ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ
ТЕХНОЛОГИЯ • ОБОРУДОВАНИЕ • ИНСТРУМЕНТЫPrint ISSN: 1994-6309 Online ISSN: 2541-819X
Введение. На сегодняшний день биорезорбируемые магниевые сплавы, обладающие необходимым комплексом физико-механических, коррозионных и биологических характеристик, являются перспективными материалами в ортопедии и сердечно-сосудистой хирургии. Добавление в состав магниевых сплавов редкоземельных элементов (РЗМ), таких как иттрий, неодим и церий, приводит к улучшению характеристик сплавов. В сравнении с широко используемыми титановыми сплавами магниевые сплавы имеют ряд преимуществ: они способны резорбировать в организме, что исключает необходимость повторных хирургических операций по извлечению имплантата. Биосовместимые сплавы на основе магния характеризуются достаточно низким модулем упругости (10–40 ГПа), близким к модулю упругости кортикальной кости, что снижает контактное напряжение в системе кость-имплантат. В то же время уровень прочностных свойств магниевых сплавов, легированных РЗМ, не всегда соответствует требованиям, предъявляемым для медицинских приложений. Перспективными являются методы интенсивной пластической деформации (ИПД), например равноканальное угловое прессование, кручение под давлением, мультиосевая ковка (abc-прессование), экструзия и другие, позволяющие за счет измельчения зерненной структуры достигать высокого уровня механических свойств в металлах и сплавах. Применение методов ИПД существенно повышает конструктивную прочность магниевых сплавов в результате получения ультрамелкозернистого (УМЗ) и (или) мелкозернистого (МЗ) состояния. Актуальными являются вопросы, связанные с исследованием термической стабильности и структурно-фазового состояния сплавов на основе магния с необходимым уровнем механических свойств. Целью работы являлось установление влияния термического воздействия на микроструктуру экструдированного сплава Mg-Y-Nd. Методы исследования. В качестве объекта исследования был выбран сплав Mg-2,9Y-1,3Nd (масс. %): Mg 95,0; Y 2,9; Nd 1,3; Fe £ 0,2; Al £ 0 в экструдированном состоянии. С целью исследования термостабильности микроструктуры образцы сплава отжигали в течение одного часа в аргоне при температурах 100, 300, 350, 450, 525 °С. Микроструктуру и фазовый состав образцов исследовали с помощью оптической микроскопии, просвечивающей и сканирующей электронной микроскопии, рентгеноструктурного анализа. Результаты и обсуждение. Показано, что в деформированном экструзией магниевом сплаве Mg-2,9Y-1,3Nd формируется бимодальная мелкозернистая микроструктура. Установлено, что помимо стабильной основной a-фазы магния в структуре образуются также интерметаллидные частицы Mg24Y5 и выделения b-, b¢- и b1-фаз. Термическое воздействие в интервале температур 100…450 °С в течение одного часа не оказывает влияния на общий характер структуры в сплаве Mg-2,9Y-1,3Nd, но способствует увеличению линейных размеров выделений b-, b¢- и b1-фаз. В диапазоне температур отжига 300…450 °С наблюдается изменение морфологии b-, b¢- и b1-фаз при сохранении среднего размера зерна основной a-фазы. Отжиг при 525 °С приводит к заметной трансформации бимодальной микроструктуры, связанной с активным ростом зерна основной фазы и размеров частиц Mg24Y5, а также выделений b-, b¢- и b1-фаз. Отжиги в интервале температур 100…450 °С приводят к увеличению линейных размеров частиц Mg24Y5, выделений b-, b¢- и b1-фаз и сохранению бимодальной структуры в сплаве Mg-2,9Y-1,3Nd.
Ерошенко Анна Юрьевна
Легостаева Елена Викторовна
Глухов Иван Александрович
Уваркин Павел Викторович
Толмачев Алексей Иванович
Шаркеев Юрий Петрович
1. Biomedical titanium alloys with Young’s moduli close to that of cortical bone / M. Niinomi, Y. Liu, M. Nakai, H. Lui, H. Li // Regenerative Biomaterials. - 2016. - Vol. 3. - P. 173-185. - DOI: 10.1093/rb/rbw016.
2. Magnesium based implants for functional bone tissue regeneration – A review / G. Uppal, A. Thakur, A. Chauhan, S. Bala // Journal of Magnesium and Alloys. – 2022. - Vol. 10 (2). - P. 356–386. - DOI: 10.1016/j.jma.2021.08.017.
3. Current status on clinical applications of magnesium-based orthopaedic implants: A review from clinical translational perspective / D. Zhao, F. Witte, F. Lu, J. Wang, J. Li, L. Qin // Biomaterials. - 2016. - Vol. 112. - P. 287–302. - DOI: 10.1016/j.biomaterials.2016.10.017.
4. Bioabsorbable magnesium versus standard titanium compression screws for fixation of distal metatarsal osteotomies – 3 year results of a randomized clinical trial / C. Plaass, C. Von Falck, S. Ettinger, L. Sonnow, F. Calderone, A. Weizbauer, J. Reifenrath, L. Claassen, H. Waizy, K. Daniilidis, C. Stukenborg-Colsman, H. Windhagen // Journal of Orthopaedic Science. – 2018. - Vol. 23 (2). - P. 321-327. - DOI: 10.1016/j.jos.2017.11.005.
5. Magnesium biomaterials for orthopedic application: A review from a biological perspective / J. Walker, S. Shadanbaz, T. Woodfield, M. Staiger, G. Dias // Journal of Biomedical Materials Research. Part B: Applied Biomaterials. - 2014. - Vol. 102 (6). - P. 1316-1331. - DOI: 10.1002/jbm.b.33113.
6. Degradable biomaterials based on magnesium corrosion / F. Witte, N. Hort, C. Vogt, S. Cohen, K. Kainer, R. Willumeit, F. Feyerabend // Current Opinion in Solid State and Materials Science. – 2008. - Vol. 12 (5–6). - P. 63-72. - DOI: 10.1016/j.cossms.2009.04.001.
7. Zheng Y., Gu X., Witte F. Biodegradable metals // Materials Science and Engineering: Reports. - 2014. - Vol. 77. - P. 1–34. - DOI: 10.1016/j.mser.2014.01.001.
8. Sun H.F., Li C.J., Fang W.B. Evolution of microstructure and mechanical properties of Mg–3.0Zn–0.2Ca–0.5Y alloy by extrusion at various temperatures // Journal of Materials Processing Technology. - 2016. - Vol. 229. - P. 633–640. - DOI: 10.1016/j.jmatprotec.2015.10.021.
9. Research progress of biodegradable magnesium-based biomedical materials: A review / J. Wang, J. Dou, Z. Wang, C. Hu, H. Yu, C. Chen // Journal of Alloys and Compounds. - 2022. - Vol. 923. - P. 66377. - DOI: 10.1016/j.jallcom.2022.166377.
10. Effect of multiaxial forging on microstructure and mechanical properties of Mg-0.8Ca alloy / N.Yu. Yurchenko, N.D. Stepanov, G.A. Salishchev, L.L. Rokhlin, S.V. Dobatkin // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. - 2014. - Vol. 63. - P. 1-7. - DOI: 10.1088/1757-899X/63/1/012075.
11. Effect of deformation processing of the dilute Mg-1Zn-0.2Ca alloy on the mechanical properties and corrosion rate in a simulated body fluid / D.L. Merson, A.I. Brilevsky, P.N. Myagkikh, M.V. Markushev, A. Vinogradov // Letters on Materials. - 2020. - Vol. 10 (2). - P. 217–222. - DOI: 10.22226/2410-3535-2020-2-217-222.
12. Super-formable pure magnesium at room temperature / Z. Zeng, J. Nie, S. Xu, C. Davies, N. Birbilis // Nature Communications. - 2017. - Vol. 8. - P. 972. - DOI: 10.1038/s41467-017-01330-9.
13. Effect of rare earth elements on the microstructure and texture development in magnesium-manganese alloys during extrusion / J. Bohlen, S. Yi, D. Letzig, K. Kainer // Materials Science and Engineering: A. - 2010. - Vol. 527. - P. 7092-7098. - DOI: 10.1016/j.msea.2010.07.081.
14. Atwell L., Barnett R. Extrusion limits of magnesium alloys // Metallurgical and Materials Transactions A. - 2007. - Vol. 38. – P. 3032-3041. - DOI: 10.1007/s11661-007-9323-2.
15. Microstructure and fatigue properties of the ultrafine-grained AM60 magnesium alloy processed by equal-channel angular pressing / O. Kulyasova, R. Islamgaliev, B. Mingler, M. Zehetbauer // Materials Science and Engineering A. - 2009. - Vol. 503 (1–2). - P. 176–180. – DOI: 10.1016/j.msea.2008.03.057.
16. Ben-Hamu G., Eliezer D., Wagner L. The relation between severe plastic deformation microstructure and corrosion behavior of AZ31 magnesium alloy // Journal of Alloys and Compounds. – 2009. – Vol. 468. – P. 222–229. – DOI: 10.1016/j.jallcom.2008.01.084.
17. Kablov E.N. Innovation developments of VIAM on organization of ‘Strategic directions of the development of materials and technologies of their processing for the period to 2030 year // Aviation Materials and Technologies. – 2015. – Vol. 1 (34). – P. 3–33. – DOI: 10.18577/2071–9140-2015-0-1-3-33.
18. Rokhlin L.L. Magnesium alloys containing rare earth metals: structure and properties. – London: Taylor and Francis Inc., 2003. – 245 p. – ISBN 9780429179228.
