Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТРЕСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Московский авиационный институт

Кафедра "Технология композиционных материалов, конструкций и микросистем"

РЕФЕРАТ

по дисциплине «Защита интеллектуальной собственности и патентоведение»

на тему

Способ обработки сплавов на основе никелида титана с эффектом памяти формы

Студент: Трусова Е.Ю.

Москва, 2016 г.

I. Отчет о проведенном патентно-информационном поиске

1. Наименование и актуальность темы

Поиск выполнен по теме: Способ обработки сплавов на основе никелида титана с эффектом памяти формы.

Сплавы с эффектом памяти формы (ЭПФ) благодаря своим уникальным функциональным свойствам находят широкое применение в приборостроении, микроэлектронике, медицине, космической технике и других областях.

Среди известных сплавов с ЭПФ наибольшее применение находят сплавы на основе системы TiNi. Никелид титана (TiNi) - это интерметаллическое соединения титана и никеля, область гомогенности которого колеблется от 2 до 5%. Температура плавления 1240є. В интервале температур +200 ч -150єС в соединении TiNi происходят мартенситные превращения, характер и последовательность которых зависит от состава, обработки и условий проведения эксперимента.

Механические свойства сплавов на основе никелида титана меняются в широких пределах в зависимости от способа изготовления, легирования, термической и термомеханической обработки. Сплавы стойки к коррозии, износу, немагнитны, совместимы с биологическими тканями, обладают высокой способностью поглощать вибрацию (циклические нагрузки) за счет внутреннего трения, преобразовывая механическую энергию в тепло.

В последние годы в различных областях, таких как радиоэлектроника, авиационная технология и медицина отчетливо проявляется тенденция к одновременному уменьшению габаритов и повышению преодолеваемых усилий и производимой работы активным элементом с ЭПФ. Известным методом одновременного улучшения функциональных свойств и надежности сплава является измельчение структуры методами интенсивной пластической деформации (ИПД). Для этого применяют технологии равноканалного углового прессования (РКУП), кручения под давлением или используют варианты промышленных традиционных методов термомеханической обработки (ТМО), таких как ковка, прокатка и т.п. Один и тот же метод ТМО в зависимости от режима, может, как повысить, так и понизить функциональные и механические свойства сплава с ЭПФ, а также изменить характер термоупругого мартенситного превращения (ТМП).

2. Цель поиска

Целью поиска является анализ новшеств в области способов обработки сплавов на основе никелида титана с эффектом памяти формы.

3. Предмет поиска

Предметом патентного поиска является способ обработки сплавов на основе никелида титана с эффекто памяти формы.

4. Глубина поиска

Глубина поиска составляет 21 год, так как из расмотренных документов (заявки на изобретения) наиболее ранний датируется 9 июня 1995 г.

5. Страны поиска

Патентный поиск проводился по базе данных патентных документов Российской Федерации.

6. Классификационные индексы: МПК и УДК

Индексы МПК: C22F1/10, C22F1/18

C - Химия; металлургия;

C22 - Металлургия; сплавы черных или цветных металлов; обработка сплавов или цветных металлов;

C22F - Изменение физической структуры цветных металлов или их сплавов (способы термообработки сплавов на основе железа или сталей и устройства для термообработки металлов или сплавов C21D);

C22F1 - Изменение физической структуры цветных металлов или их сплавов термообработкой или горячей или холодной обработкой;

C22F1/10 - .никеля, кобальта или их сплавов;

C22F1/18 - .тугоплавких или жаростойких металлов или их сплавов.

Индекс УДК 669.245'295.

6 - Прикладные науки. Медицина. Технология;

66 - Химическая технология. Химическая промышленность. Пищевая промышленность. Металлургия. Родственные отрасли;

669 - Металлургия;

669.2 - Цветные металлы в целом;

669.24 - Никель и его сплавы;

669.245 - Никелевые сплавы;

669.29 - Различные металлы 4-й и 5-й групп периодической системы;

669.295 - Титан.

