Металлы с эффектом памяти

Уникальные свойства никелида титана

Характеристики сплавов с эффектом памяти

Уникальные характеристики параметров сплавов с эффектом памяти (ЭПФ) на основе никелида титана, такие как степень восстановления, развиваемые усилия, величина накопленной обратимой деформации при повышенной пластичности, высокая коррозионная стойкость, определяют перспективу их широкого применения в технике. Это факт.

Свойства при определенных условиях длительно сохранять деформированное состояние детали позволили разработать такие технологические процессы, при которых сам материал в ходе фазовых превращений осуществляет целенаправленную работу. Исходя из условий назначения и эксплуатируемых характеристик конструкций, эти работы могут осуществляться как в интервале температур эксплуатации, так и за его пределами.

Почему именно никелид титана? Потому что этот материал не просто соединяет — он работает. Самостоятельно. Без внешних источников энергии. Впечатляет, правда?

Применение в авиации и космонавтике

Мировой опыт использования

В США, Великобритании и других странах такие материалы нашли массовое применение в авиакосмической и судостроительной технике, при изготовлении соединительных муфт для гидрогазовых систем трубопроводов. В 80-тых годах для отечественной промышленности были подготовлены, испытаны и предложены к внедрению аналогичные разработки, развитие которых актуально и сейчас.

Не всё так просто. Пока Запад уже массово применял эти технологии, наши специалисты только начинали исследования. Но отставание быстро сокращается.

Эксплуатационные характеристики

Термомеханические соединения

Наиболее широкое применение — это изготовление высокопрочных соединений трубопроводов муфтами ТМС (термомеханические соединения). Прочностные и эксплуатационные характеристики соединений применительно для авиационной промышленности регламентируются отраслевым стандартом ОСТ 1.13681–80 «Соединения трубопроводов неразъемные термомеханические».

В данной конструкции материал муфты выполняет работу по деформации законцовок труб для образования герметичных соединений труба-муфта-труба. Звучит убедительно.

Высокая надежность и плотность монтажа (в том числе и в труднодоступных местах), низкая трудоемкость монтажно-сборочных работ, возможность осуществления ремонтно-восстановительных работ без промывки и последующего рентгеноконтроля позволяют рассматривать эти соединения как одно из перспективных направлений.

Конструктивно для таких соединений возможно применение разнородных материалов и тонкостенных труб без термического разупрочнения с обеспечением вакуумной и водородонепроницаемой герметичности. Эксплуатация таких трубопроводных систем возможна во всех климатических условиях при давлении до 800 атм. и температуре от –120°C до + 250°C.

Цифры говорят сами за себя. Когда система работает при –120°C и +250°C — это уже не просто соединение, это инженерное чудо.

Механизм эффекта памяти формы

Фазовые превращения в никелиде титана

Обеспечение высоких и стабильных термомеханических характеристик никелида титана в конкретных устройствах во всем интервале температур эксплуатации требует умения варьировать параметры ЭПФ и сверхупругости (СУ) в широких пределах.

Следует отметить, что сверхупругость может достигать до 10% от деформации. Эта деформация может проявляться в окрестностях интервалов мартенситных превращений (МП), а при соответствующих металлургических и термомеханических переработках распространяться до температур на 200°C, превышающих интервал обратного МП.

Таким образом, можно иметь конструкции из материалов, обладающих свойством СУ в интервале температур эксплуатации. Это явление связано с ромбоэдрическим (R) превращением.

Электронная структура и превращения

Исследования электронной структуры и структурной неустойчивости TiNi, проведенные А. И. Лотковым, показывают, что ромбоэдрическому превращению предшествует переход с изменением локализации электронов и изменением топологии поверхности Ферми. Уровень Ферми в TiNi расположен в окрестностях состояния острой плотности.

Поэтому даже небольшое повышение или снижение концентрации электронов или их перераспределение по энергии приводит к изменению концентрации атомов Ni в матрице и изменению температур превращения. Не всё так просто на атомном уровне.

Целенаправленную работу восстановления муфты при нагреве осуществляет материал. Генерируемые напряжения в процессе восстановления размеров определяются видами и последовательностями фазовых превращений.

Температурные режимы работы

Условия создания соединений

Создание соединений ТМС производится в интервале температур за пределами температуры эксплуатации соединений. Такие температуры должны быть на 15–20°C ниже температуры конца аустенитного превращения Ак.

