Нитинол (Никель—титан NiTi) — материал, обладающий уникальными свойствами эффекта памяти формы, поведения сверхэластичности, биомеханической совместимости, коррозионной стойкости. Эти свойства позволяют успешно применять материал в различных инженерных и медицинских областях, изготавливая приводы, датчики, ортодонтические дуги, костные пластины и прочие продукты. Фундаментальный механизм эффекта памяти формы NiTi представляет термическое (вызванное напряжением) фазовое превращение между «аустенитным» (высокотемпературная фаза) и «мартенситным» (низкотемпературная фаза) элементами состава.
СОДЕРЖИМОЕ ПУБЛИКАЦИИ :
Особенности производства Нитинола
В настоящее время широко распространенными методами производства Нитинола являются вакуумно-дуговая плавка и вакуумно-индукционная плавка с последующим:
- литьём,
- горячей или холодной обработкой с отжигом,
- обработкой с памятью формы.
Однако вакуумно-дуговая плавка требует нескольких стадий переплавки для обеспечения однородности материала, в то время как вакуумная индукционная плавка подвержена загрязнению тигля. Последующая отливка сопровождается дефектами химической сегрегации.
Традиционные методы обработки, такие как механическое резание, обычно страдают от образования стружки, циклического упрочнения и ускоренного износа инструмента. Методы порошковой металлургии:
- горячее изостатическое прессование,
- литьё металлов под давлением,
- самораспространяющийся высокотемпературный синтез,
разработаны для преодоления вышеупомянутых проблем производства Нитинола. Горячее изостатическое прессование принято для производства полуфабрикатов, как из предварительно легированных порошков NiTi, так и из порошков элементарного Ni и Ti.
Геометрия компонента получается простой из-за требования одинакового давления во всех направлениях. Метод литья под давлением металла предполагает смешивание связующего вещества и металлического порошка. Так получают исходное сырьё для изготовления сырого тела, которое далее подвергается спеканию для получения конечных компонентов.
Между тем используемое связующее как источник примесей ухудшает конечные свойства Нитинола. Самораспространяющийся высокотемпературный синтез связан с самоподдерживающейся химической реакцией за счёт воспламенения спрессованной порошковой смеси.
Следует отметить — реакция достаточно сложно контролируется. Кроме того, детали, изготовленные этим методом, имеют некоторую пористость. Таким образом, традиционные технологии производства Нитинола имеют некоторые критические ограничения.
Нитинол исследования производства деталей
Технологии аддитивного производства:
- селективное лазерное плавление (SLM — Selective Laser Melting),
- селективное электронно-лучевое плавление (SEBM — Selective Electron Beam Melting),
- направленное осаждение энергии (DED — Directed Energy Deposition),
недавно исследованы с целью применения под изготовление деталей NiTi. Причины очевидны – получение низкого или минимального количества дефектов и гибкости конструкции сложной геометрии.
Соответствующие исследования показали, что параметры процесса, уровень кислорода в камере и последующая термообработка оказывают существенное влияние на эволюцию микроструктуры. Также очевидно влияние на термические и механические свойства:
- температуру обратимого мартенситного превращения,
- сверхэластичность,
- напряжение сжатия/растяжения.
Однако предыдущие исследования сплавов NiTi редко касались пространственных характеристик наплавленной структуры, особенно изготовленных методом DED. Многие исследователи сравнивают микроструктуру и эффект памяти формы при сжатии сплавов NiTi с памятью формы, изготовленных методами SLM и DED. Результаты показали, что пространственное изменение состава и структуры зерна в образце DED больше, чем в образцах SLM.
Ориентированный/раздвоенный мартенсит в образце DED более нестабилен, так как здесь остаточный мартенсит мог сразу восстановиться при нагреве, в то время как в образцах SLM перед инициированием реверсии требовался дополнительный подвод тепла. Также учёные исследовали пространственное распределение микроструктуры вдоль направления высоты строения. Было обнаружено, что осадки Ni4Ti3 имеют более грубую морфологию вблизи подложки, в то время как более тонкая структура наблюдается ближе к вершине.
Корреляционный анализ цифровых изображений
Корреляционный анализ цифровых изображений показал, что наибольшие уровни трансформационной деформации и диффузные контуры деформации возникают в области с более мелкими выделениями Ni4Ti3. Исследовался образец смеси элементарных порошков большого объёма с помощью процесса DED на пространственные изменения температур термически индуцированного мартенситного превращения.
Результаты анализа дифференциальной сканирующей калориметрии (DSC — Differential Scanning Calorimetry) показали — образцы, взятые из более высокого положения сборки, имели эквивалентные температуры превращения и измерения энтальпии вдоль направления сканирования. Вместе с тем, образец, извлеченный из более низкого положения высоты, имел большую разницу для обоих измерений.
Эти исследования показали, что существуют пространственные изменения тепловых и механических свойств в образцах после осаждения, которые обычно приводят к неконтролируемому или многоступенчатому отклику эффекта памяти формы и сверхэластичности. Эти изменения производительности, по всей видимости, связаны с методом послойного осаждения, который подвергает ранее затвердевшие слои сложной термической истории из-за повторного плавления.
Непрерывный метод DED обеспечивает новую альтернативу для изготовления образцов сплава Нитинол. Во время производственного процесса можно избежать повторного плавления предыдущих слоев или соседних дорожек, что делает термическую историю монотонной.
Следовательно, пространственная характеристика сплава Нитинол в состоянии после осаждения с помощью непрерывного DED может отличаться от ранее наблюдаемых результатов. Вдохновленные этими различиями в сырье и методах обработки, стержни NiTi из предварительно легированных порошков изготавливаются методом непрерывной DED для исследования их пространственных характеристик.
Динамика температуры в нижней, средней, верхней областях сначала прогнозируется с помощью конечно-элементной модели. Используется программное обеспечение «COMSOL Multiphysics». Затем проводится микроскопическое исследование для изучения фазового состава и изменений микроструктуры. Результаты показывают – непрерывный метод DED обеспечивает относительно однородное пространственное распределение фазового состава, тепловых откликов, механических свойств Нитинола.
Механические свойства и характеристики на Нитинол
Сплавы с памятью формы находят все более широкое применение в сейсмостойких конструкциях строительных и мостовых конструкций. Такие сплавы способны испытывать явные и остаточные деформации, которые могут быть полностью восстановлены за счёт термомеханических изменений. Сплав с памятью формы демонстрирует два уникальных свойства:
- Эффект памяти формы (SME — Shape Memory Alloys).
- Сверхэластичность (SE – Super Elasticity).
Оба имеют особое значение для достижения повышенной пластичности строительных и мостовых конструкций, построенных в районах, подверженных сейсмической активности.
Нитинол, один из ключевых составов сплавов с памятью формы, который обычно используется в технических применениях, существует в двух различных фазах:
- Аустенитная.
- Мартенситная.
Аустенитная фаза характеризуется упорядоченной структурой B2 или CsCl и устойчива при высоких температурах, тогда как мартенситная фаза демонстрирует сложную моноклинную структуру (B19), устойчивую при низких температурах.
Другие формы сплавов с памятью формы имеют аустенитно-мартенситную кристаллическую структуру, отличную от Нитинола. Однако высокая симметрия в аустенитной фазе и низкая симметрия в мартенсите обычно наблюдаются в кристаллических структурах большинства таких материалов.
Нитинол типичные механические характеристики (таблица)
| Плотность, г/см3 | 6,45 |
| Коэффициент Пуассона | 0,33 |
| Модуль Юнга (аустенит), ГПа | 75-83 |
| Модуль Юнга (мартенсит), ГПа | 28-40 |
| Предел текучести (аустенит), МПа | 195-690 |
| Предел текучести (мартенсит), МПа | 70-140 |
| Коэффициент теплового расширения (аустенит), 1/°C | 11 * 10-6 |
| Коэффициент теплового расширения (мартенсит), 1/°C | 6,6 * 10-6 |
Сверхэластичность возникает в изотермических условиях. Благодаря этому свойству образец, растянутый под действием механического напряжения, после разгрузки восстанавливает первоначальную форму. С другой стороны, имеет место восстановление напряжения и исходной формы, которое достигается путем изменения температуры, испытываемой материалом.
Материал, состоящий в исходной фазе из аустенитной микроструктуры, в процессе деформации претерпевает бездиффузионное превращение. Деформированный сплав с памятью формы характеризуется мартенситной микроструктурой. При нагреве деформированный материал переходит из мартенситной фазы в аустенитную и восстанавливает первоначальную форму.
Интересными видятся возможности этих сплавов в конструкционной инженерии, где сплавы с памятью формы поглощают энергию, поскольку подвергаются деформации из-за больших внешних сил. Поглощенная энергия постепенно высвобождается, когда сплав восстанавливается до первоначальной формы под влиянием температуры или снижения напряжения.
Нитинол потенциальные применения
Потенциальные применения этих сплавов в сейсмостойком строительстве значительны. Испытания показали высокую эффективность материалов для сохранения конструкций в процессе сейсмических событий. Сплав уменьшает или устраняет структурные повреждения построенной инфраструктуры за счёт поглощения сейсмической энергии и облегчения повторного центрирования этих конструкций (методы рассеивания энергии).
Большая восстанавливаемая деформация и гистерезисные характеристики являются основными свойствами сплавов, которые могут иметь практическое применение для защиты строительных конструкций от землетрясений. Сплавы из никеля и титана привлекли значительное внимание инженеров-исследователей, поскольку демонстрируют суперэластичность и полностью восстанавливают деформации до 8%.
Свойство суперэластичности этих материалов облегчает восстановление деформации за счёт снятия механического напряжения, и для восстановления исходной формы не требуется нагревание.
Сплавы Нитинола были разработаны ещё вначале 1960-х годов, но есть возможности для продолжения исследований поведения проволоки малого диаметра, изготовленной из этих сплавов. Первоначально Нитинол использовался в различных биомедицинских целях. Однако недавно инженеры предложили новые структурные применения.
Этот материал обладает интересными характеристиками с точки зрения памяти формы и сверхэластичности, но использование требует точного контроля механических свойств, особенно до и после фазового превращения. Эти характеристики позволяют Нитинолу обеспечивать функциональность, которая невозможна с более традиционными сплавами.
При помощи информации: LIDSEN