7. Перечень изученной патентной и информационной документации

В результате патентного поиска по базам данных патентных документов Российской Федерации (разделы: Полные тексты российских изобретений из трех последних бюллетеней (НИ), Заявки на российские изобретения (ЗИ), Рефераты российских изобретений (РИ)) были найдены следующие патентные документы:

1) Способ обработки сплавов титан-никель с содержанием никеля 49-51 ат.% с эффектом памяти формы и обратимым эффектом памяти формы (варианты) (№ 2476619) (РИ);

2) Способ обработки сплава никелид титана с эффектом памяти формы (№2382113) (РИ);

3) Способ обработки полуфабрикатов из сплава никелида титана ТН-1 (№ 2451106) (РИ);

4) Способ обработки сплавов на основе никелида титана (№2173730) (РИ);

5) Способ термомеханической обработки полуфабрикатов из сплава никелида титана (№ 2564772) (РИ);

6) Способ термической обработки сплавов на основе никелида титана (№ 1431353) (РИ).

7) Способ обработки устройства из сплава с запоминанием формы (№US5624508A);

Информационные документы, используемые для изучения информации по предмету патентного поиска:

1) Антонов А. Р. Сверхэластичные материалы с памятью формы в медицине [Текст] / А. Р. Антонов, Н. В. Суханова // Вестник новых медицинских технологий. - 2007. - Т. 13, № 2. - 107 с.

2) Гюнтер, В. Э. Никелид титана. Медицинский материал нового поколения [Текст] / В.Э. Гюнтер, В. Н. Ходоренко, Ю. Ф. Ясенчук и др.; -- Томск: изд-во МИЦ, 2006. - 296 с.

3) Калашников, В. С. Влияние термомеханической обработки и последеформационного отжига на фазовые переходы и функциональные свойства в интерметаллидных сплавах NiTi с эффектом памяти формы [Текст] / В. С. Калашников, В. В. Коледов, А. В. Петров и др. // Журнал радиоэлектроники. - 2016. - № 1. С. 1-14.

4) Лохов, В. А. Сплавы с памятью формы: применение в медицине. Обзор моделей, описывающих их поведение [Текст] / В. А. Лохов, Ю. И. Няшин, А. Г. Кучумов // Российский журнал биомеханики. - 2007. - Т. 11, № 3. - С. 9-27.

8. Перечень отобранной патентной документации

Для последующего анализа были отобраны 3 патента:

9. Анализ изученной документации

Способ обработки сплава никелид титана с ЭПФ, описанный в патенте №2382113, реализуется с помощью методики магнитно-импульсного воздействия. При исследовании достижимости технического результата, достигаемого заявленным способом, был использован сплав на основе никелида титана состава, близкого к эквиатомному. Проволочные образцы диаметром 2 мм отжигали при температуре 500°С в течение 1 часа, а затем охлаждали с печью до комнатной температуры. Температура Мк окончания прямого мартенситного превращения в этом случае равнялась 36,5°С.

Затем образцы подвергали деформированию в мартенситном состоянии в режиме трехточечного изгиба импульсным усилием, генерируемым электромагнитной установкой. Длина образцов равнялась 35 мм, расстояние между опорами равнялось 30 мм. Далее образцы нагревали через интервал температур обратного мартенситного превращения и измеряли возвращаемый за счет ЭПФ прогиб, и вычисляли коэффициент Кэпф по указанному выше соотношению (К эпф = возврат за счет ЭПФ / остаточный прогиб).

Способ обработки, описанный в патенте №2173730, близок к вышеописанному способу.

Образец из сплава никелида титана ТН1 подвергают динамическому нагружению на вертикальном копре с падающим грузом. Скорость нагружения поддерживалась 3 м/с и была постоянной. Величину деформации задают 6%. Нагружение проводят при комнатной температуре. При последующем нагреве образец восстанавливает 5,5% длины, при этом 0,5% - величина остаточной деформации.

При последующем термоциклировании в диапазоне температур от 10oC до 90oC образец сокращается при нагревании на 3,3% и удлиняется при охлаждении на эту же величину.

