Формирование структурно-фазового состояния, упругих и дюрометрических свойств в биосовместимых холоднокатаных титановых сплавах на базе системы Ti–Nb–Zr при старении

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Методами растровой электронной микроскопии, рентгеноструктурного фазового анализа, микроиндентирования изучено влияние легирования цирконием (в пределах 3...6 ат. %) и комплексными добавками Zr+Sn, Zr+Sn+Ta на эволюцию структуры, фазового состава и свойств (контактный модуль упругости, твердость, параметры износостойкости) при старении (400 °C, время выдержки 4, 16, 64 часа) после многопроходной холодной прокатки с суммарной степенью деформации 85 % закаленных биосовместимых β-сплавов титана (ат.%) Ti–26 %Nb–3 %Zr, Ti–26 %Nb–5 %Zr, Ti–26 %Nb–6 %Zr, Ti–26 %Nb–3 %Zr–1 %Sn, Ti–26 %Nb–3 %Zr–1 %Sn–0.7Ta. Показано, что холодная прокатка исследуемых сплавов системы Ti–Nb–Zr, по сравнению с закалкой, подавляет протекание в ходе старения β→ω–превращения и способствует ускорению процессов распада β-твердого раствора с образованием неравновесной αн-фазы. Повышение содержания циркония с 3 до 6 ат. % в холоднокатаных тройных сплавах Ti–26 %Nb-х%Zr и введение в сплав Ti–26 %Nb комплексных добавок Zr+Sn, Zr+Sn+Ta вместо добавки только циркония тормозит развитие процессов распада β-фазы при старении, что сказывается на интенсивности изменения значений контактного модуля упругости и микротвердости. Установлено, что старение исследуемых холоднокатаных сплавов позволяет получить в них более высокие значения параметров H/Er и H3/Er2 (Н –твердость, Er –приведенный модуль упругости), связанных с износостойкостью, чем в широко используемом в медицине сплаве титана Ti–6Al–4V. Определены составы сплавов и режимы их обработки, позволяющие получить наиболее высокий комплекс свойств.

Об авторах

А. А. Коренев

Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина

Email: a.g.illarionov@urfu.ru
Россия, ул. Мира, 19, Екатеринбург, 620002

А. Г. Илларионов

Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина; Институт физики металлов имени М.Н. Михеева УрО РАН

Автор, ответственный за переписку.
Email: a.g.illarionov@urfu.ru
Россия, ул. Мира, 19, Екатеринбург, 620002; ул С. Ковалевской, 18, Екатеринбург, 620108

