Влияние равноканального углового прессования на структуру и механические свойства нового β-Ti-сплава Ti–10Mo–8Nb–6Zr

В данной работе представлены сравнительные исследования структурных и механических свойств нового β-Ti-сплава Ti–10Mo–8Nb–6Zr, подвергнутого традиционной холодной ротационной ковке и равноканальному угловому прессованию (РКУП) при температуре 250 °С. Основной фазой в исходном закаленном состоянии, после ковки и РКУП-обработки является ОЦК-β-фаза. Уширение рентгеновских линий β-фазы и данные ПЭМ свидетельствуют об измельчении структуры и повышении концентрации дефектов решетки после деформационных обработок. В исходном состоянии сплав имеет временнóе сопротивление при растяжении около 700 МПа, условный предел текучести 450 МПа и относительное удлинение до разрушения ~30 %. В результате ковки временнóе сопротивление и условный предел текучести сплава Ti–10Mo–8Nb–6Zr повышаются до 1230 и 950 МПа, а после РКУП – до 1280 и 1270 МПа соответственно, а также снижается относительное удлинение до 6 %. Значительное увеличение прочностных характеристик сплава Ti–10Mo–8Nb–6Zr, подверженного РКУП, делает его более перспективным для применения в медицине.

1. Brunette D.M., Tengvall P., Textor M., Thomsen P. Titanium in medicine, Berlin: Springer, 2001.

2. Колачев Б.А., Полькин И.С., Талалаев В.Д. Титановые сплавы разных стран: Справочник. М.: ВИЛС, 2000. Kolachev B.A., Polkin I.S., Talalaev V.D. Titanium alloys of different countries: Reference book. Moscow: VILS, 2000 (In Russ.).

3. Хлусов И.А., Пичугин В.Ф., Рябцева М.А. Основы биомеханики биосовместимых материалов и биологических тканей: Учеб. пос. Томск: Изд-во ТПУ, 2007. C. 95—96. Khlusov I.A., Pichugin V.F., Ryabtseva M.A. Fundamentals of biomechanics of biocompatible materials and biological tissues: textbook. Tomsk: Izdatelstvo Tomskogo politekhnicheskogo universiteta, 2007. P. 95—96 (In Russ.).

4. Rho J.Y., Tsui T.Y., Pharr G.M. Elastic properties of human cortical and trabecular lamellar bone measured by nanoindentation. Biomater. 1997. Vol. 18 (20). P. 1325— 1330.

5. Semlitsch M., Staub F., Webber H. Titanium-aluminumniobium alloy, development for biocompatible, high strength surgical implants. Biomed. Technol. 1985. Vol. 30 (12). P. 334—339.

6. Rack H.J., Qazi J.I. Titanium alloys for biomedical applications. Mater. Sci. Eng. C. 2006. Vol. 26. P. 1269— 1277.

7. Van der Voet G.B., Marani E., Tio S., De Wolff F.A. Aluminum neurotoxicity. Progress in Histochemistry and Cytochemistry. 1991. Vol. 23 (1-4). P. 235—242.

8. Титановые сплавы. Металловедение титана и его сплавов. Под ред. Б.А. Колачева, С.Г. Глазунова. М.: Металлургия, 1992. Kolachev B.A., Glazunov S.G. (eds.). Titanium alloys. Metallology of titanium and its alloys. Moscow: Metallurgiya, 1992 (In Russ.).

9. Nnamchi P.S. First principles studies on structural, elastic and electronic properties of new Ti—Mo—Nb—Zr alloys for biomedical applications. Mater. Design. 2016. Vol. 108. P. 60—67.

10. Bottino M.C., Coelho P.G., Yoshimoto M., König B., Henriques V.A.R., Bressiani A.H.A., Bressiani J.C. Histomorphologic evaluation of Ti—13Nb—13Zr alloys processed via powder metallurgy: A study in rabbits. Mater. Sci. Eng. 2008. Vol. 28. P. 223—227.

