Влияние режимов нагрева и охлаждения на изотермическое β → ω превращение в сплаве Ti–22Nb–6Zr

Рентгенографически изучено влияние режимов нагрева и охлаждения перед старением сплава Ti–22Nb–6Zr (ат.%) с памятью формы на интенсивность образования изотермической ω_iso-фазы в интервале температур от 250 до 350 °С в течение 1 и 3 ч. Показано, что для интенсивного образования ω_iso-фазы наиболее эффективна схема выхода в интервал старения, включающая быстрое охлаждение в воде до t_комн от температуры отжига 600 °С и последующий быстрый нагрев до температуры старения 300 °С. Все остальные использованные схемы выхода в интервал старения, включающие медленное охлаждение и/или нагрев, не приводят к формированию рентгенографически идентифицируемого количества ω_iso-фазы. При этом превращение β → ω_iso в интервале температур от 250 до 350 °С имеет выраженную С-образную кинетику с максимумом при 300 °С. Старение во всем интервале t = 250÷350 °С приводит к упрочнению и увеличению твердости сплава по сравнению с исходным состоянием. Причем твердость плавно растет при увеличении температуры старения от 250 до 300 °С и остается постоянной в интервале t = 300÷350 °С. Период решетки β-фазы сплава Ti–22Nb–6Zr остается неизменным во всем температурном интервале старения 250–350 °С, что свидетельствует об отсутствии заметного диффузионного перераспределения элементов в твердом растворе при образовании ω_iso-фазы. Образующаяся в ходе старения сплава Ti–22Nb–6Zr во всем интервале t = 250÷350 °С ω_iso-фаза имеет соотношение с_ω /а_ω = 0,613 ± 0,002, аналогичное соотношению с_ω /а_ω для сдвиговой атермической ω_ath-фазы, что, в свою очередь, дополнительно подчеркивает идентичность этих двух фазовых разновидностей.

1. Niinomi M. Mechanical biocompatibilities of titanium alloys for biomedical applications. J. Mech. Behav. Biomed. Mater. 2008. No. 1. P. 30—42.

2. Biesiekierski A., Wang J., Abdel-Hady Gepreel M., Wen C. A new look at biomedical Ti-based shape memory alloys. Acta Biomater. 2012. No. 8. P. 1661—1669.

3. Bönisch M., Calin M., Waitz T., Panigrahi A., Zehetbauer M., Gebert A., Skrotzki W., Eckert J. Thermal stability and phase transformations of martensitic Ti—Nb alloys. Sci. Technol. Adv. Mater. 2013. No. 14 (5). Р. 55004.

4. Aeby-Gautier E., Settefrati A., Bruneseaux F., Appolaire B., Denand B., Dehmas M., Geandier G., Boulet P. Isothermal α″ formation in β metastable titanium alloys. J. Alloys Compd. 2013. No. 577. P. 5439—5443.

5. Kim H.Y., Fu J., Tobe H., Kim J.Il., Miyazaki S. Crystal structure, transformation strain, and superelastic property of Ti—Nb—Zr and Ti—Nb—Ta alloys. Shape Memory Superelast. 2015. No. 1. P. 107—116.

6. Niinomi M. Metals for biomedical devices. Woodhead Publ., 2019.

7. Hao Y.L., Li S.J., Sun S.Y., Yang R. Effect of Zr and Sn on Young’s modulus and superelasticity of Ti—Nb-based alloys. Mater. Sci. Eng. A. 2006. Vol. 441. Р. 112—118.

8. Kim J. Il, Kim H.Y., Inamura T., Hosoda H., Miyazaki S. Shape memory characteristics of Ti—22Nb—(2—8) Zr (at.%) biomedical alloys. Mater. Sci. Eng. A. 2005. No. 403. P. 334—339.

9. Gasik M.M., Yu H. Phase equilibria and thermal behavior of the biomedical Ti—Nb—Zr alloy. Mater. Sci. 2009. RM 29.

10. Camilo A., Salvador F., Opini V.C., Mello M.G., Caram R. Effects of double-aging heat-treatments on the microstructure and mechanical behavior of an Nb-modified Ti-5553 alloy. Mater. Sci. Eng. A. 2019. Vol. 782. P. 137—142.

11. Dubinskiy S., Markova G., Baranova A., Vvedenskiy V., Minkova I., Prokoshkin S., Brailovski V. A non-typical Elinvar effect on cooling of a beta Ti—Nb—Zr alloy. Mater. Lett. 2022. No. 314. P. 131870.

12. Li Q., Niinomi M., Nakai M., Cui Z., Zhu S., Yang X. Effect of Zr on super-elasticity and mechanical properties of Ti—24at.%Nb—(0, 2, 4)at.%Zr alloy subjected to aging treatment. Mater. Sci. Eng. A. 2012. Vol. 536. P. 197—206.

13. Wang K., Wu D., Wang D., Deng Z., Tian Y., Zhang L., Liu L. Influence of cooling rate on ω phase precipitation and deformation mechanism of a novel metastable β titanium alloy. Mater. Sci. Eng. A. 2022. Vol. 829. P. 142—151.

14. Tang X., Ahmed T., Rack H.J. Phase transformations in Ti—Nb—Ta and Ti—Nb—Ta—Zr alloys. J. Mater. Sci. 2000. Vol. 35. P. 1805—1811.

15. Hickman B.S. The formation of omega phase in titanium and zirconium alloys: A review. J. Mater. Sci. 1969. Vol. 4. P. 554—563.

16. Devaraj A., Williams A., Nag S., Srinivasan R., Fraser H.L., Banerjee R. Three-dimensional morphology and composition of omega precipitates in a binary titanium—molybdenum alloy. Scr. Mater. 2009. Vol. 61. P. 701—704.

17. Kim H.Y., Kim J.I., Inamura T., Hosoda H., Miyazaki S. Effect of thermo-mechanical treatment on mechanical properties and shape memory behavior of Ti—(26—28) at.% Nb alloys. Mater. Sci. Eng. A. 2006. Vol. 438—440. P. 839—843.

18. Hao Y.L., Li S.J., Sun S.Y., Yang R. Effect of Zr and Sn on Young’s modulus and superelasticity of Ti—Nb-based alloys. Mater. Sci. Eng. A. 2006. Vol. 441. Р. 112—118.

19. Dubinskiy S.M., Prokoshkin S.D., Brailovski V., Inaekyan K.E., Korotitskiy A.V., Filonov M.R., Petrzhik M.I. Structure formation during thermomechanical processing of Ti—Nb—(Zr, Ta) alloys and the manifestation of the shape-memory effect. Phys. Met. Metallography. 2011. Vol. 112. Р. 503—516.

20. Inaekyan K., Brailovski V., Prokoshkin S., Pushin V., Dubinskiy S., Sheremetyev V. Comparative study of structure formation and mechanical behavior of age-hardened Ti— Nb—Zr and Ti—Nb—Ta shape memory alloys. Mater. Charact. 2015. Vol. 103. P. 65—74.

21. Dubinskiy S., Korotitskiy A., Prokoshkin S., Brailovski V. In situ X-ray diffraction study of athermal and isothermal omega-phase crystal lattice in Ti—Nb-based shape memory alloys. Mater. Lett. 2016. Vol. 168. P. 155—157.