ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ
ТЕХНОЛОГИЯ • ОБОРУДОВАНИЕ • ИНСТРУМЕНТЫPrint ISSN: 1994-6309 Online ISSN: 2541-819X
Введение. Сплав Ti–40 мас. % Nb (Ti–40 Nb) – перспективный материал для медицинских приложений, так как имеет низкий модуль упругости, что определяет механическую совместимость имплантата с костной тканью. Передовыми методами получения изделий из сплава Ti–40 Nb являются интенсивная пластическая деформация (ИПД) и селективное лазерное сплавление (CЛC). Представленные методы имеют разную природу и влияние на фазовый состав, строение и свойства изделия, что требует глубоких структурных исследований. Цель работы – оценка структурных характеристик сплава Ti–40 Nb, полученного в условиях высокоэнергетического воздействия методами ИПД и СЛС, с учетом неоднородности элементного состава. Объекты исследования. Слитки сплава получали электродуговой плавкой. ИПД закаленных слитков осуществлялась последовательным прессованием в симметричный канал, многоосевой ковкой и прокаткой. СЛС порошка механически легированного сплава выполнялось на установке ВАРИСКАФ–100МВС. Методы исследования. Оптическая и растровая электронная микроскопия, энергодисперсионный микроанализ, рентгеноструктурный анализ, определение модуля упругости и нанотвердости методом невосстановленного отпечатка. Результаты. В процессе кристаллизации слитка формируется дендритная структура, состоящая из β-фазы с внутрикристаллической ликвацией и разностью в концентрации Nb до 6 мас. %. После закалки слитка в зонах, обедненных Nb, формируется мартенситная структура α²-фазы. ИПД слитка приводит к устранению ликвации, обратному α² → β + α-превращению и формированию ультрамелкозернистой структуры с оптимальным комплексом физико-механических свойств. СЛС формирует структуру, состоящую из микронных зерен β-фазы с прослойками по границам зерен неравновесной α''-фазы. Образовавшуюся в сплаве внутрикристаллическую ликвацию с разностью в концентрации Nb до 27 мас. %. предложено устранять последующей термической обработкой. Заключение. Рассмотренные высокоэнергетические методы получения медицинских имплантатов, ИПД и СЛС оказывают значительное влияние на структуру сплава Ti–40 Nb. Характер воздействия определяется самим методом и формирующейся неоднородностью элементного состава.
Ковалевская Жанна Геннадьевна
Шаркеев Юрий Петрович
Химич Маргарита Андреевна
Ерошенко Анна Юрьевна
Уваркин Павел Викторович
1. Microstructure and mechanical behavior of metal injection molded Ti-Nb binary alloy as biomedical material / D. Zhao, K. Chang, T. Ebel, H. Nie, R. Willumeit, F. Pyczak // Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials. – 2013. – Vol. 28. – P. 71–182. – DOI: 10.1016/j.jmbbm.2013.08.013.
2. Niinomi M., Nakai M., Hieda J. Development of new metallic alloys for biomedical applications // Acta Biomaterialia. – 2012. – Vol. 8, iss. 11. – P. 3888–3903. – DOI: 10.1016/j.actbio.2012.06.037.
3. Microstructure and dry wear properties of Ti-Nb alloys for dental prostheses / L. Xu, S.L. Xiao, J. Tian, Y. Chen, Y. Huang // Transactions of Nonferrous Metals Society of China. – 2009. – Vol. 19, iss. 3. – P. 639–644. – DOI: 10.1016/S1003-6326(10)60124-0.
4. Structure and properties of micro-arc calcium phosphate coatings on pure titanium and Ti-40Nb alloy / Yu. Sharkeev, E. Komarova, M. Sedelnikova, Z. Sun, Q. Zhu, J. Zhang, T.Tolkacheva, P. Uvarkin // Transactions of Nonferrous Metals Society of China. – 2017. – Vol. 27, iss. 1. – P. 125−133. – DOI: 10.1016/S1003-6326(17)60014-1.