М. С. Карабаналов

Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина

Email: a.g.illarionov@urfu.ru
Россия, ул. Мира, 19, Екатеринбург, 620002

Список литературы

  1. Chen Q., Thouas G.A. Metallic implant biomaterials // Mater. Sci. Eng. R. 2015. V. 87. P. 1–57.
  2. Miyazaki S., Kim H.Y., Hosoda H. Development and characterization of Ni-free Ti-base shape memory and superelastic alloys // Mater. Sci. Eng. A. 2006. V. 438–440. P. 18–24.
  3. Дубинский С.М., Прокошкин С.Д., Браиловский В., Инаекян К.Э., Коротицкий А.В., Филонов М.Р., Петржик М.И. Структурообразование при термомеханической обработке сплавов Ti–Nb–(Zr, Ta) и проявление эффекта памяти формы // ФММ. 2011. Т. 112. № 5. С. 529–542.
  4. Коренев А.А., Илларионов А.Г. Влияние холодной прокатки на структуру, текстуру, упругие и микродюраметрические свойства биосовместимых титановых сплавов на базе системы Ti-Nb-Zr // ФММ. 2023. Т. 124. № 6. С. 492–499.
  5. Hynowska A., Pellicer E., Fornell J., González S., van Steenberge N., Surinãch S., Gebert A., Calin M., Eckert J., Baró M.D., Sort J. Nanostructured β-phase Ti–31.0Fe–9.0Sn and sub-μm structured Ti–39.3Nb–13.3Zr–10.7Ta alloys for biomedical applications: Microstructure benefits on the mechanical and corrosion performances // Mater. Sci. Eng. C. 2012. V. 32. P. 2418–2425.
  6. Leyland A., Matthews A. On the significance of the H/E ratio in wear control: a nanocomposite coating approach to optimised tribological behaviour // Wear. 2000. V. 246. P. 1–11.
  7. Hao Y.L., Niinomy N., Kuroda D., Fukunaga K., Zhou Y.L., Yang R., Suzuki A. Aging Response of the Young’s Modulus and Mechanical Properties of Ti–29Nb–13Ta–4.6Zr for Biomedical Applications // Metal. Mater. Trans. A. 2003. V. 34A. P. 1007–1012.
  8. Majumdar P., Singh S.B., Chakraborty M. Elastic modulus of biomedical titanium alloys by nano-indentation and ultrasonic techniques – A comparative study // Mater. Sci. Eng. A. 2008. V. 489. P. 419–425.
  9. Илларионов А.Г., Гриб С.В., Илларионова С.М., Попов А.А. Связь структуры, фазового состава, физико-механических свойств в закаленных сплавах системы Ti–Nb // ФММ. 2019. Т. 120. № 2. С. 161–168.
  10. Tane M., Okuda Y., Todaka Y., Ogi H., Nagakubo A. Elastic properties of single-crystalline ω-phase in titanium // Acta Mater. 2013. V. 61. P. 7543–7554.
  11. Acharya S., Bahl S., Dabas S.S., Hassan S., Gopal V., Panicker A.G., Manivasagam G., Suwas S., Chatterjee K. Role of aging induced α precipitation on the mechanical and tribocorrosive performance of a β Ti–Nb–Ta–O orthopedic alloy // Mater. Sci. Eng. C. 2019. V. 103. 109755.
  12. He F., Yang S., Cao J. Effect of Cold Rolling and Aging on the Microstructure and Mechanical Properties of Ti–Nb–Zr Alloy // JMEPEG. 2020. V. 29. 3411–3419.
  13. Meng Q.-K., Li H., Zhao C.-H., Wei F.-X., Sui Y.-W., Qi J.-Q. Synchrotron X-ray diffraction characterization of phase transformations during thermomechanical processing of a Ti38Nb alloy // Rare Met. 2021. V. 40. № 11. P. 3269–3278.
  14. Meng Q.-K., Xu J.-D., Li H., Zhao C.-H., Sui Y.-W., Ma W. Phase transformations and mechanical properties of a Ti36Nb5Zr alloy subjected to thermomechanical treatments // Rare Met. 2022. V. 41. № 1. P. 209–217.
  15. Jiang B., Wang Q., Wen D., Xu W., Chen G., Dong C., Sun L., Liaw P.K. Effects of Nb and Zr on structural stabilities of Ti–Mo–Sn-based alloys with low modulus // Mater. Sci. Eng. A. 2017. V. 687. P. 1–7.
  16. Иванов И., Сафарова Д., Батаева З., Батаев И. Сравнение подходов, основанных на методе Вильямсона–Холла, для анализа структуры высокоэнтропийного сплава Al0.3CoCrFeNi после холодной пластической деформации // Обработка металлов (технология; оборудование; инструменты). 2022. Т. 24. № 3. С. 90–102.
  17. Oliver W.C., Pharr G.M. Measurement of hardness and elastic modulus by instrumented indentation: Advances in understanding and refinements to methodology Pharr // J. Mater. Res. 2004. V. 19. № 1. P. 3–20.
  18. Илларионов А.Г., Нежданов А.Г., Степанов С.И., Муллер-Камский Г., Попов А.А. Структурно-фазовое состояние и механические свойства биосовместимых сплавов различных классов на основе титана // ФММ. 2020. Т. 121. № 3. С. 411–417.
  19. Лясоцкая В.С. Термическая обработка сварных соединений титановых сплавов. М.: Экомет, 2003. 352 с.
  20. Попова Л.Е., Попов А.А. Диаграммы распада аустенита в сталях и бета-раствора в сплавах титана. М.: Металлургия, 1991. 503 с.
  21. Колачев Б.А., Елагин В.И., Ливанов В.А. Металловедение и термическая обработка цветных металлов и сплавов: Учебник для вузов / 4-е изд., перераб. и доп. М.: МИСИС, 2005. 432 с.
  22. Moffat D.L., Larbalestier D.C. The Competition between Martensite and Omega in Quenched Ti-Nb Alloys // Metal. Trans. A 1988. V. 19A, № 7. P. 1677–1686.
  23. Трефилов В.И., Мильман Ю.В., Фирстов С.А. Физические основы прочности тугоплавких металлов / АН УССР, Ин-т проблем материаловедения. Киев: Наукова думка, 1975. 315 с.
  24. Murray J.L. The Nb–Ti (Niobium-Titanium) System // Bulletin of Alloy Phase Diagrams. 1981. V. 2. No. 1. P. 55–61.
  25. Murray J.L. The Ti–Zr (Titanium-Zirconium) System // Bulletin of Alloy Phase Diagrams. 1981. V. 2. No. 2. P. 197–201.
  26. Miracle D.V., Senkov O.N. A critical review of high entropy alloys and related concepts // Acta Mater. 2017. V. 122. P. 448–511.
  27. Khrunyk Y.Y., Ehnert S., Grib S.V., Illarionov A.G., Stepanov S.I., Popov A.A., Ryzhkov M.A., Belikov S.V., Xu Z., Rupp F., Nüssler A.K. Synthesis and characterization of a novel biocompatible alloy, Ti–Nb–Zr–Ta–Sn // Intern. J. Molecular Sci. 2021. V. 22. № 19. P. 10611.
  28. Ivanov I.V., Emurlaev K.I., Lazurenko D.V., Stark A., Bataev I.A. Rearrangements of dislocations during continuous heating of deformed -TiNb alloy observed by in-situ synchrotron X-ray diffraction // Mater. Characteriz. 2020. V. 166. P. 110403.
  29. Попов А.А., Петров Р.И., Попов Н.А., Нарыгина И.В., Жилякова М.А., Луговая К.И. Влияние легирования цирконием на структуру и свойства сплавов системы Ti–40 % Nb // Металловедение и термич. обр. металлов. 2021. № 9 (807). С. 45–50.
  30. Li Q., Niinomy M., Nakai M., Cui Z., Zhu S., Yang X. Effect of Zr on super-elasticity and mechanical properties of Ti–24 at% Nb–(0, 2, 4) at% Zr alloy subjected to aging treatment // Mater. Sci. Eng. A. 2012. V. 536. P. 197–206.
  31. Эмсли Дж. Элементы. М. Мир, 1993. 256 с.
  32. Цвиккер У. Титан и его сплавы. М.: Мир, 1979. 519 с.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать