Influence of Thermomechanical and Heat Treatments on the Structure, Phase Composition and Mechanical Properties of Biocompatible Ti–(18–20)Nb–(1–1.2) Si Alloys

O. М. Shevchenko, L. D. Kulak, M. M. Kuzmenkо, O. Yu. Koval, S. O. Firstov

Институт проблем материаловедения им. И. Н. Францевича НАН Украины, ул. Омельяна Прицака, 3, 03142 Киев, Украина

Получена: 25.11.2022; окончательный вариант - 12.12.2023. Скачать: PDF

The Ti–(18−20)Nb–(1−1.2)Si alloys are obtained by electron-beam melting; the sizes of the ingots are as follow: $d$ = 60 mm, $l$ = 650 mm. As shown, the applied smelting method provides a more stable phase composition of $\alpha$ + $\beta$ + (Ti, Nb)$_{3}$Si in the cast alloys. Hot deformation is carried out at $T$ $\cong$ 1000°C by means of the rotary forging up to $d$ = 20 mm, followed by thermomechanical treatment (TMT‒screw rolling with water cooling) up to $d$ = 12 mm; quenching in water is carried out at 1050°С with a holding time of 30 min. The structure after deformation is non-equilibrium, consisting of the $\alpha$($\alpha^{'}$)-phase, the residual metastable $\beta$-phase, a small amount of large (Ti, Nb)$_{3}$Si silicides mainly on the boundaries of the primary $\beta$-grains, as well as dispersed silicides on structural defects, that causes the high strength $\sigma_{B}$ = 1155 MPa, but low plasticity $\delta$ = 3.5%. During the quenching of the deformed Ti–(18−20)Nb–(1−1.2)Si alloys at 1050°C, the orthorhombic $\alpha^{''}$-phase is formed, and the amount of silicides increases. Herewith, the strength is slightly reduced to $\sigma_{B}$ = 1135 MPa with significant increase in plasticity $\delta$ = 9%. Two-stage deformation including TMT with final quenching in water at 1050°C causes the release of a larger amount of dispersed silicides and, as a result, the formation of the $\alpha^{''}$-phase depleted with alloying elements and the residual $\beta$-phase. The resulting structure provides a better combination of mechanical properties ($\sigma_{B}$ = 1165 MPa, $\delta$ = 12.5%) due to dispersion strengthening with silicides and increased plasticity of the solid solution. For deformed experimental Ti–(18−20)Nb–(1−1.2)Si alloys, the quenching temperature $T$ = 1080 $\pm$ 10°C is also determined that allows obtaining the maximum strength $\sigma_{B}$ = 1190 MPa, while maintaining plasticity at the level of $\delta$ = 9.5%.

Ключевые слова: biocompatible Ti−(18−20)Nb−(1−1.2)Si alloys, thermomechanical treatment, deformation, quenching, structure, mechanical properties.

URL: https://mfint.imp.kiev.ua/ru/abstract/v45/i03/0329.html

PACS: 64.75.Bc, 64.75.Nx, 81.30.Kf, 81.30.Mh, 81.40.-z, 81.40.Cd, 87.85.jj


ЦИТИРОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА
  1. H. Matsuno, A. Yokoyama, F. Watari, M. Uo, and T. Kawasaki, Biomaterials, 22, No. 11: 1253 (2001). Crossref
  2. E. Eisenbarth, D. Velten, M. Müller, R. Thull, and J. Breme, Biomaterials, 25, No. 26: 5705 (2004). Crossref
  3. J. Fu, A. Yamamoto, H. Y. Kim, H. Hosoda, and Sh. Miyazaki, Acta Biomater., 17: 56 (2015). Crossref
  4. P. Afzali, R. Ghomashchi, and R. H. Oskouei, Metals, 9: 878 (2019). Crossref
  5. S. Bahl, S. Suwas, and K. Chatterjee, Int. Mater. Rev., 66, No. 2: 114 (2021). Crossref
  6. Y. Zhang, D. Sun, J. Cheng, J. K. H. Tsoi, and J. Chen, Regen. Biomater., 7, No. 1: 119 (2020). Crossref
  7. О. М. Шевченко, Л. Д. Кулак, М. М. Кузьменко, А. В. Котко, С. О. Фірстов, Металлофиз. новейшие технол., 39, № 6: 823 (2017).
  8. О. М. Шевченко, Л. Д. Кулак, М. М. Кузьменко, С. О. Фірстов, Металлофиз. новейшие технол., 41, № 3: 363 (2019).
  9. O. M. Shevchenko, L. D. Kulak, M. М. Kuz’menko, and S. O. Firstov, Materials Science, 55, No. 4: 577 (2020). Crossref
  10. О. М. Шевченко, Л. Д. Кулак, М. М. Кузьменко, С. О. Фірстов, Металлофиз. новейшие технол., 42, № 2: 237 (2020).
  11. О. М. Шевченко, Л. Д. Кулак, М. М. Кузьменко, О. Ю. Коваль, А. В. Котко, Н. В. Ульянчич, О. О. Півень, Т. П. Рубан, С. О. Фірстов, Металлофиз. новейшие технол., 43, № 7: 887 (2021).
  12. О. М. Шевченко, Л. Д. Кулак, М. М. Кузьменко, А. В. Котко, С. О. Фірстов, Фіз.-хім. механіка матеріалів, 2: 33 (2022).
  13. О. М. Шевченко, Л. Д. Кулак, М. М. Кузьменко, А. В. Котко, С. О. Фірстов, Металлофиз. новейшие технол., 44, № 8: 1059 (2022).
  14. Л. Д. Кулак, Н. А. Крапивка, Г. Е. Хоменко, В. Ю. Пучкова, Т. П. Терещенко, Электронная микроскопия и прочность материалов, 21: 38 (Киев: Ин-т пробл. материаловедения им. И. Н. Францевича НАНУ: 2015).
  15. Н. И. Гречанюк, Л. Д. Кулак, Н. Н. Кузьменко, Ю. А. Смашнюк, А. В. Демчишин, А. Э. Фиск, Современная электрометаллургия, 2: 17 (2017). Crossref
  16. The Materials Project, mp-980420: Ti3Si (2021).
  17. F. R. Kaschel, R. K. Vijayaraghavan, P. J. McNally, D. P. Dowling, and M. Celikin, Mater. Sci. Eng.: А, 819 (2021). Crossref
  18. A. V. Dobromyslov and V. A. Elkin, Mater. Sci. Eng.: А, 438: 324 (2006). Crossref