5.4.3 Застосування сплавів з ефектом пам’яті форми

Сплави з ЕПФ часто відносять до так званих інтелектуальних матеріалів, які дозволяють створювати принципово нові конструкції і технології в різних галузях машинобудування, авіакосмічній та ракетній техніці, приладобудуванні, енергетиці, медицині тощо.

Способи з’єднання деталей, що використовуються в масовому виробництві, такі як зварювання, паяння, клепання, склеювання та інші, непридатні в космічних умовах. Особливі вимоги висуваються для забезпечення виключно високої техніки безпеки.

З урахуванням цих обставин була створена унікальна технологія з’єднання елементів у відкритому космосі з використанням муфт зі сплаву ТН-1. Ця технологія була успішно використана під час збирання конструкції ферми з алюмінієвих сплавів загальною довжиною 14,5 м та поперечним перетином у вигляді квадрату зі стороною 0,5 м. Ферма складалась з окремих трубчастих деталей діаметром 28 мм, які з’єднувались між собою за допомогою муфт із металу з пам’яттю форми (рис. 5.20). Муфту за допомогою дорна деформували при низькій температурі таким чином, щоб її внутрішній діаметр був більшим за зовнішній діаметр елементів, що з’єднуються. Після нагрівання вище температури зворотного мартенситного перетворення внутрішній діаметр муфти відновлювався до того діаметра, який муфта мала перед розширенням. При цьому генерувалися значні стискуючі реактивні зусилля; елементи, що з’єднувались, пластично деформувалися і це забезпечувало їх міцне з’єднання.

а – до збирання; б – після нагрівання

Рисунок 5.20 – З’єднання трубчастих деталей (1) за допомогою муфти (2) з металу з пам’яттю форми [6]

Ці ж принципи можуть використовуватись для монтажу на великих глибинах крупногабаритних морських підводних конструкцій.

Муфти для термомеханічного з’єднання труб застосовують в багатьох конструкціях. Перевагою муфт, які виготовленні зі сплавів з пам’яттю форми, окрім їх високої надійності, є відсутність високотемпературного нагрівання (на відміну від зварювання). Тому властивості матеріалів поблизу з’єднання не погіршуються. Муфти такого типу застосовуються для трубопроводів атомних підводних човнів, надводних кораблів, для ремонту трубопроводів для перекачування нафти із дна моря, при цьому використовують муфти великого діаметру – близько 150 мм. В деяких випадках для виготовлення муфт застосовують також сплави Cu-Zn-Al.

Для нерухомого з’єднання деталей зазвичай використовують заклепки та болти. Однак, якщо неможливо здійснити які-небудь дії на протилежному боці деталей, що скріплюються (наприклад, в герметичній пустотілій конструкції), виконання операцій кріплення викликає труднощі. Стопори зі сплавів з пам’яттю форми дозволяють в цих випадках здійснити кріплення з використанням просторового відновлення форми. Стопори виготовляють зі сплаву з пам’яттю форми, причому в вихідному стані стопор має розкритий торець (рис. 5.21,а). Перед початком здійснення операції кріплення торець занурюється в суху кригу або рідкий азот і на достатньому рівні охолоджується, після чого вирівнюються торці (рис.5.21, б). Стопор вводиться у нерухомий отвір для кріплення (рис. 5.21,в), при підвищенні температури до кімнатної відбувається відновлення форми, торці штифта розходяться (рис. 5.21,г) і операція кріплення завершується.

Рисунок 5.21 – Принцип дії стопора з ефектом пам’яті форми [6]

Матеріали з ЕПФ можуть бути використані не тільки для монтажу, але і для ремонту трубопроводів, які знаходяться в аварійному стані. На ділянку труби з тріщиною насувають роз’ємну вставку, яку стискують спіральними стрічками, що згортаються в кільце, або дротом із матеріалу з ЕПФ.

Сплави з ЕПФ використовують як силові елементи блокуючих пристроїв, які спрацьовують як на замикання (власне блокування), так і в зворотному напрямі. Зазвичай це приводи одноразового спрацювання для введення в дію пускових механізмів.

Сплави з ЕПФ використовують в силових конструкціях пресів, домкратів. Особливістю виконавчих елементів зі сплавів з пам’яттю є їх мініатюрність. Це обумовлено простотою механізму їх дії, а також тим, що елемент складається з одного сплаву. На роботу таких виконавчих механізмів не діє середовище або атмосфера, а впливає тільки температура. Отже, можливе встановлення цих елементів в таких середовищах, як вакуум або вода, при цьому немає необхідності в герметизованому рухомому вузлі, як при встановленні двигунів або гідропневматичних циліндрів.

Використання сплавів з пам’яттю форми в медицині викликає особливу зацікавленість. Їх застосування відкриває широкі можливості при створенні нових ефективних методів лікування. Сплави, що використовують у медицині, повинні володіти не тільки високими механічними характеристиками: вони не повинні піддаватися корозії в біологічному середовищі, повинні мати біологічну сумісність із тканинами людського організму, забезпечувати відсутність токсичності, канцерогенності, опиратися утворенню тромбів; зберігати ці властивості впродовж довготривалого часу.

Спеціальні експерименти, які проводилися на тваринах, довели, що сплави на основі Ti-Ni мають біологічну сумісність на рівні і навіть вище нержавіючих сталей і кобальтхромових сплавів і можуть застосовуватися в ролі функціональних матеріалів в біологічних організмах. Використання сплавів з ЕПФ для лікування показало їх добру сумісність з тканинами і відсутність реакцій відторгнення біологічних структур людського організму [6].