Том 24 № 4 2022 1 СОДЕРЖАНИЕ ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ СОУЧРЕДИТЕЛИ ФГБОУ ВО «Новосибирский государственный технический университет» ООО НПКФ «Машсервисприбор» ГЛАВНЫЙ РЕДАКТОР Батаев Анатолий Андреевич – профессор, доктор технических наук, ректор НГТУ ЗАМЕСТИТЕЛИ ГЛАВНОГО РЕДАКТОРА Иванцивский Владимир Владимирович – доцент, доктор технических наук Скиба Вадим Юрьевич – доцент, кандидат технических наук Ложкина Елена Алексеевна – редактор перевода текста на английский язык, кандидат технических наук Перепечатка материалов из журнала «Обработка металлов» возможна при обязательном письменном согласовании с редакцией журнала; ссылка на журнал при перепечатке обязательна. За содержание рекламных материалов ответственность несет рекламодатель. 16+ РЕДАКЦИОННЫЙ СОВЕТ Председатель совета Пустовой Николай Васильевич – доктор технических наук, профессор, Заслуженный деятель науки РФ, член Национального комитета по теоретической и прикладной механике, президент НГТУ, г. Новосибирск (Российская Федерация) Члены совета Федеративная Республика Бразилия: Альберто Морейра Хорхе, профессор, доктор технических наук, Федеральный университет, г. Сан Карлос Федеративная Республика Германия: Монико Грайф, профессор, доктор технических наук, Высшая школа Рейн-Майн, Университет прикладных наук, г. Рюссельсхайм, Томас Хассел, доктор технических наук, Ганноверский университет Вильгельма Лейбница, г. Гарбсен, Флориан Нюрнбергер, доктор технических наук, Ганноверский университет Вильгельма Лейбница, г. Гарбсен Испания: Чувилин А.Л., кандидат физико-математических наук, профессор, научный руководитель группы электронной микроскопии «CIC nanoGUNE», г. Сан-Себастьян Республика Беларусь: Пантелеенко Ф.И., доктор технических наук, профессор, член-корреспондент НАН Беларуси, Заслуженный деятель науки Республики Беларусь, Белорусский национальный технический университет, г. Минск Украина: Ковалевский С.В., доктор технических наук, профессор, проректор по научно-педагогической работе Донбасской государственной машиностроительной академии, г. Краматорск Российская Федерация: Атапин В.Г., доктор техн. наук, профессор, НГТУ, г. Новосибирск, Балков В.П., зам. ген. директора АО «ВНИИинструмент», канд. техн. наук, г. Москва, Батаев В.А., доктор техн. наук, профессор, НГТУ, г. Новосибирск, Буров В.Г., доктор техн. наук, профессор, НГТУ, г. Новосибирск, Герасенко А.Н., директор ООО НПКФ «Машсервисприбор», г. Новосибирск, Кирсанов С.В., доктор техн. наук, профессор, ТПУ, г. Томск, Коротков А.Н., доктор техн. наук, профессор, академик РАЕ, КузГТУ, г. Кемерово, Кудряшов Е.А., доктор техн. наук, профессор, Засл. деятель науки РФ, ЮЗГУ, г. Курск, Лобанов Д.В., доктор техн. наук, доцент, ЧГУ, г. Чебоксары, Макаров А.В., доктор техн. наук, член-корреспондент РАН, ИФМ УрО РАН, г. Екатеринбург, Овчаренко А.Г., доктор техн. наук, профессор, БТИ АлтГТУ, г. Бийск, Сараев Ю.Н., доктор техн. наук, профессор, ИФПМ СО РАН, г. Томск, Янюшкин А.С., доктор техн. наук, профессор, ЧГУ, г. Чебоксары В 2017 году журнал «Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты)» вошел в индекс цитирования Emerging Sources Citation Index (ESCI) базы Web of Science. Журналы, представленные в индексе цитирования ESCI, отвечают большинству базовых критериев Core Collection и расцениваются компанией Clarivate Analytics как наиболее влиятельные и востребованные издания, имеющие большую вероятность высокого научного интереса. Журнал входит в «Перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертаций на соискание ученых степеней доктора и кандидата наук». Полный текст журнала «Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты)» теперь можно найти в базах данных компании EBSCO Publishing) на платформе EBSCOhost. EBSCO Publishing является ведущим мировым агрегатором научных и популярных изданий, а также электронных и аудиокниг. ИЗДАЕТСЯ С 1999 г. Периодичность – 4 номера в год ИЗДАТЕЛЬ ФГБОУ ВО «Новосибирский государственный технический университет» Журнал включен в Реферативный журнал и Базы данных ВИНИТИ. Сведения о журнале ежегодно публикуются в международной справочной системе по периодическим и продолжающимся изданиям «Ulrich’s Periodicals Directory» Журнал награжден в 2005 г. Большой Золотой Медалью Сибирской Ярмарки за освещение новых технологий, инструмента, оборудования для обработки металлов Журнал зарегистрирован 01.03.2021 г. Федеральной службой по надзору за соблюдением законодательства в сфере массовых коммуникаций и охране культурного наследия. Свидетельство о регистрации ПИ № ФС77-80400 Индекс: 70590 по каталогу OOO «УП УРАЛ-ПРЕСС» Адрес редакции и издателя: 630073, г. Новосибирск, пр. К. Маркса, 20, Новосибирский государственный технический университет (НГТУ), корп. 5. Тел. +7 (383) 346-17-75 Сайт журнала http://journals.nstu.ru/obrabotka_metallov E-mail: metal_working@mail.ru; metal_working@corp.nstu.ru Цена свободная