Способ обработки, описанный в патенте №1431353, направлен на уменьшение температурных интервалов обратного мартенситного превращения и восстановления формы, а также повышение степени восстановления формы.

По предложенному способу обрабатывали сплав Ti 50,6 ат. Ni. Нагрев проводили до 700оС. Скорость охлаждения (Vохл) варьировали, используя различные среды: контейнер с песком (0,4о С/с); струя воздуха (10%), масло (120оС/с).

Предложенный способ обеспечивает сужение температурных интервалов мартенситного превращения и восстановления формы в 2-2,5 раза, а степень восстановления формы повышается на 10-20%.

10. Выводы по отчету о патентном поиске

Способ обработки сплава никелид титана, описанный в патенте №2382113, является более эффективным по сравнению со способом, описанным в патенте №2173730, т.к. недостатком данного способа является то, что он направлен на повышение только обратимой памяти формы. Способ является трудоемким и сложным в реализации за счет необходимости использования дополнительных устройств, которые могли бы обеспечить требование постоянства скорости нагружающего элемента, представленного в примере конкретной реализации в виде, в частности, падающего груза вертикального копра.

Кроме того, следует учесть, что при различных размерах образца с ЭПФ скорость его деформирования будет различна при одной и той же скорости нагружающего элемента. Помимо этого задание формы в способе обработки, описанном в патенте №2173730, обычно проводят в аустенитном состоянии выше температуры Ак, что существенно осложняет технологию и не способствует повышению однократного эффекта памяти формы, поскольку непосредственно после этого сразу же требуется дополнительное деформирование. Способ обработки патента №2382113 лишен этих недостатков, следовательно, он имеет гораздо большие преимущества перед своим аналогом.

Целью изобретения патента №1431353 является уменьшение температурных интервалов обратного мартенситного превращения и восстановления формы, а также повышение степени восстановления формы. Это достигается путем нагрева до 700єС и выдержке при этой температуре в течение 1-10 ч, и обе характеристики метода проведения данной обработки выше, чем в способе (№2382113), где нагрев проводили при температуре 500єС и выдерживали всего лишь 1 ч. Следовательно, в технологическом плане второй способ (№2382113) является наиболее простым.

Если сравнивать степень восстановления формы в каждом случае, то наибольшую возможность возвращать свою форму имеет сплав, обработанный по способу патента №2382113 (92-99%), за ним идет способ патента №2173730 (96,7%), который ни чуть не уступает вышеуказанному. И, наконец, способ обработки патента №1431353 дает возможность в немного меньших пределах возвращать исходную форму сплава (86-95%).

Таким образом, можно сделать вывод, что способ, описанный в патенте №2382113, имеет лучшие (из анализируемых способов обработки) технологические характеристики и методы получения максимальной степени восстановления формы.

II. Изучение структуры и содержания документа «Описание изобретения»

Рассмотрим структуру и содержание документа «Описание изобретения», входящего в заявку на получение патента на изобретение №2382113 «Способ обработки сплава никелид титана с эффектом памяти формы».

1. Название

Способ обработки сплава никелид титана с эффектом памяти формы

2. Область техники

Изобретение относится к обработке материалов с эффектом памяти формы и машиностроению и используется для увеличения эффекта памяти формы путем повышения коэффициента возврата деформации при реализации эффекта памяти формы.

3. Уровень техники

Из уровня техники известен способ обработки сплавов с эффектом памяти формы, заключающийся в переводе сплава в полностью мартенситное состояние из исходного аустенитного состояния охлаждением до температуры ниже температуры Мк окончания прямого мартенситного превращения, последующего квазистатического деформирования и разгрузки с образованием остаточной неупругой деформации ост (Фиг.1).

