Сплавы с эффектом памяти формы

К.Ооцука, К.Симидзу, Ю.Судзуки, Ю.Сэкигути, Ц.Тадаки, Т.Хомма, С.Миядзаки

Металлургия, 1990 г.

 3.2. ПРИМЕНЕНИЕ В ТЕХНИКЕ

Разработка и использование сплавов с эффектом памяти формы осуществляются довольно быстрыми темпами. В 1960 г. в США выдан патент [7] на температурный переключатель из сплава Cd— Ag— Аи. В

1965 г. после того, как были опубликованы данные о выдающихся характеристиках эффекта памяти формы в сплаве Ti— Ni, разработка устройств с использованием сплавов с памятью формы интенсифицировалась. Было получено большое число патентов на разработки в различных областях. Пример использования сплава с эффектом памяти формы приведен на рис. 3.21 [В]. На этом рисунке показана антенна искусственного спутника, изготовленная с использованием сплава с эффектом

Рис. 3.21. Антенна искусственного спутника, изготовленная из сплава с эффектом памяти формы; 1 — проволока из сплава Ti— Ni; 2 — листовой сплав Ti— Ni

памяти формы. Антенна состоит из листа и стержня из сплава Ti— Ni, которые свернуты в виде спирали и помещены в углубление в искусственном спутнике. После запуска спутника и выведения его на орбиту антенна нагревается с помощью специального нагревателя или тепла солнечного излучения. В результате антенна выходит в космическое пространство. Такой метод развертки антенны NASA(США) позже исследовало в качестве способа сборки параболоидной антенны на поверхности Луны, однако практического применения метод не нашел.

В 60-х годах возможности использования сплавов с эффектом памяти формы, указанные в патентах и описанные в журналах, имели гипотетический характер. Практическое применение этих сплавов в различных устройствах началось в 70-х годах.

Применение для соединительных и установочных деталей

Соединение труб. Сплавы с эффектом памяти формы прежде всего использовались в качеств однонаправленных элементов памяти, первоначально их применили для соединительных муфт для труб [9]. Для муфт использовался сплав Ti— Ni— Fe, Т превращения которого значительно ниже комнатной (~ — 150°С). Внутренний диаметр муфты изготавливался примерно на 4 % меньше, чем наружный диаметр соединяемых труб. При соединении муфта прежде всего погружалась в жидкий воздух и выдерживалась при низкой Г. В таком состоянии в муфту вводился дорн с определенной конусностью и расширялся внутренний диаметр на 7—В %. В качестве смазочного материала при расширении труб целесообразно использовать полиэтиленовую пленку. В расширенную таким образом муфту, Г которой поддерживается низкой, вводятся с двух сторон соединяемые трубы, удаляется устройство для поддержания низкой Г, после чего Т муфты повышается до комнатной. Внутренний диаметр муфты восстанавливается до того диаметра, который муфта имела перед расширением; происходит прочное соединение труб Свыше 100 тыс. таких муфт используется для соединения трубопроводов гидросистем реактивного истребителя F-14, каких-либо аварий, связанных с утечкой масла, не отмечено. Преимуществом муфт, изготовленных из сплавов с памятью формы, помимо их высокой надежности, является отсутствие высокотемпературного нагрева, как при сварке. Поэтому свойства материалов вблизи соединения не ухудшаются. Кроме того, при необходимости легко осуществляется разборка соединения при низкой Г. Муфты такого типа применяются для трубопроводов атомных подводных лодок, надводных кораблей, для ремонта трубопроводов для перекачки нефти со дна моря, причем для этих целей используются муфты большого диаметра порядка 150 мм. В настоящее время в этих случаях применяется также сплав Си — Zn— AI.

Стопоры. Для неподвижного соединения деталей обычно применяются заклепки и болты. Однако если невозможно осуществлять какие-либо действия на противоположной стороне скрепляемых деталей (например, в герметичной пустотелой конструкции), выполнение операций крепления вызывает трудности. Стопоры из сплава с эффектом памяти формы позволяют в этих случаях осуществить крепление, используя пространственное восстановление формы [10].

Стопоры изготавливаются из сплава с эффектом памяти формы, у которого A_f< Т комнатной, причем в исходном состоянии стопор имеет раскрытый торец (рис. 3.23, я). Перед осуществлением операции крепления стопор погружается в сухой лед или жидкий воздух и в достаточной степени охлаждается, после чего выпрямляются торцы (рис. 3.23, 6).Стопор вводится в неподвижное отверстие для крепления (рис. 3.23, в),

при повышении температуры до комнатной происходит восстановление формы, торцы штифта расходятся (рис. 3.23, г) и операция крепления завершается.

Соединители. На рис. 3.24 показан электрический соединитель [9], который является разновидностью муфты. Однако в отличие от описанной выше муфты для соединения труб для соединителей используются сплавы с памятью формы двунаправленного действия. Втулка, которая является гнездом соединения, изготавливается из бериллиевой бронзы, имеющей хорошую упругость, в свободном состоянии прорезается торцовая щель (рис. 3.25). На втулку надевается кольцо из сплава Ti— Ni, у которого A_f—20 °С. При комнатной Т торцовая часть сжимается, при низкой Г торцовая часть и кольцо расширяются. Таким образом, втулка действует как пружина смещения.

Соединение целесообразно осуществить, охладив соединитель целиком и введя штекер в тот момент, когда втулка открыта. При повышении Т до комнатной кольцо восстанавливает форму, втулка и штекер зажимаются кольцом. Для охлаждения соединителя на практике применяется обдувка охлаждающим газом или холодным сжатым воздухом.

Зажимы и другие устройства.В качестве зажимных приспособлений для  крепления неподвижных деталей применяются различные скобы (рис. 3.26, 3-27) или уплотнения .

Исполнительные элементы на основе сплавов с эффектом памяти формы. Элементы с эффектом памяти формы могут одновременно выполнять функции датчиков Г и функции исполнительных элементов, поэтому применение их в этих целях наиболее эффективно. Однако немало случаев, когда элементы памяти формы используются самостоятельно в качестве исполнительных элементов. Конструктивно исполнительные элементы с памятью формы не отличаются от двунаправленных элементов памяти формы, описанных в разд. 3.1. Соответствующим способом нагрева и регулированием обеспечивается возвратно-поступательное или вращательное движение исполнительных элементов. Обычно применяется нагрев прямым пропусканием тока, однако в соответствии с назначением элементов используются и другие способы: нагрев с помощью пропускания горячей и холодной воды, обдув горячим воздухом, высокочастотный индукционный нагрев, инфракрасное и лазерное излучения.

Применение для исполнительных элементов и роботов

Самой характерной особенностью исполнительных элементов с памятью формы является их миниатюрность. Это обусловлено простотой механизма их действия, а также тем, что элемент состоит из одного сплава. Практически изготовлен [13] микроманипулятор с длиной рабочей части 6 мм (рис. 3.29 и 3.30). В этом микроманипуляторе проволока из сплава Ti— Niф 0,2 мм, запоминающая форму дуги окружности имеет оболочку из силиконовой резины, которая действует как пружина смещения. Однако источником энергии привода элемента является тепловой источник. Особое внимание следует обратить на то, что при увеличении размеров элемента скорость действия элемента замедляется.

Другой характерной особенностью исполнительных элементов из сплава с эффектом памяти формы является то, что на их действие влияет не среда или атмосфера, а только температура. Следовательно, возможна установка этих элементов в таких средах, как вакуум или вода, при этом нет необходимости в герметизированном подвижном узле, как при установке двигателей или гидропневматических цилиндров.