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 24 № 4 2022 2 СОДЕРЖАНИЕ СОДЕРЖАНИЕ ТЕХНОЛОГИЯ Дюрягин А.А., Ардашев Д.В. Исследование взаимосвязи силы резания и шероховатости обработанной поверхности с подачей на зуб при фрезеровании материала EuTroLoy 16604, полученного DMD-методом.... 6 Улаханов Н.С., Тихонов А.С., Мишигдоржийн У.Л., Иванцивский В.В., Вахрушев Н.В. Проблемы исследования остаточных напряжений в упрочненном поверхностном слое инструментальных штамповых сталей после диффузионного бороалитирования................................................................................................... 18 Рубцов В.Е., Панфилов А.О., Княжев Е.О., Николаева А.В., Черемнов А.М., Гусарова А.В., Белобородов В.А., Чумаевский А.В., Иванов А.Н. Отработка методики плазменной резки меди марки М1, алюминиевого сплава Д16Т и титанового сплава ОТ4-1 с использованием плазмотрона с обратной полярностью.... 33 Амиров А.И., Москвичев Е.Н., Иванов А.Н., Чумаевский А.В., Белобородов В.А. Особенности формирования сварного соединения сплава ВТ14 сваркой трением с перемешиванием с использованием жаропрочного инструмента из сплава ЖС6У.......................................................................................................... 53 ОБОРУДОВАНИЕ. ИНСТРУМЕНТЫ Ардашев Д.В., Жуков А.С. Исследование взаимосвязи режущей способности инструмента с параметрами акустического сигнала в процессе профильного шлифования.............................................................................. 64 Батаев Д. К-С., Гойтемиров Р.У., Батаева П.Д. Исследования износостойкости и антифрикционных свойств металлополимерных пар, работающих в имитаторе морской воды........................................................ 84 Заковоротный В.Л., Гвинджилия В.Е., Фесенко Э.О. Использование синергетической концепции при определении программы ЧПУ при токарной обработке........................................................................................ 98 МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ Соколов Р.А., Новиков В.Ф., Ковенский И.М., Муратов К.Р., Венедиктов А.Н., Чаугарова Л.З. Влияние термической обработки на образование соединения MnS в низкоуглеродистой конструкционной стали 09Г2С................................................................................................................................................................ 113 Бурков А.А., Крутикова В.О. Осаждение силицида титана на нержавеющую сталь AISI304........................ 127 Пугачева Н.Б., Николин Ю.В., Быкова Т.М., Горулева Л.С. Химический состав, структура и микротвердость многослойных высокотемпературных покрытий.................................................................................. 138 Сапрыкина Н.А., Чебодаева В.В., Сапрыкин А.А., Шаркеев Ю.П., Ибрагимов Е.А., Гусева Т.С. Синтез трехкомпонентного сплава на основе алюминия методом селективного лазерного плавления......................... 151 Габец Д.А., Марков А.М., Гурьев М.А., Письменный Е.А., Насырова А.К. Влияние комплексного модифицирования на структуру и свойства серого чугуна триботехнического назначения.................................. 165 Иванов И.В., Юргин А.Б., Насенник И.Е., Купер К.Э. Оценка остаточных напряжений в кристаллических фазах высокоэнтропийных сплавов системы AlxCoCrFeNi.......................................................................... 181 Коростелева Е.Н., Николаев И.О., Коржова В.В. Особенности формирования структуры спеченных порошковых материалов с использованием отходов металлообработки стальных заготовок............................... 192 Ерошенко А.Ю. Легостаева Е.В., Глухов И.А., Уваркин П.В., Толмачев А.И., Лугинин Н.А., Батаев В.А., Иванов И.В., Шаркеев Ю.П. Влияние деформационной обработки на микроструктуру и механические свойства сплава Ti-42Nb-7Zr......................................................................................................... 206 Кутькин О.М., Батаев И.А., Довженко Г.Д., Батаева З.Б. Использование метода синхротронной компьютерной ламинографии при изучении особенностей строения металлических сплавов (обзор исследований)...................................................................................................................................................................... 219 МАТЕРИАЛЫ РЕДАКЦИИ 243 МАТЕРИАЛЫ СОУЧЕРЕДИТЕЛЕЙ 255 Корректор Л.Н. Ветчакова Художник-дизайнер А.В. Ладыжская Компьютерная верстка Н.В. Гаврилова Налоговая льгота – Общероссийский классификатор продукции Издание соответствует коду 95 2000 ОК 005-93 (ОКП) Подписано в печать 07.12.2022. Выход в свет 15.12.2022. Формат 60×84 1/8. Бумага офсетная. Усл. печ.л. 32,0. Уч.-изд. л. 59,52. Изд. № 239. Заказ 321. Тираж 300 экз. Отпечатано в типографии Новосибирского государственного технического университета 630073, г. Новосибирск, пр. К. Маркса, 20
Vol. 24 No. 4 2022 3 EDITORIAL COUNCIL EDITORIAL BOARD EDITOR-IN-CHIEF: Anatoliy A. Bataev, D.Sc. (Engineering), Professor, Rector, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk, Russian Federation DEPUTIES EDITOR-IN-CHIEF: Vladimir V. Ivancivsky, D.Sc. (Engineering), Associate Professor, Department of Industrial Machinery Design, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk, Russian Federation Vadim Y. Skeeba, Ph.D. (Engineering), Associate Professor, Department of Industrial Machinery Design, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk, Russian Federation Editor of the English translation: Elena A. Lozhkina, Ph.D. (Engineering), Department of Material Science in Mechanical Engineering, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk, Russian Federation The journal is issued since 1999 Publication frequency – 4 numbers a year Data on the journal are published in «Ulrich's Periodical Directory» Journal “Obrabotka Metallov” (“Metal Working and Material Science”) has been Indexed in Clarivate Analytics Services. We sincerely happy to announce that Journal “Obrabotka Metallov” (“Metal Working and Material Science”), ISSN 1994-6309 / E-ISSN 2541-819X is selected for coverage in Clarivate Analytics (formerly Thomson Reuters) products and services started from July 10, 2017. Beginning with No. 1 (74) 2017, this publication will be indexed and abstracted in: Emerging Sources Citation Index. Journal “Obrabotka Metallov” (“Metal Working & Material Science”) has entered into an electronic licensing relationship with EBSCO Publishing, the world's leading aggregator of full text journals, magazines and eBooks. The full text of JOURNAL can be found in the EBSCOhost™ databases. Novosibirsk State Technical University, Prospekt K. Marksa, 20, Novosibirsk, 630073, Russia Tel.: +7 (383) 346-17-75 http://journals.nstu.ru/obrabotka_metallov E-mail: metal_working@mail.ru; metal_working@corp.nstu.ru
OBRABOTKAMETALLOV Vol. 24 No. 4 2022 4 EDITORIAL COUNCIL EDITORIAL COUNCIL CHAIRMAN: Nikolai V. Pustovoy, D.Sc. (Engineering), Professor, President, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk, Russian Federation MEMBERS: The Federative Republic of Brazil: Alberto Moreira Jorge Junior, Dr.-Ing., Full Professor; Federal University of São Carlos, São Carlos The Federal Republic of Germany: Moniko Greif, Dr.-Ing., Professor, Hochschule RheinMain University of Applied Sciences, Russelsheim Florian Nürnberger, Dr.-Ing., Chief Engineer and Head of the Department “Technology of Materials”, Leibniz Universität Hannover, Garbsen; Thomas Hassel, Dr.-Ing., Head of Underwater Technology Center Hanover, Leibniz Universität Hannover, Garbsen The Spain: Andrey L. Chuvilin, Ph.D. (Physics and Mathematics), Ikerbasque Research Professor, Head of Electron Microscopy Laboratory “CIC nanoGUNE”, San Sebastian The Republic of Belarus: Fyodor I. Panteleenko, D.Sc. (Engineering), Professor, First Vice-Rector, Corresponding Member of National Academy of Sciences of Belarus, Belarusian National Technical University, Minsk The Ukraine: Sergiy V. Kovalevskyy, D.Sc. (Engineering), Professor, Vice Rector for Research and Academic Affairs, Donbass State Engineering Academy, Kramatorsk The Russian Federation: Vladimir G. Atapin, D.Sc. (Engineering), Professor, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk; Victor P. Balkov, Deputy general director, Research and Development Tooling Institute “VNIIINSTRUMENT”, Moscow; Vladimir A. Bataev, D.Sc. (Engineering), Professor, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk; Vladimir G. Burov, D.Sc. (Engineering), Professor, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk; Aleksandr N. Gerasenko, Director, Scientifi c and Production company “Mashservispribor”, Novosibirsk; Sergey V. Kirsanov, D.Sc. (Engineering), Professor, National Research Tomsk Polytechnic University, Tomsk; Aleksandr N. Korotkov, D.Sc. (Engineering), Professor, Kuzbass State Technical University, Kemerovo; Evgeniy A. Kudryashov, D.Sc. (Engineering), Professor, Southwest State University, Kursk; Dmitry V. Lobanov, D.Sc. (Engineering), Associate Professor, I.N. Ulianov Chuvash State University, Cheboksary; Aleksey V. Makarov, D.Sc. (Engineering), Corresponding Member of RAS, Head of division, Head of laboratory (Laboratory of Mechanical Properties) M.N. Miheev Institute of Metal Physics, Russian Academy of Sciences (Ural Branch), Yekaterinburg; Aleksandr G. Ovcharenko, D.Sc. (Engineering), Professor, Biysk Technological Institute, Biysk; Yuriy N. Saraev, D.Sc. (Engineering), Professor, Institute of Strength Physics and Materials Science, Russian Academy of Sciences (Siberian Branch), Tomsk; Alexander S. Yanyushkin, D.Sc. (Engineering), Professor, I.N. Ulianov Chuvash State University, Cheboksary
Vol. 24 No. 4 2022 5 CONTENTS OBRABOTKAMETALLOV TECHNOLOGY Dyuryagin A.A., Ardashev D.V. A study of the relationship between cutting force and machined surface roughness with the feed per tooth when milling EuTroLoy 16604 material produced by the DMD method...................... 6 Ulakhanov N.S., Tikhonov A.G., Mishigdorzhiyn U.L., Ivancivsky V.V., Vakhrushev N.V. The features of residual stresses investigation in the hardened surface layer of die steels after diffusion boroaluminizing............... 18 Rubtsov V.E., Panfi lov A.O., Knyazhev E.O., Nikolaeva A.V., Cheremnov A.M., Gusarova A.V., Beloborodov V.A., Chumaevskii A.V., Ivanov A.N. Development of plasma cutting technique for C1220 copper, AA2024 aluminum alloy, and Ti-1,5Al-1,0Mn titanium alloy using a plasma torch with reverse polarity................ 33 Amirov A.I., Moskvichev E.N., Ivanov A.N., Chumaevskii A.V, Beloborodov V.A. Formation features of a welding joint of alloy Ti-5Al-3Mo-1V by the friction stir welding using heat-resistant tool from ZhS6 alloy....... 53 EQUIPMENT. INSTRUMENTS Ardashev D.V., Zhukov A.S. Investigation of the relationship between the cutting ability of the tool and the acoustic signal parameters during profi le grinding..................................................................................................... 64 Bataev D. K-S., Goitemirov R. U., Bataeva P. D. Studies of wear resistance and antifriction properties of metalpolymer pairs operating in a sea water simulator........................................................................................................ 84 Zakovorotny V.L., Gvindjiliya V.E., Fesenko E.O. Application of the synergistic concept in determining the CNC program for turning............................................................................................................................................ 98 MATERIAL SCIENCE Sokolov R.A., Novikov V.F., Kovenskij I.M., Muratov K.R., Venediktov A.N., Chaugarova L.Z. The effect of heat treatment on the formation of MnS compound in low-carbon structural steel 09Mn2Si................................ 113 Burkov А.А., Krutikova V.O. Deposition of titanium silicide on stainless steel AISI 304 surface...................... 127 Pugacheva N.B., NikolinYu.V., BykovaT.M., Goruleva L.S. Chemical composition, structure and microhardness of multilayer high-temperature coatings..................................................................................................................... 138 Saprykina N.А., Chebodaeva V.V., Saprykin A.А., Sharkeev Y.P., Ibragimov E.А., Guseva T.S. Synthesis of a three-component aluminum-based alloy by selective laser melting............................................................... 151 Gabets D.A., MarkovA.M., Guryev M.A., Pismenny E.A., NasyrovaA.K. The effect of complex modifi cation on the structure and properties of gray cast iron for tribotechnical application..................................................... 165 Ivanov I.V., Yurgin A.B., Nasennik I.E. Kuper K.E. Residual stress estimation in crystalline phases of highentropy alloys of the AlxCoCrFeNi system........................................................................................................... 181 Korosteleva E.N., Nikolaev I.O., Korzhova V.V. Features of the structure formation of sintered powder materials using waste metal processing of steel workpieces................................................................................. 192 EroshenkoA.Yu., Legostaeva E.V., Glukhov I.A., Uvarkin P.V., TolmachevA.I., Luginin N.A., Bataev V.A., Ivanov I.V., Sharkeev Yu.P. Effect of deformation processing on microstructure and mechanical properties of Ti-42Nb-7Zr alloy............................................................................................................................................. 206 Kutkin O.M., Bataev I.A., Dovzhenko G.D., Bataeva Z.B. The study of characteristics of the structure of metallic alloys using synchrotron radiation computed laminography (Research Review)................................ 219 EDITORIALMATERIALS 243 FOUNDERS MATERIALS 255 CONTENTS
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 24 № 4 2022 206 МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ Влияние деформационной обработки на микроструктуру и механические свойства сплава Ti-42Nb-7Zr Анна Ерошенко 1, a,*, Елена Легостаева 1, b, Иван Глухов 1, c, Павел Уваркин 1, d, Алексей Толмачев 1, e, Никита Лугинин 1, 2, f, Владимир Батаев 3, g, Иван Иванов 3, h, Юрий Шаркеев 1, 2, i 1 Институт физики прочности и материаловедения СО РАН, Академический проспект, 2/4, 634055, Томск, Россия 2 Национальный исследовательский Томский политехнический университет, пр. Ленина, 30, г. Томск, 634050, Россия 3 Новосибирский государственный технический университет, проспект Карла Маркса, 20, г. Новосибирск, 630073, Россия a https://orcid.org/0000-0001-8812-9287, eroshenko@ispms.ru, b https://orcid.org/0000-0003-3684-9930, lego@ispms.ru, c https://orcid.org/0000-0001-5557-5950, gia@ispms.ru, d https://orcid.org/0000-0003-1169-3765, uvarkin@ispms.ru, e https://orcid.org/0000-0003-4669-8478, tolmach@ispms.ru, f https://orcid.org/0000-0001-6504-8193, nikishek90@gmail.com, g https://orcid.org/0000-0003-1721-2002, bataev@corp.nstu.ru, h https://orcid.org/0000-0001-5021-0098, i.ivanov@corp.nstu.ru, i https://orcid.org/0000-0001-5037-245X, sharkeev@ispms.ru Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты). 2022 Том 24 № 4 с. 206–218 ISSN: 1994-6309 (print) / 2541-819X (online) DOI: 10.17212/1994-6309-2022-24.4-206-218 Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты) Сайт журнала: http://journals.nstu.ru/obrabotka_metallov Введение Получение металлических материалов медицинского назначения, совмещающих высокие механические свойства и низкий модуль упругости и обладающих одновременно механической и биологической совместимостью, является акИНФОРМАЦИЯ О СТАТЬЕ УДК 539.4; 539.25 История статьи: Поступила: 21 сентября 2022 Рецензирование: 14 октября 2022 Принята к печати: 03 ноября 2022 Доступно онлайн: 15 декабря 2022 Ключевые слова: Сплав Ti-Nb-Zr Интенсивная пластическая деформация Ультрамелкозернистая структура Механические свойства Фазовый состав Финансирование: Работа выполнена в рамках Программы фундаментальных научных исследований СО РАН, проект FWRW-2021-0004 на 2021–2024 гг. Исследования выполнены на экспериментальном оборудовании ЦКП «Нанотех» ИФПМ СО РАН. АННОТАЦИЯ Введение. Интерес современного медицинского материаловедения направлен на разработку бета-сплавов тройных систем (TNZ) на основе титана, ниобия и циркония с низким модулем упругости, сопоставимым с модулем упругости кости. Однако их широкое применение в медицине ограничено недостаточно высокими прочностными свойствами, такими как пределы текучести, прочности, усталостной прочности, циклической долговечности и др. Формирование объемной ультрамелкозернистой структуры в титановых сплавах методами интенсивной пластической деформации позволяет обеспечить значительное повышение механических свойств без легирования «токсичными» элементами. Целью работы являлось обнаружение влияния деформационного воздействия (многоходовой прокатки и abc-прессования в сочетании с прокаткой) на микроструктуру и механические свойства сплава системы Ti-Nb-Zr. Методы исследования. Заготовки из сплава Ti-42Nb-7Zr были выполнены из чистых йодидного титана, ниобия и йодидного циркония методом дуговой плавки в защитной атмосфере аргона с использованием неплавящегося вольфрамового электрода. Сплав обладал высокой степенью однородности распределения по объёму легирующих элементов ниобия и циркония. Для формирования ультрамелкозернистой структуры литые заготовки подвергали деформационному воздействию по двум схемам, которые включали многоходовую прокатку и комбинированный метод интенсивной пластической деформации, сочетающий abc-прессование и последующую многоходовую прокатку в ручьевых валках. Результаты и обсуждение. В результате деформационной обработки прокаткой в заготовках сплава Ti-42Nb-7Zr формируется УМЗ-структура, представленная неравноосными -субзернами с размерами в поперечном сечении 0,2…0,8 мкм и длиной 0,2…0,7 мкм, дисперсно-упрочненными наноразмерной ω-фазой и субзернами -фазы. Применение комбинированной деформации способствовало формированию в сплаве более диспергированной УМЗ (+ω)-структуры со средним размером структурных элементов, равным 0,3 мкм. Сформированная в результате двухэтапной деформации УМЗ-структура обеспечила высокий уровень механических свойств: предел текучести – 480 МПа, предел прочности – 1100 МПа, микротвердость – 2800 МПа, при низком модуле упругости, равном 36 ГПа. Для цитирования: Влияние деформационной обработки на микроструктуру и механические свойства сплава Ti-42Nb-7Zr / А.Ю. Ерошенко, Е.В. Легостаева, И.А. Глухов, П.В. Уваркин, А.И. Толмачев, Н.А. Лугинин, В.А. Батаев, И.В. Иванов, Ю.П. Шаркеев // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2022. – Т. 24, № 4. – С. 206–218. – DOI: 10.17212/1994-6309-2022-24.4-206-218. ______ *Адрес для переписки Ерошенко Анна Юрьевна, к.т.н., с.н.с. Институт физики прочности и материаловедения СО РАН, Академический проспект, 2/4 634055, г. Томск, Россия Тел.: 8 (3822) 28-69-11, e-mail: eroshenko@ispms.ru
OBRABOTKAMETALLOV Vol. 24 No. 4 2022 207 MATERIAL SCIENCE туальной задачей [1]. В связи с этим перспективным направлением в области медицинского материаловедения является разработка сплавов на основе титана, легированных биоинертными металлами, которые не оказывают токсичного действия на организм. Это сплавы систем Ti-Nb, Ti-Nb-Ta, Ti-Nb-Zr, Ti-Nb-Sn, Ti-Nb-Ta, Ti-Nb-Hf, Ti-Nb-Zr-Sn, Ti-Nb-Ta-Sn, Ti-Nb-Ta-Zr [1, 2]. Легирование титана стабилизирующими элементами определенных концентраций, такими как ниобий, цирконий, тантал, позволяет сформировать бета-фазу, которая способствует получению низкого модуля упругости в сплаве. Модуль упругости таких сплавов в зависимости от элементного состава может варьироваться в диапазоне 14…50 ГПа, что сопоставимо с модулем упругости костной ткани (10…30 ГПа) [2]. Интерес к сплавам с низким модулем упругости находит свое отражение в ряде научных исследований, выполненных для сплавов тройных систем на основе титана, ниобия и циркония (TNZ), Ti-13Zr-13Nb, Ti-19Nb-14Zr, Ti-Nb (1819)-Zr (5-6) [3-8]. Преимуществом сплавов TNZ является отсутствие токсичного воздействия на организм. Однако их широкое применение в медицине ограничено недостаточно высокими прочностными свойствами, такими, как пределы текучести, прочности, усталостной выносливости и др. Формирование ультрамелкозернистой (УМЗ) структуры в бета-титановых сплавах методами интенсивной пластической деформации (ИПД) позволяет обеспечить значительное повышение усталостной прочности и циклической долговечности без легирования «токсичными» элементами, а также довести значения пределов прочности и текучести до уровня крупнокристаллических (КК) среднепрочных «альфа+бета» титановых сплавов, имеющих медицинские приложения. В работе [9] показано, что в зависимости от режимов термомеханических обработок модуль упругости в сплаве Ti-13Nb-13Zr находится в диапазоне 79…84 ГПа. У сплавов системы Ti-Nb-Zr с различной концентрацией ниобия и циркония после прокатки и термообработки модуль упругости и предел прочности могут варьироваться от 59 до 75 ГПа и от 345 до 810 МПа соответственно [9–-11]. Однако вопросы, связанные с получением требуемых механических свойств и с закономерностями структурообразования, обусловленные большим многообразием формирующихся структур и фазовых превращений для мультикомпонентных систем на основе титана со стабилизированной бета-фазой и с низким модулем упругости при ИПД, требуют дальнейшего развития. Все это определяет актуальность работы, направленной на разработку сплавов на основе титана, ниобия, циркония, и дальнейшее решение задач, связанных с повышением уровня механических свойств и получением низкого модуля упругости. Цель работы – обнаружение влияния глубокого деформационного воздействия на микроструктуру и механические свойства сплава системы Ti-Nb-Zr. Методика исследований В качестве материала исследования использовался сплав системы Ti-Nb-Zr (TNZ, Ti-42Nb-7Zr). Экспериментальные заготовки из сплава Ti-42Nb-7Zr были изготовлены из чистых йодидного титана, ниобия и йодидного циркония методом дуговой плавки в защитной атмосфере аргона с использованием неплавящегося вольфрамового электрода в печи Buhler [12]. Для обеспечения однородности химического состава осуществляли пятикратный переплав. Заготовки получали массой 20 г в виде дисков (диаметр 25 мм, высота 8 мм). Согласно данным микрорентгеноспектрального анализа слитки имели следующий состав (мас. %): Ti 50,3; Nb 42,3; Zr 7,4. После переплава слитки подвергали выдержке при температуре 1000 С в течение 3 часов в атмосфере аргона и затем закаливали в воду. Из слитков были подготовлены образцы, которые для получения УМЗ-состояния подвергали деформационному воздействию по двум схемам. Схемы обработок заготовок сплава показаны на рис. 1. Согласно первой схеме образцы в форме параллелепипедов с размерами 7×8×15 мм3, вырезанные из слитка искровой резкой, подвергали ИПД, состоящей из многоходовой прокатки в плоских валках. Предварительно заготовки перед прокаткой нагревали до температуры 200 С, а прокатку проводили при комнатной температуре валков до суммарной логарифмической деформации е = 2,19. В случае второй схемы применяли комбинированный метод ИПД, сочетающий abc-прессование
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 24 № 4 2022 208 МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ и последующую многоходовую прокатку в ручьевых валках и затем в плоских валках. Из слитка в результате предварительного прессования получали заготовку размером 13×15×18 мм3. Abc-прессование заготовки осуществляли при ступенчатом понижении температуры в интервале 500…400 С. При этом применяли однократные осадки заготовки при заданных температурах. Прокатку предварительно нагретых образцов до 200 С проводили, как и в случае первой схемы, при комнатной температуре валков. В этом случае суммарная логарифмическая степень деформации составила е = 2,94. В результате применения первой и второй схем получали пластины размером 10×1,5×140 мм3. Для снятия остаточных внутренних напряжений и увеличения пластичности готовые образцы отжигали при температуре 350 С в течение одного часа в атмосфере аргона, а затем охлаждали с печью. С целью сравнительного исследования сформированных УМЗ состояний с ККструктурой применяли рекристаллизационный Рис. 1. Термические и деформационные обработки заготовок сплава Ti-42Nb-7Zr Fig. 1. Scheme of heat and deformation treatments of Ti-42Nb-7Zr alloy отжиг части образцов длительностью 1 час при 800 С после второй схемы деформации. Микроструктуру и фазовый состав образцов исследовали с помощью оптической микроскопии (микроскоп Carl Zeiss Axio Observer), просвечивающей и растровой электронной микроскопии (микроскопы JEOL JEM 2100 и LEO EVO 50) и рентгеновской дифрактометрии (дифрактометр ДРОН-7). Рентгеновские дифрактограммы получали в CoK-излучении. Средний размер элементов структуры (зерна, субзерна, фрагменты) рассчитывали методом секущей [14]. Измерения микротвердости проводили на микротвердомере Duramin 5. Механические испытания на растяжение были выполнены на испытательной машине Instron 5582. При проведении механических испытаний использовали по 5 образцов для каждого состояния. Модуль упругости определяли на приборе (Nano Hardness Teste DUN 211S) при вдавливании индентора в поверхность образца с одновременным построением кинетической диаграммы «нагружение–нагрузка».
OBRABOTKAMETALLOV Vol. 24 No. 4 2022 209 MATERIAL SCIENCE Микроструктурные, рентгеноструктурные исследования, измерения микротвердости и механические испытания образцов проводили для КК-состояния и для УМЗ-состояний, полученных после прокатки и после комбинированного деформационного воздействия (abc-прессование и прокатка). Результаты и их обсуждение На рис. 2, а, б представлена микроструктура заготовки Ti-42Nb-7Zr после переплава. По сечению заготовки в литом состоянии микроструктура неоднородная. Наблюдаются три зоны: зона, состоящая из равноосных зерен, зона с дендритным строением, которая состоит из промежуточной области с ячеистым строением и области вытянутых столбчатых дендритов. Наличие столбчатых дендритов свидетельствует о ликвации в -твердом растворе при переплаве [15]. Исследование методом микрорентгеноспектрального анализа показало, что заготовка после переплава обладала высокой степенью однородности распределения по объему легирующих компонентов ниобия и циркония. Концентрация ниобия по сечению заготовки находится в диапазоне (41,2…43,1) мас. %, а циркония (6,8…7,3) мас. %. Характерной особенностью микроструктуры слитка является развитая дендритная структура в верхней части и крупнозернистая структура с размерами 200…500 мкм на основе твердого раствора титана и / или ниобия в нижней части. Согласно данным ПЭМ основной фазой в сплаве является -фаза на основе твердого раствора (рис. 2, в). Перед деформационной обработкой сплав подвергали закалке, которая включала выдержку при температуре 1000 С в течение 3 часов с последующим охлаждением в воде при комнатной температуре. Оптическое изображение микроструктуры сплава после закалки приведено на рис. 2, г. Микроструктура однородная по сечению заготовки. В структуре наблюдаются равноосные зерна -фазы и пластины, мартенситной -фазы, характерные для структуры после закалки. Формирование -фазы мартенсита закалки для -сплавов на основе титана обусловлено высоким содержанием ниобия. Так, для системы Ti–Nb образование мартенситной α-фазы наблюдается в закаленных сплавах с содержанием ниобия в концентрационном интервале от 30 до 40 мас. % [15, 16]. Средний размер зерен -фазы составил 100 мкм. На рис. 3 представлена микроструктура закаленного сплава после многоходовой прокатки. Прокатка приводит к формированию полосового характера микроструктуры. На светлопольных изображениях наблюдаются «полосовые» фрагменты с размерами в поперечном сечении 0,2…0,8 мкм и длиной 0,2…0,7 мкм, что соответствует УМЗ-состоянию согласно классификации, приведенной в работе [17]. В полосовых фрагментах наблюдается формирование дислокационной субструктуры. Полосовые фрагменты состоят из -фазы на основе твердого раствора титана и ниобия (рис. 3, а, б). На светлопольных а б в г Рис. 2. Оптические (а, г), РЭМ (б) и ПЭМ с соответствующей микродифракцией (в) изображения микроструктуры сплава Ti-42Nb-7Z: литое (а–в); закаленное (г) состояния Fig. 2. Optical (a, г), SEM (б) and TEM with corresponding microdiffraction pattern (в) images of Ti-42Nb-7Z alloy microstructure: cast (а–в); quenched (г) states
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 24 № 4 2022 210 МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ Рис. 3. ПЭМ-изображения микроструктуры закаленного сплава Ti-42Nb-7Zr после прокатки: светлопольные с соответствующими микродифракциями (а, г) и темнопольные (б, в) изображения; схема идентификации микродифракционной картины (б) Fig. 3. TEM images of the quenched Ti-42Nb-7Zr alloy microstructure after rolling: bright fi eld with corresponding microdiffraction patterns (a, г) and dark fi eld (б, в) images; microdiffraction pattern identifi cation scheme (б) изображениях в локальных областях присутствуют выделения второй -фазы шириной 10 нм в виде пластин, которые локализованы внутри субзерен матричной -фазы (рис. 3, в). Микродифракционная картина представлена точеными рефлексами (рис. 3, б). На рис. 3, б приведена схема идентификации микродифракционной картины, на которой в сетке рефлексов от -фазы различали рефлексы, соответствующие нанодисперсным частицам -фазы. На темнопольном изображении, полученном в рефлексах от - и -фаз, внутри полос -фазы видны наночастицы -фазы с размерами 10 нм (рис. 3, г). На рис. 4 а, б представлены электронно-микроскопические изображения микроструктуры сплава Ti-42Nb-7Zr, подвергнутого abc-прессованию с последующей прокаткой. Микроструктура имеет менее выраженный «полосовой» характер (рис 4, а). В результате комбинированной ИПД формируются неравноосные субзерна β-фазы, в которых присутствуют дисперсные наночастицы -фазы (рис. 4, б). В субзернах β-фазы наблюдается развитая дислокационная субструктура с повышенной плотностью дислокаций. Рефлексы на микродифракционной картине расположены по окружностям, что указывает на значительное измельчение структуры после деформации, а также на присутствие высокоугловых границ зерен. Субзерна -фазы имеют размеры в интервале 0,1…0,6 мкм. Средний размер структурных элементов составил 0,3 мкм. Внутри фрагментов основной -фазы наблюдаются наночастицы -фазы (рис. 4, г). Отметим, что в ходе применения комбинированной ИПД-пластины мартенситной -фазы не удалось выявить. Это связано, по-видимому, с тем, что в процессе прессования в диапазоне температур 500…400 С мартенситная -фаза трансформируется в -фазу по механизму α→→β [18–20]. Применение аbс-прессования с прокаткой заготовок сплава приводит к формированию более диспергированной УМЗ-микроструктуры по сравнению с прокаткой без этапа прессования. В КК рекристаллизованном состоянии (получен отжигом образцов сплава в УМЗ-состоянии при температуре 800 С, 1 час) микроструктура
RkJQdWJsaXNoZXIy MTk0ODM1