19. Applications of magnesium alloys for aerospace: A review / J. Bai, Y. Yang, C. Wen, J. Chen, G. Zhou, B. Jiang, X. Peng, F. Pan // Journal of Magnesium and Alloys. – 2023. – Vol. 11 (10). – P. 3609–3619. – DOI: 10.1016/j.jma.2023.09.015.
20. Microstructure and microhardness mechanism of selective laser melting Mg-Y-Sm-Zn-Zr alloy / W. Wang, L. He, X. Yang, D. Wang // Journal of Alloys and Compounds. – 2021. – Vol. 868. – P. 159107. – DOI: 10.1016/j.jallcom.2021.159107.
21. ASTM E1382-97. Standard test methods for determining average grain size using semiautomatic and automatic image analysis. – West Conshohocken, PA: ASTM International, 2016. – 24 p.
22. Influence of severe plastic deformation by extrusion on microstructure, deformation and thermal behavior under tension of magnesium alloy Mg-2.9Y-1.3Nd / E. Legostaeva, A. Eroshenko, V. Vavilov, V.A. Skripnyak, N. Luginin, A. Chulkov, A. Kozulin, V.V. Skripnyak, J. Schmidt, A. Tolmachev, P. Uvarkin, Y. Sharkeev // Metals. – 2023. – Vol. 13. – P. 988. – DOI: 10.3390/met13050988.
23. Nie J., Muddle B. Characterization of strengthening precipitate phases in a Mg–Y–Nd alloy // Acta Materialia. – 2000. – Vol. 48 (8). – P. 1691. – DOI: 10.1016/S1359-6454(00)00013-6.
24. Calado L.M., Carmezim M.J., Montemor M.F. Rare earth based magnesium alloys - A review on WE Series // Frontiers in Materials. – 2022. – Vol. 8. – P. 808906. – DOI: 10.3389/fmats.2021.804906.
25. Magnesium permanent mold castings optimization / F.R. Elsayed, N. Hort, M.A. Salgado-Ordoric, K. Kainer // Materials Science Forum. – 2011. – Vol. 690. – P. 65–68. – DOI: 10.4028/www.scientific.net/MSF.690.65.
26. Nie J.-F. Precipitation and hardening in magnesium alloys // Metallurgical and Materials Transactions A. - 2012. - Vol. 43. - P. 3891–3939. – DOI: 10.1007/s11661-012-1217-2.
27. Structure evolution of a WE43 Mg alloy submitted to different thermal treatments / P. Mengucci, G. Barucca, G. Riontino, D. Lussana, M. Massazza, R. Ferragut, E. Hassan Aly // Materials Science and Engineering A. - 2008. - Vol. 47. - P. 37-44. - DOI: 10.1016/j.msea.2007.06.016.
28. Effect of pre-deformation on microstructure and mechanical properties of WE43 magnesium alloy II: Aging at 250 and 300 °C / Y. Kang, Z. Huang, S. Wang, H. Yan, R. Chen, J. Huang // Journal of Magnesium and Alloys. - 2020. - Vol. 8. - P. 103-110. - DOI: 10.1016/j.jma.2019.11.012.
29. WE43 magnesium alloy - material for challenging applications / J. Kubásek, D. Dvorský, M. Cavojský, M. Roudnická, D. Vojtech // Kovove Materialy = Metallic Materials. - 2019. - Vol. 57 (3). - P. 159–165. – DOI: 10.4149/km_2019_3_159.
30. Ladd M., Palmer R. Structure determination by X-ray crystallography: Analysis by X-rays and neutrons. – New York: Springer, 2013. – 784 p. – ISBN 1461439566.
Финансирование
Работа выполнена в рамках Программы фундаментальных научных исследований СО РАН, проект FWRW-2021-0004. Исследования выполнены на экспериментальном оборудовании ЦКП «Нанотех» ИФПМ СО РАН.
Благодарности
Авторы выражают благодарность инженеру Juergen Schmid (Department of Electrochemistry, Innovent Technology Development, Germany) и н.с. Чебодевой В.В. (ИФПМ СО РАН) за помощь в проведении ряда экспериментальных работ.
Термическая стабильность микроструктуры сплава Mg-Y-Nd в экструдированном состоянии / А.Ю. Ерошенко, Е.В. Легостаева, И.А. Глухов, П.В. Уваркин, А.И. Толмачев, Ю.П. Шаркеев // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2024. – Т. 26, № 2. – С. 174–185. – DOI: 10.17212/1994-6309-2024-26.2-174-185.
Eroshenko A.Yu., Legostaeva E.V., Glukhov I.A., Uvarkin P.V., Tolmachev A.I., Sharkeev Yu.P. Thermal stability of extruded Mg-Y-Nd alloy structure. Obrabotka metallov (tekhnologiya, oborudovanie, instrumenty) = Metal Working and Material Science, 2024, vol. 26, no. 2, pp. 174–185. DOI: 10.17212/1994-6309-2024-26.2-174-185. (In Russian).
