’язаний з термопружним мартенситним перетворенням (рисунок 9.1, рисунок 9.2).

М_Н та М_К – температури початку та кінця прямого мартенситного перетворення; А_Н та А_К – температури початку та кінця зворотного мартенситного перетворення

Рисунок 9.1 – Зміна кількості термопружного мартенситу при охолодженні () та нагріві (®)

При гартуванні монокристал перетерплює пряме мартенситне перетворення (рисунок 9.3). Для повернення вихідної форми зразку (деталі) необхідне виконання наступних умов: а – мартенситне перетворення повинно бути кристалографічно зворотним; б – мартенситне перетворення повинно бути термічно зворотним; в – усі деформаційні процеси повинні бути механічно зворотними.

Рисунок 9.2 – Схема, що ілюструє зв’язок деформації з напругою (а) та залежність відновлюваної деформації EF від температури при нагріві (б)

Схематичне уявлення процесів, що призводять до ефекту запам’ятовування форми:

а. Монокристал вихідної фази певної геометричної форми при температурі вище М_Н.

б. Багатоорієнтаційний мартенсит, який утворився при гартуванні монокристалу в результаті прямого мартенситного перетворення. Через різну орієнтацію мартенситних пластин макроскопічної зміни форми не здійснюється.

в. При температурі нижче М_К прямого мартенситного перетворення монокристалу деформацією e надають нову форму, причому, при знятті нагрузки не здійснюється відчутної зміни форми деформованого монокристалу.

г. Нагрів монокристалу вихідної форми вище М_Н призводить до зворотного мартенситного перетворення, при якому атому проходять шляхи, зворотні тим, які вони проходили при прямому мартенситному перетворенні. В результаті монокристал повертається до вихідної форми.

Сплави з ЕЗФ – нітінол – на основі інтерметаліду NiTi. Нітінол відноситься до числа найкращих матеріалів з ЕЗФ, максимальна кристалографічно зворотна деформація розтягування для нього складає 7-8%. Інтерметалід NiTi легують залізом, міддю, ніобієм.

а – монокристал вихідної фази; б – багатоорієнтаційний мартенсит;

в, г – монокристал мартенситу; 1 – мартенситне перетворення при гартуванні; 2 – деформація під дією напруги в результаті зворотної переорієнтації та росту позитивно орієнтованих пластин мартенситу при температурах нижче М_К; 3 – зняття напруги; 4 – зворотне мартенситне перетворення, яке призводить до відновлення вихідної форми

Рисунок 9.3 – Схематичне уявлення процесів, пов’язаних з ЕЗФ

У дійсний час винайдено багато матеріалів з ЕЗФ: класичні Ni-Ti, потрійні сплави Ni-Ti-Ме; сплави Ni-Al-Fe-Pd; сплави на основі міді, золота, срібла. Найбільше практичне значення мають сплави на основі Ni-Ti та Сu.

Сплави Ni-Ti використовують для виготовлення з’єднуючих муфт та ущільнень трубопроводів у складно доступних для монтажу місцях, зокрема, при виготовленні авіаційної техніки.

Сплави з ЕЗФ використовують в якості космічних антен великої довжини, які розгортаються самостійно, біологічних імплантатів, в стоматології, для виготовлення пружин, теплових двигунів, маніпуляторів.

Надпровідні матеріали

10.1Надпровідність і надпровідні матеріали

Надпровідність. Зі зниженням температури спостерігається монотонне падіння електропровідності. Поблизу абсолютного нуля у багатьох металів і сплавів реалізується різке падіння електроопору, і вони стають надпровідниками (рисунок 10.1).

Рисунок 10.1 – Вплив температури на електроопір надпровідних матеріалів

Надпровідність – здатність матеріалів не здійснювати опору електричному току при температурах нижчих за характерну для них критичну температуру Т_К.

Вперше надпровідність винайшов у 1911 році голландський вчений Гейке Камерлінг-Оннес, який спостерігав стрибкоподібне зникнення опору ртуті до невимірно малої величини при температурі 4,2 К (рисунок 10.2).