5. Electrochemical corrosion behavior of a Ti-35Nb alloy for medical prostheses / A. Cremasco, W.R. Osório, C.M.A. Freire, A. Garcia, R. Caram // Electrochimica Acta. – 2008. – Vol. 53, iss. 14. – P. 4867–4874. – DOI: 10.1016/j.electacta.2008.02.011.
6. Beta Ti аlloys with low Young’s modulus / T. Ozaki, H. Matsumoto, S. Watanabe, S. Hanada // Materials Transactions. – 2004. – Vol. 45, iss. 8. – P. 2776–2779. – DOI: 10.2320/matertrans.45.2776.
7. Biomedical titanium alloys with Young’s moduli close to that of cortical bone / M. Niinomi, Y. Liu, M. Nakai, H. Liu, H. Li // Regenerative Biomaterials. – 2016. – Vol. 3, iss. 3. – P. 173–185. – DOI: 10.1093/rb/rbw016.
8. Moffat D.L., Kattner U.R. The stable and metastable Ti-Nb phase diagrams // Metallurgical Transactions A. – 1988. – Vol. 19, iss. 10. – P. 2389–2397. – DOI: 10.1007/BF02645466.
9. Плавка и литье титановых сплавов / А.Л. Андреев, Н.Ф. Аношкин, Г.А. Бочвар и др. – М.: Металлургия, 1994. – 368 с. – (Титановые сплавы).
10. Губкин И.Н. Заметки о технологии выплавки и переработки Nb-Ti слитков в прутки. – М.: ВНИИНМ, 2006. – 115 с.
11. Enhancement of mechanical properties of biocompatible Ti–45Nb alloy by hydrostatic extrusion / K. Ozaltin, W. Chrominski, M. Kulczyk, A. Panigrahi, J. Horky, M. Zehetbauer, M. Lewandowska // Journal of Materials Science. – 2014. – Vol. 49, iss. 20. – P. 6930–6936. – DOI: 10.1007/s10853-014-8397-7.
12. Mechanical properties, structural and texture evolution of biocompatible Ti–45Nb alloy processed by severe plastic deformation / A. Panigrahia, B. Sulkowskia, T. Waitza, K. Ozaltinc, W. Chrominskic, A. Pukenasd, J. Horkya, M. Lewandowskac, W. Skrotzkid, M. Zehetbauera // Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials. – 2016. – Vol. 62. – P. 93–105. – DOI: 10.1016/j.jmbbm.2016.04.042.
13. Influence of testing orientation on mechanical properties of Ti45Nb deformed by high pressure torsion / B. Völker, N. Jäger, M. Calin, M. Zehetbauer, J. Eckert, A. Hohenwarter // Materials and Design. – 2017. – Vol. 114. – P. 40–46. – DOI: 10.1016/j.matdes.2016.10.035.
14. Phase transformations and mechanical properties of biocompatible Ti-16.1Nb processed by severe plastic deformation / A. Panigrahi, M. Bönisch, T. Waitz, E. Schafler, M. Calin, J. Eckert, W. Skrotzki, M. Zehetbauer // Journal of Alloys and Compounds. – 2015. – Vol. 628. – P. 434–441. – DOI: 10.1016/j.jallcom.2014.12.159.
15. Severe plastic deformation of Ti74Nb26 shape memory alloys / J. Ma, I. Karaman, B. Kockar, H.J. Maier, Y.I. Chumlyakov // Materials Science and Engineering: A. – 2011. – Vol. 528, iss. 25–26. – P. 7628–7635. – DOI: 10.1016/j.msea.2011.06.051.
16. Texture evolution in a Ti-Ta-Nb alloy processed by severe plastic deformation / V.D. Cojocaru, D. Raducanu, T. Gloriant, I. Cinca // JOM. – 2012. – Vol. 64, iss. 5. – P. 572–581. – DOI: 10.1007/s11837-012-0312-6.
17. New developments of Ti-based alloys for biomedical applications / Y. Li, C. Yang, H. Zhao, S. Qu, X. Li, Y. Li // Materials. – 2014. – vol. 7, iss. 3. – p. 1709–1800. – DOI: 10.3390/ma7031709.