На Фиг.1 для полноты картины приведена и температура Мн - температура начала прямого мартенситного превращения. Собственно эффект памяти формы будет проявляться во время нагревания через интервал Ан-Ак температур начала и окончания обратного мартенситного превращения и заключаться в частичном возврате предварительно заданной остаточной неупругой деформации. В редких случаях наблюдается абсолютно полный возврат деформации, например, в монокристаллах сплавов на медной основе. Однако известный способ дает невысокий коэффициент возврата формы. Недостатком способа обычно является то, что коэффициент Кэпф возврата деформации, происходящего за счет ЭПФ, и вычисляемый как отношение возвращаемой деформации эпф к предварительной остаточной неупругой деформации ост(Кэпф= эпф/ ост), заметно меньше единицы.

Из уровня техники также известен способ обработки изделий из сплавов с ЭПФ на основе никелида титана для получения низкотемпературной обратимой памяти формы. Способ включает в себя деформирование в мартенситном состоянии, осуществляемое путем одностороннего электрохимического наводороживания в растворе серной кислоты при комнатной температуре, а разгрузку осуществляют выдержкой до полного удаления водорода. Цель изобретения - снижение трудоемкости. После таких процедур при первом нагревании никелида титана через интервал обратного мартенситного превращения реализуется обычный эффект памяти формы, и только во время последующего термоциклирования наблюдается эффект обратимой памяти формы. По описанному способу в примерах реализации значение максимальной обратимой деформации было равно 1,8%, при том что предварительная деформация при наводороживании имела значение «около 4%». Таким образом, при первом нагреве при реализации обычного однократного эффекта памяти формы коэффициент возврата деформации Кэпф составлял 0,45. Однако известный способ дает незначительный коэффициент возврата формы, а также он является трудоемким, что связано с применением химических процессов и необходимостью принятия мер безопасности.

Известен способ обработки сплавов с ЭПФ, позволяющий обратимо регулировать характеристические температуры сплавов с ЭПФ и направление обратимой памяти формы. Способ содержит несколько этапов. Сначала сплав нагревают до температуры 450-550°С и выдерживают 0,5-2,5 часа, и после этого измеряют разницу между температурами Ан и Ак - температурами начала и окончания обратного мартенситного превращения. На второй стадии, если разница между этими температурами меньше 7°С, то выдерживают сплав при температуре 450-500°С 0,5-1 час, если разница больше 7°С, то выдерживают сплав при температуре 510-550°С 1-2,5 часа. На третьей стадии термомеханической обработки пластически деформируют сплав при температуре 250-550°С с деформацией на этом шаге менее 55%. Если эта стадия не приводит сплав к требуемой форме, то проводят промежуточный отжиг при температуре 500-550°С 0,5-2 часа и повторяют третью стадию. Затем проводят окончательную обработку - задают необходимую форму изделию в аустенитном состоянии, проводят полигонизацию при температуре 450-550°С 0,5-1,5 часа, затем при 600-800°С 2-50 минут и старение при температуре 350-500°С 0,15-2,5 часа. Наконец, сплав деформируют не более чем на 15% при температуре Т<Мн+30°С, где температура Мн - температура начала прямого мартенситного превращения. Однако известный способ не обеспечивает повышение коэффициента возврата деформации за счет ЭПФ и он направлен, в первую очередь, на регулирование характеристических температур обратимого мартенситного превращения.

4. Раскрытие изобретения

Технический результат направлен на увеличение эффекта памяти формы за счет повышения коэффициента возврата деформации, упрощение и удешевление способа за счет уменьшения размеров рабочих элементов и массогабаритных характеристик используемых устройств, а также расширение сферы применения способа в рабочих элементах космического назначения, медицине, машиностроении и других областях, где важным условием является выполнение требований, совмещающих функции температурочувствительного и исполнительного элементов.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе обработки сплава на основе никелида титана с эффектом памяти формы, заключающемся в динамическом нагружении находящегося в мартенситном состоянии сплава никелид титана, в соответствии с предлагаемым изобретением динамическое нагружение осуществляют импульсами давления с длительностью импульсов 3-5 мкс и их амплитудой 10-40 кН до получения относительной остаточной деформации 1-8%.

Указанный технический результат достигается тем, что способ обработки сплава на основе никелида титана деформируют в режиме трехточечного изгиба. В заявленном способе такое нагружение можно осуществить, например, используя методику магнитно-импульсного воздействия.

5. Осуществление изобретения

На Фиг.2 представлена схема магнитно-импульсной установки, с помощью которой может, например, быть реализован предлагаемый способ. Схема (Фиг.2) включает емкость батареи 1; коммутатор 2; собственную индуктивность батареи 3; 4 - формирующее вилитовое сопротивление 4; магнитное давление 5; нагружающее устройство (медные шины) 6, ударник 7, образец 8; опоры 9. Электрический ток, протекающий по шине, вызывает магнитное давление 5, которое воздействует на образец 8.

При исследовании достижимости технического результата, достигаемого заявленным способом, был использован сплав на основе никелида титана состава, близкого к эквиатомному. Проволочные образцы диаметром 2 мм отжигали при температуре 500°С в течение 1 часа, а затем охлаждали с печью до комнатной температуры. Температура Мк окончания прямого мартенситного превращения в этом случае равнялась 36,5°С. Затем образцы подвергали деформированию в мартенситном состоянии в режиме трехточечного изгиба импульсным усилием, генерируемым электромагнитной установкой. Длина образцов равнялась 35 мм, расстояние между опорами равнялось 30 мм. Далее образцы нагревали через интервал температур обратного мартенситного превращения и измеряли возвращаемый за счет ЭПФ прогиб, и вычисляли коэффициент Кэпф по указанному выше соотношению (К эпф = возврат за счет ЭПФ / остаточный прогиб). В таблице 1 приведены результаты ряда испытаний.

патентный документация изобретение

Таблица 1

Повышение коэффициента возврата деформации при динамическом нагружении связано с различным характером отклика на это нагружение процессов обратимого и необратимого неупругого деформирования никелида титана в мартенситном состоянии. К первым можно отнести двойникование, ко вторым относится дислокационная пластичность. Как показал опыт, обратимые процессы развития неупругого деформирования, ответственные за эффект памяти формы, по сравнению с необратимыми в мартенситном состоянии активируются легче и полнее при динамическом, чем при квазистатическом нагружении.

Рассчитанные по этим данным максимальные напряжения в образце на его внешней поверхности находились в интервале от 300 до 900 МПа. Остаточный прогиб 2,3 мм соответствует 8% деформации. Диапазон до 8% для остаточной деформации, задаваемой в мартенситном состоянии, был выбран потому, что это наиболее употребительный диапазон, в котором используют эффект памяти формы в никелиде титана. При более значительных остаточных деформациях эффект памяти формы уменьшается, для его инициации требуются значительные изменения формы.

Для сравнения импульсного и квазистатического нагружений была проведена аналогичная серия испытаний при комнатной температуре на том же сплаве с той же температурной обработкой при квазистатическом нагружении в режиме трехточечного изгиба в мартенситном состоянии. Длина образцов равнялась 35 мм, расстояние между опорами равнялось 30 мм. В таблице 2 приведены результаты ряда испытаний.

Таблица 2

Заявляемый способ, как показали результаты проведенных испытаний, имеет более высокий по сравнению с аналогами коэффициент возврата деформации с использованием ЭПФ.

Существенный эффект от использования предлагаемого способа состоит в том, что для достижения необходимого рабочего хода потребуется меньшая предварительная деформация рабочего элемента. Это позволит уменьшить размеры рабочих элементов и массогабаритные характеристики устройств в целом, что делает использование заявленного способа привлекательным и надежным с точки зрения более высокого эффекта памяти формы при изготовлении рабочих элементов устройств или изделий широкого спектра назначений. Например, в устройствах удержания и расчековки космического назначения, в машиностроении в рабочих элементах, совмещающих функции температурочувствительного и исполнительного органов, в приводных устройствах однократного действия, в медицине - в имплантатах для остеосинтеза.

Размещено на Allbest.ru