ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ

Введение. Создание нового класса немагнитных коррозионно-стойких материалов с постоянными упругими свойствами в широком интервале температур, т. е. элинварным поведением, является актуальной задачей при переходе к передовым интеллектуальным производственным технологиям и роботизированным системам. Для решения этой задачи необходимо создать технологическую цепочку получения слитков стабильных β-титановых сплавов с элинварным поведением, а также представляется перспективным получение стабильной рекристаллизованной структуры сплавов в широком интервале температур. Все это позволит использовать данный класс материалов для изготовления упругих элементов, функционирующих в колебательных измерительных системах, для авиакосмической и других высокотехнологичных областей. Цель работы заключалась в исследовании возможности получения рекристаллизованной структуры β-фазы в сплавах систем Ti-Nb-Zr, Ti-Nb и Ti-Mo с элинварным поведением нового типа методами термомеханической обработки. Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи: (1) получение слитков стабильных β-титановых потенциально элинварных сплавов Ti-22Nb-15Zr, Ti-40Nb, Ti-45Nb, Ti-50Nb, Ti-12,6Mo (Ti-12.6Mo), Ti-15Mo и Ti-20Mo; (2) разработка технологической цепочки, в ходе которой будет сформирована рекристаллизованная равноосная структура β-фазы без следов иных фаз, поскольку элинварное поведение нового типа является структурно нечувствительным; (3) исследование структурно-фазового состояния сплавов с потенциально естественным элинварным поведением и установление закономерностей влияния размера зерна от количества легирующего элемента. Методы исследования. Объектом исследования являлись слитки элинварных сплавов Ti-22Nb-15Zr, Ti-40Nb, Ti-45Nb, Ti-50Nb, Ti-12,6Mo, Ti-15Mo и Ti-20Mo (ат. %). Слитки были выплавлены в электродуговой печи с вольфрамовым электродом. Затем образцы были подвержены термомеханической обработке по схеме: продольная горячая прокатка (истинная логарифмическая деформация е = 0,3), гомогенизационный отжиг, продольная холодная прокатка (истинная логарифмическая деформация е = 0,67) и последеформационный отжиг. Отжиги проводили при 1000 °С в течение 30 минут в аргоне с последующей закалкой в воде. Структурно-фазовое состояние образцов было исследовано методами оптической и электронной микроскопии, рентгенодифракционного анализа и энергодисперсионной спектроскопии. Средний размер зерна определяли методом случайных секущих. Результаты и обсуждение. Получены слитки стабильных β-титановых элинварных сплавов, которые характеризуются высокой степенью химической однородности и соответствием заданному составу по всему сечению. Установлено, что предложенный режим термомеханической обработки для данных сплавов приводит к формированию однофазной рекристаллизованной структуры, представленной равноосными зернами β-фазы. Показано, что во всех сплавах размер зерен варьируется от 22,6 ± 1,4 до 68,1 ± 3,7 мкм. В двойных сплавах систем Ti-Nb и Ti-Mo прослеживается уменьшение размера зерна при увеличении содержания Nb и Mo (для Nb: от 57,8 ± 3,3 до 22,6 ± 1,4 мкм при увеличении содержания ниобия на 10 ат. %; для Mo: от 68,1 ± 3,7 до 34,4 ± 2,0 мкм при увеличении содержания молибдена на 7,4 ат. %). Формирование рекристаллизованной равноосной структуры β-фазы по всему объему слитка в процессе комбинированной термомеханической обработки подтверждает потенциал использования данных сплавов в промышленном производстве.

1. Scott H. Relation of the high-temperature treatment of high-speed steel to secondary hardening and red hardness. – Washington: US Government Printing Office Publ., 1920. – 46 p.

2. Cahn R.W. An unusual Nobel Prize // Notes and Records of the Royal Society. – 2005. – Vol. 59 (2). – P. 145–153. – DOI: 10.1098/rsnr.2004.0082.

3. Overview and analysis of MEMS Coriolis vibratory ring gyroscope / J. Jia, X. Ding, Z. Qin, Z. Ruan, W. Li, X. Liu, H. Li // Measurement. – 2021. – Vol. 182. – P. 109704. – DOI: 10.1016/j.measurement.2021.109704.

4. A novel ring vibrating gyroscope based on side piezo-electrodes / X. Zhou, Y. Wu, X. Wu, Y. Zhang, Y. Zheng // Journal of Central South University. – 2016. – Vol. 23. – P. 555–561. – DOI: 10.1007/s11771-016-3102-4.

5. Design and experiment for N = 3 wineglass mode metal cylindrical resonator gyroscope closed-loop system / X. Guo, R. Cui, S. Yan, Q. Cai, W. Wei, C. Shen, H. Cao // Electronics. – 2023. – Vol. 12. – P. 131. – DOI: 10.3390/electronics12010131.

6. Frequency split elimination method for a solid-state vibratory angular rate gyro with an imperfect axisymmetric-shell resonator / Z. Lin, M. Fu, Z. Deng, N. Liu, H. Liu // Sensors. – 2015. – Vol. 15. – P. 3204–3223. – DOI: 10.3390/s150203204.

7. Перспективные датчики параметров движения, основанные на инерции стоячих волн / В.В. Матвеев, А.Н. Хомячкова, А.В. Каликанов, Д.С. Стрельцов // Приборы и методы измерений. – 2025. – Т. 16, № 4. – С. 294–305. – DOI: 10.21122/2220-9506-2025-16-4-294-305.

8. Harris B. The influence of some solutes on Young’s modulus of niobium // Journal of the Less Common Metals. – 1967. – Vol. 12 (3). – P. 247–250. – DOI: 10.1016/0022-5088(67)90121-X.

9. NI-SPAN-C alloy 902 Data Sheet. Publication Number SMC-086. – Special Metals Corporation, 2004. – 30 p. – URL: https://www.specialmetals.com/documents/technical-bulletins/ni-span-c-alloy-902.pdf (accessed: 12.09.2025).

10. Nanodomain structure and its effect on abnormal thermal expansion behavior of a Ti-23Nb-2Zr-0.7Ta-1.2O alloy / H.Y. Kim, L. Wei, S. Kobayashi, M. Tahara, S. Miyazaki // Acta Materialia. – 2013. – Vol. 61 (13). – P. 4874–4886. – DOI: 10.1016/j.actamat.2013.04.060.

11. Characterization of the martensitic transformation in the superelastic Ti-24Nb-4Zr-8Sn alloy by in situ synchrotron X-ray diffraction and dynamic mechanical analysis / Y. Yang, P. Castany, M. Cornen, F. Prima, S.J. Li, Y.L. Hao, T. Gloriant // Acta Materialia. – 2015. – Vol. 88. – P. 25–33. – DOI: 10.1016/j.actamat.2015.01.039.

12. A new mechanism for low and temperature-independent elastic modulus / L. Zhang, D. Wang, X. Ren, Y. Wang // Scientific Reports. – 2015. – Vol. 5. – P. 11477. – DOI: 10.1038/srep11477.

13. Elinvar property of cold-rolled NiTi alloy / Z. Deng, K. Chu, Q. Li, Y. Onuki, Q. Sun // Scripta Materialia. – 2020. –Vol. 187. – P. 197–201. – DOI: 10.1016/j.scriptamat.2020.05.058.

14. Multifunctional alloys obtained via a dislocation-free plastic deformation mechanism / T. Saito, T. Furuta, J.-H. Hwang, S. Kuramoto, K. Nishino, N. Suzuki, R. Chen, A. Yamada, K. Ito, Y. Seno, T. Nonaka, H. Ikehata, N. Nagasako, C. Iwamoto, Y. Ikuhara, T. Sakuma // Science. – 2003. – Vol. 300 (5618). – P. 464–467. – DOI: 10.1126/science.1081957.

15. Niinomi M. Mechanical biocompatibilities of titanium alloys for biomedical applications // Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials. – 2008. – Vol. 1 (1). – P. 30–42. – DOI: 10.1016/j.jmbbm.2007.07.001.

16. Wagner M.F.-X., Windl W. Lattice stability, elastic constants and macroscopic moduli of NiTi martensites from first principles // Acta Materialia. – 2008. – Vol. 56 (20). – P. 6232–6245. – DOI: 10.1016/j.actamat.2008.08.043.

17. Measurement of the lattice plane strain and phase fraction evolution during heating and cooling in shape memory NiTi / S. Qiu, V.B. Krishnan, S.A. Padula II, R.D. Noebe, D.W. Brown, B. Clausen, R. Vaidyanathan // Applied Physics Letters. – 2009. – Vol. 95 (14). – P. 141906. – DOI: 10.1063/1.3245308.

18. Neutron diffraction studies and multivariant simulations of shape memory alloys: Empirical texture development–mechanical response relations of martensitic nickel–titanium / A.P. Stebner, X. Gao, D.W. Brown, L. Brinson // Acta Materialia. – 2011. – Vol. 59 (7). – P. 2841–2849. – DOI: 10.1016/j.actamat.2011.01.023.

19. Stebner A.P., Brown D.W., Brinson L. Young’s modulus evolution and texture-based elastic–inelastic strain partitioning during large uniaxial deformations of monoclinic nickel–titanium // Acta Materialia. – 2013. – Vol. 61 (6). – P. 1944–1956. – DOI: 10.1016/j.actamat.2012.12.015.

20. Deformation induced Elinvar behavior in Fe-Ni Invar alloy / F. Qin, F. Lu, Y. Chen, J. Yang, X. Zhao // Science Bulletin. – 2018. – Vol. 63 (16). – P. 1040–1042. – DOI: 10.1016/j.scib.2018.07.006.

21. Neutron diffraction study of temperature-dependent elasticity of B19′ NiTi-Elinvar effect and elastic softening / A. Ahadi, R. Khaledialidusti, T. Kawasaki, S. Harjo, A. Barnoush, K. Tsuchiya // Acta Materialia. – 2019. – Vol. 173. – P. 281–291. – DOI: 10.1016/j.actamat.2019.05.027.

22. Elinvar effect in severely-deformed Ti-50.8(at%)Ni thin belt / Y.W. Song, M. Jin, S. Zuo, X. Jin // Materials Letters. – 2019. – Vol. 252. – P. 96–99. – DOI: 10.1016/j.matlet.2019.05.109.

23. Elinvar effect in thermomechanically treated Ti-Nb-Zr alloy / S.M. Dubinskiy, G.N. Markova, E. Yudina, S.D. Prokoshkin, V. Brailovski // ESOMAT 2018 – European Symposium on Martensitic Transformations. Invited Articles from ESOMAT 2018. – 2019. – P. 83. – DOI: 10.1051/esomat/201900083.

24. A non-typical Elinvar effect on cooling of a beta Ti-Nb-Zr alloy / S. Dubinskiy, G. Markova, A. Baranova, V. Vvedenskiy, I. Minkova, S. Prokoshkin, V. Brailovski // Materials Letters. – 2022. – Vol. 314. – P. 131870. – DOI: 10.1016/j.matlet.2022.131870.

25. Kinetic features of the isothermal ω-phase formation in superelastic Ti-Nb-Zr alloys / A. Baranova, S. Dubinskiy, N. Tabachkova, S. Prokoshkin, V. Brailovski // Materials Letters. – 2022. – Vol. 325. – P. 132820. – DOI: 10.1016/j.matlet.2022.132820.

26. On the mechanisms and thermocyclic stability of β→ω_iso transformation in a superelastic Ti–Nb–Zr shape memory alloy / A. Baranova, S. Dubinskiy, A. Konopatsky, G. Markova, I. Vvedenskaia, S. Prokoshkin, V. Brailovski // Shape Memory and Superelasticity. – 2024. – Vol. 10 (3). – P. 289–296. – DOI: 10.1007/s40830-024-00497-7.

27. Kim H.Y., Miyazaki S. Martensitic transformation and superelastic properties of Ti-Nb based alloys // Materials Transactions. – 2015. – Vol. 56 (5). – P. 625–634. – DOI: 10.2320/matertrans.M2014454.

28. Search for intrinsic elinvar behaviour in beta titanium alloys / S. Dubinskiy, A. Baranova, G. Markova, S. Prokoshkin // Materials Letters. – 2024. – Vol. 366. – P. 136504. – DOI: 10.1016/j.matlet.2024.136504.

29. Murray J.L. The Ti-Zr system // Murray J.L. Phase diagrams of binary titanium alloys. – Metals Park, Ohio: ASM International, 1987. – P. 340–345.

30. Beta Ti-45Nb and Ti-50Nb alloys produced by powder metallurgy for aerospace application / G. Martins, C. da Silva, C. Nunes, V. Trava-Airoldi, L.A. Borges, J.P.B. Machado // Materials Science Forum. – 2010. – Vol. 660–661. – P. 405–410. – DOI: 10.4028/www.scientific.net/MSF.660-661.405.

31. Mechanical properties and shape memory behavior of Ti-Nb alloys / H.Y. Kim, S. Hashimoto, J.I. Kim, H. Hosoda, S. Miyazaki // Materials Transactions. – 2004. – Vol. 45 (7). – P. 2443–2448. – DOI: 10.2320/matertrans.45.2443.

32. Effect of thermo-mechanical treatment on mechanical properties and shape memory behavior of Ti-(26-28) at.% Nb alloys / H.Y. Kim, J.I. Kim, T. Inamura, H. Hosoda, S. Miyazaki // Materials Science and Engineering: A. – 2006. – Vol. 438–440. – P. 839–843. – DOI: 10.1016/j.msea.2006.02.136.

33. Influence of cooling rate on microstructure of Ti–Nb alloy for orthopedic implants / C. Afonso, G. Aleixo, A. Ramirez, R. Caram // Materials Science and Engineering: C. – 2007. – Vol. 27 (4). – P. 908–913. – DOI: 10.1016/j.msec.2006.11.001.

34. Karre R., Niranjan M.K., Dey S.R. First principles theoretical investigations of low Young’s modulus beta Ti–Nb and Ti–Nb–Zr alloys compositions for biomedical applications // Materials Science and Engineering: C. – 2015. – Vol. 50. – P. 52–58. – DOI: 10.1016/j.msec.2015.01.061.

35. Баранова А.П. Структурные факторы и термомеханические условия проявления нетипичного элинварного эффекта в сплавах с памятью формы на основе Ti-Nb: дис. … канд. физ.-мат. наук. – М.: НИТУ «МИСИС», 2022. – 145 с.

36. Brasil S.P. Análise de parâmetros de influência na microestrutura e propriedades de ligas Ti-Mo-Zr aplicadas em próteses ortopédicas: PhD Thesis. – Campinas: Universidade Estadual de Campinas, 2008. – 215 p.

37. Глазунов С.Г., Моисеев В.Н. Конструкционные титановые сплавы. – М.: Металлургия, 1974. – 368 с.

38. Моисеев В.Н. Бета-титановые сплавы и перспективы их развития // Металловедение и термическая обработка металлов. – 1998. – № 12. – С. 11–14.

39. Boyer R.R., Briggs R.D. The use of β titanium alloys in the aerospace industry // Journal of Materials Engineering and Performance. – 2005. – Vol. 14 (6). – P. 681–685. – DOI: 10.1361/105994905X75448.

40. Novel insight into the formation of α″-martensite and ω-phase with cluster structure in metastable Ti-Mo alloys / M. Li, X. Min, K. Yao, F. Ye // Acta Materialia. – 2019. – Vol. 164. – P. 322–333. – DOI: 10.1016/j.actamat.2018.10.048.

41. Weiss I., Semiatin S. Thermomechanical processing of beta titanium alloys – an overview // Materials Science and Engineering: A. – 1998. – Vol. 243 (1–2). – P. 46–65. – DOI: 10.1016/s0921-5093(97)00783-1.

42. Ti–Mo alloys employed as biomaterials: Effects of composition and aging heat treatment on microstructure and mechanical behaviour / F.F. Cardoso, P.L. Ferrandini, E.S.N. Lopes, A. Cremasco, R. Caram // Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials. – 2013. – Vol. 32. – P. 31–38. – DOI: 10.1016/j.jmbbm.2013.11.021.

43. He F., Yang S., Cao J. Effect of cold rolling and aging on the microstructure and mechanical properties of Ti-Nb-Zr alloy // Journal of Materials Engineering and Performance. – 2020. – Vol. 29 (5). – P. 3411–3419. – DOI: 10.1007/s11665-020-04810-0.

44. Effect of cold drawing and annealing in thermomechanical treatment route on the microstructure and functional properties of superelastic Ti-Zr-Nb alloy / A. Kudryashova, K. Lukashevich, M. Derkach, O. Strakhov, S. Dubinskiy, V. Andreev, S. Prokoshkin, V. Sheremetyev // Materials. – 2023. – Vol. 16 (14). – P. 5017. – DOI: 10.3390/ma16145017.

45. Evolution of structure and texture formation in thermomechanically treated Ti-Zr-Nb shape memory alloys / A. Baranova, S. Dubinskiy, I. Vvedenskaya, A. Bazlov, N. Tabachkova, V. Sheremetyev, T. Teplyakova, O. Strakhov, S. Prokoshkin // Applied Sciences. – 2024. – Vol. 14 (9). – P. 3647. – DOI: 10.3390/app14093647.

46. Deformation mechanism and mechanical properties of a thermomechanically processed β Ti–28Nb–35.4Zr alloy / S. Ozan, J. Lin, Y. Li, Y. Zhang, K. Munir, H. Jiang, C. Wen // Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials. – 2017. – Vol. 78. – P. 224–234. – DOI: 10.1016/j.jmbbm.2017.11.025.

47. Kim K., Kim H., Miyazaki S. Effect of Zr content on phase stability, deformation behavior, and Young’s modulus in Ti–Nb–Zr alloys // Materials. – 2020. – Vol. 13. – P. 476. – DOI: 10.3390/ma13020476.

48. Unveiling the effect of Mo on the crystal structure of β-BCC, microhardness, elastic modulus, and biocompatibility in titanium alloys / R. De Araújo, T. Donato, K. Sousa, P. Kuroda, C. Grandini // Journal of Alloys and Compounds Communications. – 2025. – Vol. 6. – P. 100076. – DOI: 10.1016/j.jacomc.2025.100076.

49. Effect of Fe and Zr additions on ω phase formation in β-type Ti–Mo alloys / X.H. Min, S. Emura, L. Zhang, K. Tsuzaki // Materials Science and Engineering: A. – 2008. – Vol. 497 (1–2). – P. 74–78. – DOI: 10.1016/j.msea.2008.06.018.

50. ГОСТ 19807–91. Титан и сплавы титановые деформируемые. Марки. – М.: Стандартинформ, 2006. – 15 с.

51. Effect of thermomechanical processing on the mechanical biofunctionality of a low modulus Ti-40Nb alloy / A. Helth, S. Pilz, T. Kirsten, L. Giebeler, J. Freudenberger, M. Calin, J. Eckert, A. Gebert // Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials. – 2016. – Vol. 65. – P. 137–150. – DOI: 10.1016/j.jmbbm.2016.08.017.

52. Zhou Y.-L., Luo D.-M. Microstructures and mechanical properties of Ti–Mo alloys cold-rolled and heat treated // Materials Characterization. – 2011. – Vol. 62 (10). – P. 931–937. – DOI: 10.1016/j.matchar.2011.07.010.

53. Correspondence of the aging behaviors and the phase constituents of the Ti-Mo-based alloys tailored by the Al and Zr additions / W.-T. Chiu, R. Hayakawa, N. Nohira, M. Tahara, T. Inamura, H. Hosoda // Journal of Alloys and Compounds. – 2024. – Vol. 991. – P. 174509. – DOI: 10.1016/j.jallcom.2024.174509.

54. Microstructure and beta grain growth behavior of Ti–Mo alloys solution treated / J.-W. Lu, Y.-Q. Zhao, P. Ge, H.-Z. Niu // Materials Characterization. – 2013. – Vol. 84. – P. 105–111. – DOI: 10.1016/j.matchar.2013.07.014.

55. Beta grain growth behaviour of TG6 and Ti17 titanium alloys / T. Wang, H. Guo, L. Tan, Z. Yao, Y. Zhao, P. Liu // Materials Science and Engineering: A. – 2011. – Vol. 528 (21). – P. 6375–6380. – DOI: 10.1016/j.msea.2011.05.042.

56. Effects of recovery and recrystallization on microstructure and texture during annealing of a cold deformed superconducting Nb-50(wt.)%Ti alloy / A.M. Ferreira, M.A. Martorano, N.B. de Lima, A.F. Padilha // Journal of Alloys and Compounds. – 2021. – Vol. 887. – P. 161334. – DOI: 10.1016/j.jallcom.2021.161334.

57. Cai S., Bailey D.M., Kay L.E. Effect of annealing and cold work on mechanical properties of beta III titanium // Journal of Materials Engineering and Performance. – 2012. – Vol. 21. – P. 2559–2565. – DOI: 10.1007/s11665-012-0302-4.

58. Static recrystallization behavior and texture evolution during annealing in a cold rolling beta titanium alloy sheet / S. Zhang, Q. Wang, X. Cheng, J. Han, W. Zhang, C. Zhang, J. Wu // Metals. – 2022. – Vol. 12. – P. 899. – DOI: 10.3390/met12060899.

59. Strain glass transition in a metastable β Ti-Nb-O alloy with high oxygen content / K. Zhang, K. Wang, Y. Fu, W. Xiao, J. Han, X. Zhao // Scripta Materialia. – 2022. – Vol. 214. – P. 114661. – DOI: 10.1016/j.scriptamat.2022.114661.

60. Strain glass transition in a multifunctional β-type Ti alloy / Y. Wang, J. Gao, H. Wu, S. Yang, X. Ding, D. Wang, X. Ren, Y. Wang, X. Song, J. Gao // Scientific Reports. – 2014. – Vol. 4. – P. 3995. – DOI: 10.1038/srep03995.

61. Cui J., Ren X. Elinvar effect in Co-doped TiNi strain glass alloys // Applied Physics Letters. – 2014. – Vol. 105 (6). – P. 061904. – DOI: 10.1063/1.4893003.

62. Microstructure and properties of superelastic Ti-18Zr-15Nb alloy subjected to combination of moderate/severe cold drawing and post-deformation annealing / A. Muradyan, K. Lukashevich, M. Derkach, V. Andreev, V. Cheverikin, S. Prokoshkin, V. Sheremetyev // Journal of Alloys and Compounds. – 2024. – Vol. 1010. – P. 177370. – DOI: 10.1016/j.jallcom.2024.177370.

63. Comparative study of mechanical and functional properties of age-hardened superelastic Ti–Zr–Nb alloy with different initial microstructures / K. Lukashevich, A. Komissarov, V. Andreev, S. Prokoshkin, V. Sheremetyev // Shape Memory and Superelasticity. – 2024. – Vol. 10. – P. 392–406. – DOI: 10.1007/s40830-024-00507-8.