Верхний предел температур эксплуатации (Тmax~300°C) определяется состоянием сплава при предельной температуре Md, когда действующие напряжения стимулируют образование мартенсита напряжений. В зависимости от соотношения компонентов Ti и Ni в матрице сплава такие превращения могут происходить в широком интервале температур от –200 до +120°C.

Если в криогенной и космической технике нижний предел эксплуатации начинается от –150°C, то для авиации он устанавливается в пределах от —60°C. Для судостроительной промышленности, тепловых и атомных электростанций эти пределы не превышают 0°C и определяются свойствами циркулирующих в трубопроводах жидкостей.

Криогенные температуры превращений

Следовательно, при изготовлении муфт для авиа- и космической техники, используются такие материалы, у которых фазовые превращения (Мн-Мк и Ан-Ак) находятся в области криогенных температур — (90–150)°C.

Мн-Мк — это температуры начала и конца прямого мартенситного превращения соответственно; Ан-Ак — температуры начала и конца обратного мартенситного превращения (МП).

В этом случае деформация муфт и монтаж соединений осуществляется в криогенных условиях, что вызывает определенные трудности. Деформация муфт и их хранение до сборки требует применения жидкого азота в качестве хладагентов.

Материалы, используемые для деформирующих инструментов и в качестве смазки, должны быть работоспособны в таких условиях. Предварительное охлаждение соединяемых элементов трубопроводов и ограничения по временному фактору (нагрев и быстрое восстановление исходных размеров муфт в течение 15–40 сек.) вызывают определенные трудности при их сборке.

Температуры выше нуля

Для трубопроводов, у которых нижний предел эксплуатации не превышает 0°C применяются сплавы с температурами прямого мартенситного превращения (Мн-Мк), не более –30°C. При образовании соединений трубопроводов обратные мартенситные (Ан-Ак) превращения осуществляются при температурах, превышающих 0°C.

В этом случае с целью образования термоупругого состояния мартенсита и увеличения внутреннего диаметра муфт технологические процессы по деформированию материала осуществляются при температурах, не превышающих –40°C. Такие условия реализуются с применением охлаждающих жидкостей, которые не замерзают при температурах — (45–50)°C.

К ним относятся керосин, минеральные масла, жидкости гидросистем и аналогичные материалы. Обеспечение низких температур в охлаждающих жидкостях может осуществляться с использованием сухого льда или паров жидкого азота, с применением стандартных холодильных установок — устройств, использующих электрический эффект Пелтье и т. п.

До осуществления сборки хранение деформированных муфт производится в любых устройствах, поддерживающих температуру не выше 0°C. Сборка соединений осуществляется при комнатных температурах без предварительной (тепловой) подготовки элементов трубопроводов. Для обеспечения высокой надежности соединений производится незначительный нагрев муфт ТМС до температур + 40–60°C.

Испытания избыточным давлением показывают, что разрушения трубопроводов происходят по телу трубы, а не в местах соединений ТМС. Это факт.

Материалы трубопроводов

Типы применяемых труб

В связи с тем, что в процессе создания соединений каких-либо термических воздействий не осуществляется, прочностные и эксплуатационные характеристики трубопроводов, использующих муфты ТМС, определяются характеристиками применяемых материалов. Следовательно, пределы текучести материалов труб при поставке служат критерием оценки прочностных характеристик.

Исходными заготовками в основном служат бесшовные холоднотянутые и холоднокатаные трубы.

Трубопроводы общего назначения изготавливаются из стали марки 20, специального назначения — из нержавеющих сталей (12Х18Н9Т; ВНС–2) и титановых сплавов (ВТ-1; ОТ-4; 7 М).

Толщина стенок и упрочнение

Толщину стенки трубопровода выбирают из условия необходимой прочности при заданном рабочем давлении и технологии изготовления соединений. Термоупрочненные и нагартованные трубопроводы из нержавеющей стали со значительно меньшей толщиной стенки обеспечивают полную эксплуатационную надежность.

При этом не только снижается вес трубопроводной системы, но и обеспечивается значительная экономия нержавеющей стали. Логично?

Титан обладает характерной особенностью — к его поверхности почти не прилипают инородные вещества, он как бы отталкивает их. К стенкам титановой аппаратуры почти не прилипает накипь. Благодаря ее отсутствию повышаются теплообменные процессы и увеличивается долговечность аппаратуры.

В настоящее время применение титановых трубопроводов ограничено из-за технологических особенностей, связанных с качественным обеспечением сварных соединений. Соединения с использованием муфт ТМС позволяют использовать упрочненные тонкостенные трубы, в том числе и при сочетании разнородных материалов как в заводских, так и полевых условиях.

Технология монтажа и сборки

Принцип работы муфты

Соединительная муфта, по внутреннему диаметру D1 изготавливается с размером меньше внешнего диаметра соединяемых элементов трубопроводов. Муфта охлаждается ниже температуры фазового превращения (которая должна быть ниже минусовой температуры эксплуатации трубопроводов) и деформируется в радиальном направлении до размера d2, превышающего внешний диаметр трубы.

Если не допускать нагрева, муфта неограниченно долго может сохраняться в таком состоянии, а затем с зазором устанавливается на соединяемые трубопроводы и нагревается от естественного подвода тепла. В процессе фазового превращения муфта «вспоминает» свой недеформированный размер (d1) и стремится вернуться к этому состоянию.

После выборки зазора, встречая противодействие со стороны трубы, в материале муфты генерируются сжимающие напряжения, способные пластически деформировать соединяемые элементы трубопроводов. Эти напряжения при первичном контакте с конструкционным материалом идут на смятие шероховатости поверхности, для которых достаточно 3–5 МПа.

Для деформирования волнистости необходимы значительные напряжения, которые превышают предел текучести TiNi вблизи фазовых превращений. В этом случае муфта первоначально принимает овальную или волнистую форму элемента трубы, т. е. плотно ее обволакивает, а затем, по мере дальнейшей генерации внутренних напряжений вследствие перехода материала в аустенитное состояние, пластически ее деформирует.

Конструкция муфты представлена на рис. 1. Муфты в зависимости от требований могут изготавливаться с одним, двумя или тремя герметизирующими поясками на каждую законцовку трубы. Наиболее распространенными являются муфты с двумя герметизирующими поясками, как это показано на рис. 1.

Схематически процесс создания соединений представлен на рис. 2. Соединяемые трубопроводы должны находиться в упругопластическом состоянии.

Преимущества ТМС соединений

Сравнение с традиционными методами

Контроль монтажно-сборочных работ и соблюдение технологического процесса может также производиться оператором низкой квалификации. Нет необходимости в трудоемких процессах, таких как рентгеноконтроль, осуществляемый после сборки соединений. Трудоемкость сборки и контроля одного соединения не превышает 5 мин.

Звучит убедительно. Когда квалифицированный сварщик не нужен, а соединение надежнее — это прорыв.

Надежность и контроль качества

Обеспечение эксплуатационной надежности

Следовательно, в конкретных конструкциях с целью максимально возможного снижения трудоемкости изготовления, облегчения технологических приемов деформирования муфт ТМС и производства монтажно-сборочных работ, следует учитывать не только условия эксплуатации трубопроводов, но и специфические особенности сплавов с ЭПФ во весь срок эксплуатации.

В общем, термомеханические соединения — это не просто альтернатива сварке. Это принципиально иной подход к созданию надежных трубопроводных систем. Проверено.

Что дальше? Технологии будут развиваться, сплавы совершенствоваться. Но одно останется неизменным: стремление к надежности, простоте и экономической эффективности.

Д. У. Хасьянова

Институт машиноведения им. А. А. Благонравова РАН

Москва, Россия

dinara.khasyanova@mail.ru

Литература

1. Нитинол — сплав с памятью / С. Т. Глазунов и др. Авиационная промышленность, № 9, 1975. с. 95–97.
2. Технологическое обеспечение качества изготовления муфт ТМС и сборки трубопроводов / Д. У. Хасьянова. Диссертация на соиск. уч. степ. канд. наук. МГУПИ, Москва, 2012, 103 с.
3. Особенность трения пары TiNi-сталь при криогенных температурах / Д. У. Хасьянова. Авиационная промышленность, № 4, 2011, с. 50–54.
4. Использование эффекта термомеханической "памяти" никелида титана для создания новых типов неразъемных соединений / Хворостухин Л. А., Хасьянов У., Шишкин С. В. Авиационная промышленность, № 8. 1978. с. 58 –59.
5. Сплавы с памятью формы на основе никелида титана/Л. П. Фаткуллина / Технология легких сплавов, № 4/1990. с. 9–12.
6. Об обеспечении эксплуатационной надежности соединений трубопроводов муфтами ТМС / Д. У. Хасьянова, С. В. Шишкин, У. Хасьянов / Научные труды международной научно-практической конференции/М.: Машиностроение, 2010 г., с. 115 –119.