18. Shahali H., Jaggessar A., Yarlagadda P. Kdv. Recent advances in manufacturing and surface modification of titanium orthopaedic applications // Procedia Engineering. – 2017. – Vol. 174. – P. 1067–1076. – DOI: 10.1016/j.proeng.2017.01.259.
19. Production of porous β-type Ti-40Nb alloy for biomedical applications: comparison of selective laser melting and hot pressing / K. Zhuravleva, M. Bönisch, K.G. Prashanth, U. Hempel, A. Helth, T. Gemming, M. Calin, S. Scudino, L. Schultz, J. Eckert, A. Gebert // Materials. – 2013. –Vol. 6, iss. 12. – P. 5700–5712. – DOI: 10.3390/ma6125700.
20. Selective laser melting of Ti-45Nb alloy / H. Schwab, K.G. Prashanth, L. Lober, U. Kuhn, J. Eckert // Materials. – 2015. – Vol. 5, iss. 2. – P. 686–694. – DOI: 10.3390/met5020686.
21. Numerical study of mechanical properties of nanoparticlesof β-type Ti-Nb alloy under conditions identical to laser sintering. Multilevel approach / A.Yu. Nikonov, A.M. Zharmukhambetova, A.V. Ponomareva, A.I. Dmitriev // Physical Mesomechanics. – 2018. – Vol. 21, N 1. – P. 43–51.
22. Rationally designed meta-implants: a combination of auxetic and conventional meta-biomaterials / H.M.A. Kolken, Sh. Janbaz, S.M.A. Leeflang, K. Lietaert, H.H. Weinans, A.A. Zadpoor // Materials Horizons. – 2018. – Vol. 5, iss. 1. – P. 28–35. – DOI: 10.1039/c7mh00699c.
23. The biomimetic design and 3D printing of customized mechanical properties porous Ti6Al4V scaffold for load-bearing bone reconstruction / B. Zhang, X. Pei, C. Zhou, Y. Fan, Q. Jiang, A. Ronca, U. D'Amora, Y. Chen, H. Li, Y. Sun, X. Zhang // Materials and Design. – 2018. – Vol. 152. – P. 30–39. – DOI: 10.1016/j.matdes.2018.04.065.
24. Evaluation of physical and mechanical properties of structural components of Ti-Nb alloy / Zh.G. Kovalevskaya, M.A. Khimich, A.V. Belyakov, I.A. Shulepov // Advanced Materials Research. – 2014. – Vol. 1040. – P. 39–42. – DOI: 10.4028/www.scientific.net/AMR.1040.39.
25. Structural and phase state of Ti-Nb alloy at selective laser melting of the composite powder / Yu.P. Sharkeev, A.Yu. Eroshenko, Zh.G. Kovalevskaya, A.A. Saprykin, E.A. Ibragimov, I.A. Glukhov, M.A. Khimich, P.V. Uvarkin, E.V. Babakova // Russian Physics Journal. – 2016. – Vol. 59, iss. 3. – P. 430–434. – DOI: 10.1007/s11182-016-0790-z.
26. Исследование строения и фазового состава порошков Ti и Nb после механической активации / Ю.П. Шаркеев, Ж.Г. Ковалевская, М.А. Химич, Е.А. Ибрагимов, А.А. Сапрыкин, В.И. Яковлев, В.А. Батаев // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2016. – № 1 (70). – С. 42–51. – DOI: 10.17212/1994-6309-2016-1-42-51.
27. Microstructure and mechanical properties of Ti40Nb alloy after severe plastic deformation / Yu.P. Sharkeev, A.Yu. Eroshenko, I.A. Glukhov, Q. Zhu, A.I. Tolmachev // AIP Conference Proceedings. – 2014. – Vol. 1623, iss. 1. – P. 567–570. – DOI: 10.1063/1.4899008.
28. Strength and ductility-related properties of ultrafine grained two-phase titanium alloy produced by warm multiaxial forging / S. Zherebtsova, E. Kudryavtseva, S. Kostjuchenkoa, S. Malyshevab, G. Salishcheva // Materials Science and Engineering A. – 2012. – Vol. 536. – P. 190–196. – DOI: 10.1016/j.msea.2011.12.102.
29. Особенности структурно-фазового состояния сплава Ti-6Al-4V при формировании изделий с использованием электронно-лучевой проволочной аддитивной технологии / Н.Л. СавченкоБ А.В. Воронцов, В.Р. Утяганова, А.А. Елисеев, В.Е. Рубцов, Е.А. Колубаев // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2018. – Т. 20, № 4. – С. 60–71. – DOI: 10.17212/1994-6309-2018-20.4-60-71.
30. Cantor B. Rapidly quenched metals III. – Brighton: Metals Society, 1978. – 470 p.
31. Anisotropy of mechanical properties in high-strength ultra-fine-grained pure Ti processed via a complex severe plastic deformation route / I. Sabirov, M.T. Perez-Prado, J.M. Molina-Aldareguia, I.P. Semenova, G.Kh. Salimgareeva, R.Z. Valiev // Scripta Materialia. – 2011. – Vol. 64, iss. 1. – P. 69–72. – DOI: 10.1016/j.scriptamat.2010.09.006.
32. Meredith C.S., Khan A.S. Texture evolution and anisotropy in the thermo-mechanical response of UFG Ti processed via equal channel angular pressing // International Journal of Plasticity. – 2012. – Vol. 30. – P. 202–217. – DOI: 10.1016/j.ijplas.2011.10.006.
33. Martensitic transformation, shape memory effect and superelasticity of Ti-Nb binary alloys / Y. Kim, Y. Ikehara, J.I. Kim, H. Yosoda, S. Miyazaaki // Acta Materialia. – 2006. – Vol. 54, iss. 9. – P. 2419–2429. – DOI: 10.1016/j.actamat.2006.01.019.
34. Influence of cooling rate on microstructure of Ti-Nb alloy for orthopedic implants / C.R.M. Afonso, G.T. Aleixo, A.J. Ramirez, R. Caram // Materials Science and Engineering: C. – 2007. – Vol. 27, iss. 4. – P. 908–913. – DOI: 10.1016/j.msec.2006.11.001.
35. Effects of thermomechanical history and environment on the fatigue behavior of (β)-Ti-Nb implant alloys / A. Reck, S. Pilz, U. Thormann, V. Alt, A. Gebert, M. Calin, C. Heiss, M. Zimmermann // MATEC Web of Conferences. – 2018. – Vol. 165. – P. 06001. – DOI: 10.1051/matecconf/201816506001.
36. Brandon D., Kaplan W.D. Microstructural characterization of materials. – New York: John Wiley and Sons, 2013. – 552 p.
Финансирование:
Работа выполнена по проекту III.23.2.2 программы фундаментальных исследований СО РАН. Государственное задание ИФПМ СО РАН 2017–2019 гг.
Благодарности:
Авторы признательны Q. Zhu, А.А. Сапрыкину, Е.А. Ибрагимову, Е.В. Бабаковой, И.А. Глухову, И.А. Шулепову за участие в работе и обсуждение результатов.
Структура сплава Ti-40Nb, сформированного высокоэнергетическими методами / Ж.Г. Ковалевская, Ю.П. Шаркеев, М.А. Химич, А.Ю. Ерошенко, П.В. Уваркин // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2019. – Т. 21, № 2. – С. 124–135. – DOI: 10.17212/1994-6309-2019-21.2-124-135.
Kovalevskaya Zh.G., Sharkeev Yu.P., Khimich M.A., Eroshenko A.Yu., Uvarkin P.V. Structure of Ti-40Nb alloy formed with high-energy methods. Obrabotka metallov (tekhnologiya, oborudovanie, instrumenty) = Metal Working and Material Science, 2019, vol. 21, no. 2, pp. 124–135. DOI: 10.17212/1994-6309-2019-21.2-124-135. (In Russian).