На даний час надпровідність винайдена у більшості чистих металів, причому надпровідний стан легше усього виникає в металах з низькою звичайною провідністю. Відкрито і вивчено біля трьох тисяч надпровідних сплавів і інтерметаллідних сполук, і їх число безперервно зростає. Чисті метали прийнято відносити до надпровідників першого роду, а сплави і сполуки – до надпровідників другого роду.

Рисунок 10.2 – Ефект надпровідності ртуті в експерименті Камерлінг-Оннеса

Магнітне поле в об’ємі надпровідників при температурах, нижчих за критичну, дорівнює нулю. Метал стає діамагнетиком – матеріалом, який набуває у зовнішньому магнітному полі магнітний момент, що направлений проти поля, що намагнічує. Тому при переході матеріалу до надпровідного стану магнітне поле «виталкується» з його об’єму і залишається лише у тонкому поверхневому шарі товщиною біля 10^-8 м. Це явище називається ефектом Мейснера.

Підтвердженням того, що надпровідник стає діамагнетиком, є відомий ефективний опит вільного паріння постійного магніту над надпровідною свинцевою пластиною.

Перехід матеріалу у надпровідний стан пов’язаний з фазовим переходом. Новий фазовий стан характеризується тим, що вільні електрони перестають взаємодіяти з іонами кристалічної гратки і вступають у взаємодію між собою. Електрони з протилежними спінами об’єднуються у пари, і результуючий спіновий момент стає рівним нулю. Електронні пари називають куперівськими за ім’ям Леона Купера, який вперше показав, що надпровідність в металах пов’язана з їх утворенням.

У звичайному, неспареному стані електрони розсіюються на домішках, що присутні в металі, або на теплових коливаннях кристалічної гратки – фононах. Розсіяння електронів призводе до виникнення електричного опору. Куперівські пари не розсіюються, тому що енергія фононів, яку пара може отримати від взаємодії з ними або дефектами гратки при кріогенних температурах, занадто мала. Не випробуючи розсіяння, куперівські пари просуваються скрізь гратку кристалу без опору, що й призводе до явища надпровідності.

Надпровідний стан може бути зруйнованим як при нагріві матеріалу до температури, вище за критичну, так і в результаті дії сильних зовнішніх магнітних полів напруженістю Н_К, яка перевищує критичне значення. Критичне магнітне поле подібно до критичної температури є основною характеристикою надпровідного матеріалу. При підвищенні Т_К або Н_К здійснюється стрибкоподібне відновлення електроопору і магнітне поле проникає в метал.

Однією з головних переваг надпровідників є можливість досягнення високої щільності току. Чим вищою є щільність току, тим більш компактними будуть прилади, меншими витрати дорогокоштуючих надпровідних матеріалів і меншою маса, яку необхідно охолоджувати. Висока щільність току дозволяє знизити капітальні і експлуатаційні витрати установок на надпровідниках.

Надпровідні матеріали і технологія їх отримання. З усіх чистих металів, здатних переходити у надпровідний стан, найвищу критичну температуру переходу має ніобій (Т_КР=9,2 К). Однак, для ніобію характерні низькі значення критичного магнітного поля (біля 0,24 Тл), що недостатньо для його широкого використання. Гарним сполученням критичних параметрів Т_К і В_К відрізняються сплави і інтерметалічні з’єднання ніобію з цирконієм, титаном, оловом і германієм.

До найбільш розповсюджених надпровідних матеріалів відноситься сплав Nb-46.5% Ti (по масі). Цей сплав характеризується високою технологічністю, з нього звичайними методами плавки, обробки тиском і термічної обробки можна виготовляти проволоку, кабелі, шини. Інтерметаліди, хоча й мають більш високі критичні параметри, мають також високу крихкість, що ускладнює виготовлення з них довгомірних проводів традиційними методами металургійної технології.

При виготовленні надпровідного кабелю в бруску міді просвердлюють багато отворів і в них вводять Nb-Ti тонкі стрижні. Брусок протягують у тонку проволоку, знову ріжуть її на куски, які знову вводять в нові бруски. Повторюючи багатократно цю операцію, отримують кабель з великим числом надпровідних жил, з якого виготовляють котушки для електромагнітів (рисунок 10.3).

Рисунок 10.3 – Поперечний перетин багатожильного надпровідного композиту з 361 ніобієвою жилою в мідній матриці

Якщо у будь-якій жилі надпровідність випадково порушиться, то висока електро- і теплопровідність мідної матриці наадає можливість здійснити термічну стабілізацію надпровідника в до критичному режимі.

Використання крихких інтерметалідів значно ускладнює виготовлення кабелю. Для отримання проводів з надпровідного з’єднання Nb₃Sn використовують так звану бронзову технологію, яка полягає в селективній твердофазній дифузії. Тонкі нитки пластичного ніобію запресовують в матрицю з бронзи, яка містить 10-13% Sn. У результаті багатократного волочіння і повторних запресовок з проміжними відпалами і наступною термічною обробкою здійснюється дифузія олова в ніобій, і на його поверхні утворюється тонка плівка Nb₃Sn. Через надзвичайно малу розчинність, мідь в ніобій практично не дифундує. Схема бронзової технології представлена на рисунку 10.4.

Рисунок 10.4 – Схема бронзової технології виготовлення багатожильних проводів на основі Nb₃Sn: а – зборка, волочіння і відпал; б – термообробка

Для отримання надпровідних стрічок зі з’єднань інтерметалідів окрім того використовують метод хімічного осадження з газової фази. Його використання дозволяє синтезувати сполуку Nb₃Ge, яка має найбільш високу критичну температуру переходу у надпровідний стан.

Простота виготовлення, сприятливе сполучення електричних і механічних властивостей і порівняно низька вартість дозволяє рекомендувати надпровідники на основі твердого розчину Nb-Ti як основні матеріали в полях до В_К=8 Тл при Т_К=4,2 К. У більш сильних полях, коли щільність току істотно падає, доцільніше використовувати інтерметалічні сполуки типу Nb₃Sn.

Наприкінці 80-х років минулого сторіччя була відкрита високотемпературна надпровідність в керамічних матеріалах. У 1986 році швейцарські фізики Дж. Беднорц і К. Мюллер вперше отримали надпровідні керамічні оксидні зразки системи La-Ba-Cu-O з температурою переходу у надпровідний стан Т_К=35 К. за це відкриття, яке поклало початок дослідженню високотемпературної надпровідності, у 1987 році вони були удостоєні Нобелевської премії по фізиці. Пізніше в ітрієвих кераміках системи Y-Ba-Cu-O у Китаї, США, Японії і Росії була досягнута температура переходу Т_К біля 90 К, що дає можливість використовувати дешевий і доступний азот в якості хладогену (рисунок 10.5).

Рисунок 10.5 – Надпровідний перехід електричного опору монокристалу YBa₂Cu₃O_7-x, де

Кераміка на основі оксиду міді з оксидами стронцію, вісмуту і лужноземельних елементів, наприклад складу 2Sr0*CaO*Bi₂O₃*2CuO має ще більш високу Т_К – до 100-115 К. На даний час дослідниками багатьох країн розроблена велика кількість керамічних матеріалів з переходом при температурах 250 К і навіть при кімнатній температурі. Значна частина розроблених матеріалів характеризується нестабільністю і великою крихкістю. Динаміка розробок представлена на рисунку 10.6. Пошук нових надпровідників продовжується, хоча така проблема залишається суто науковою. В перспективі необхідно розробити технологію виробництва і використання високотемпературних надпровідників.

Рисунок 10.6 – Динаміка розробок надпровідників:

А – металічні матеріали; Б – кераміка

Поиск по сайту: