Вплив термомеханічного та термічного оброблення на структуру, фазовий склад і механічні властивості біосумісних стопів Ti–(18−20)Nb–(1−1,2)Si

О. М. Шевченко, Л. Д. Кулак, М. М. Кузьменко, О. Ю. Коваль, С. О. Фірстов

Інститут проблем матеріалознавства ім. І. М. Францевича НАН України, вул. Омеляна Пріцака, 3, 03142 Київ, Україна

Отримано: 25.11.2022; остаточний варіант - 12.12.2023. Завантажити: PDF

Стопи Ti–(18−20)Nb–(1−1,2)Si одержували електронно-променевим топленням; розміри зливків: $d$ = 60 мм, $l$ = 650 мм. Показано, що застосована метода витоплення забезпечує у литих стопів більш стабільний фазовий склад $\alpha$ + $\beta$ + (Ti, Nb)$_{3}$Si. Гаряче деформування здійснювали за $T$ $\cong$ 1000°C ротаційним куванням до $d$ = 20 мм з наступним термомеханічним обробленням (ТМО ‒ ґвинтове вальцювання з охолодженням водою) до $d$ = 12 мм; гартування у воду проводилося за 1050°C з витримкою у 30 хв. Структура після деформації є нерівноважною, складається з $\alpha$($\alpha^{'}$)-фази, залишкової метастабільної $\beta$-фази, невеликої кількости крупних (Ti, Nb)$_{3}$Si-силіцидів переважно на межах первинних $\beta$-зерен, а також дисперсних силіцидів на дефектах структури, що зумовлює високу міцність – $\sigma_{B}$ = 1155 МПа, але малу пластичність $\delta$ = 3,5%. Під час гартування деформованих стопів Ti–(18−20)Nb–(1−1,2)S за 1050°C утворюється орторомбічна $\alpha^{''}$-фаза та збільшується кількість силіцидів. Міцність в результаті дещо понижується до $\sigma_{B}$ = 1135 МПа із суттєвим підвищенням пластичности $\delta$ = 9%. Двостадійна деформація, що включає ТМО з остаточним гартуванням у воду за 1050°C, спричиняє виділення більшої кількости дисперсних силіцидів і внаслідок цього утворення збідненої леґувальними елементами $\alpha^{''}$-фази та залишкової $\beta$-фази. Одержана структура дає ліпше поєднання механічних властивостей ($\sigma_{B}$ = 1165 МПа, $\delta$ = 12,5%) за рахунок дисперсійного зміцнення силіцидами та збільшення пластичности твердого розчину. Для деформованих дослідних стопів Ti–(18−20)Nb–(1−1,2)Si визначено також температуру гартування $T$ = 1080 $\pm$ 10°C, яка уможливлює одержати максимальну міцність $\sigma_{B}$ = 1190 МПа зі збереженням пластичности на рівні $\delta$ = 9,5%.

Ключові слова: біосумісні стопи Ti–(18−20)Nb–(1−1,2)Si, термомеханічне оброблення, деформація, гартування, структура, механічні властивості.

URL: https://mfint.imp.kiev.ua/ua/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


ЦИТОВАНА ЛІТЕРАТУРА
  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