11. Chen Y., Xu L., Liu Zn., Kong F., Chen Z. Microstructures and properties of titanium alloys Ti—Mo for dental use. Trans. Nonferr. Met. Soc. China. 2006. Vol. 16. P. 824— 828.

12. Martins J.R.S., Nogueira R.A., Oliveira R., Donato T.A., Elias V., Claro A., Moraes J., Buzalaf M., Grandini C. Preparation and characterization of Ti—15Mo alloy used as biomaterial. Mater. Res. 2011. Vol. 14 (1). P. 107— 112.

13. Konopatsky A.S., Dubinskiy S.M., Zhukova Y.S., Sheremetyev V., Brailovski V., Prokoshkin S.D., Filonov M.R. Ternary Ti—Zr—Nb and quaternary Ti—Zr—Nb—Ta shape memory alloys for biomedical applications: Structural features and cyclic mechanical properties. Mater. Sci. Eng. A. 2017. Vol. 702. P. 301—311. DOI: 10.1016/j.msea.2017.07.046.

14. Kudryashova A., Sheremetyev V., Lukashevich K., Cheverikin V., Inaekyan K., Galkin S., Prokoshkin S., Brailovski V. Effect of a combined thermomechanical treatment on the microstructure, texture and superelastic properties of Ti—18Zr—14Nb alloy for orthopedic implants. J. Alloys Compd. 2020. Vol. 843. 156066. DOI: 10.1016/j.jallcom.2020.P.156066.

15. Sheremetyev V., Kudryashova A., Cheverikin V., Korotitskiy A., Galkin S., Prokoshkin S., Brailovski V. Hot radial shear rolling and rotary forging of metastable beta Ti—18Zr—14Nb (at.%) alloy for bone implants: Microstructure, texture and functional properties. J. Alloys Compd. 2019. Vol. 800. P. 320—326.

16. Валиев Р.З., Александров И.В. Объемные наноструктурные металлические материалы: Получение, структура, свойства. М.: ИКЦ «Академкнига», 2007. Valiev R.Z., Alexandrov I.V. Volumetric nanostructured metallic materials: Preparation, structure, properties. Moscow: Akademkniga, 2007 (In Russ.).

17. Valiev R.Z., Zhilyaev A.P., Langdon T.G. Bulk nanostructured materials: Fundamentals and applications: Hoboken. New Jersey: John Wiley & Sons, Inc., 2014.

18. Семенова И.П., Рааб Г.И., Валиев Р.З. Наноструктурные титановые сплавы: новые разработки и перспективы применения. Российские нанотехнологии. 2014. Т. 9. No. 5-6. С. 84—95. Semenova I.P., Raab G.I., Valiev R.Z. Nanostructural titanium alloys: new developments and application prospects. Rossiiskie nanotekhnologii. 2014. Vol. 9. No. 5-6. P. 84—95 (In Russ.).

19. Valiev R.Z., Semenova I.P., Latysh V.V., Rack H., Lowe T.C., Petruzelka J., Dluhos L., Hrusak D., Sochova J. Nanostructured titanium for biomedical applications. Adv. Eng. Mater. 2008. Vol. 10. P. B15—B17.

20. Gunderov D.V., Polyakov A.V., Semenova I.P., Raab G.I., Churakova A.A., Gimaltdinova E.I., Sabirov I., Segurado J., Sitdikov V.D., Alexandrov I.V., Enikeev N.A., Valiev R.Z. Evolution of microstructure, macrotexture and mechanical properties of commercially pure Ti during ECAP-conform processing and drawing. Mater. Sci. Eng. A. 2013. Vol. 562. P. 128—136.

21. Saitova L.R., Höppel H.W., Göken M., Semenova I.P., Raab G.I., Valiev R.Z. Fatigue behavior of ultrafinegrained Ti—6Al—4V ‘ELI’ alloy for medical applications. Mater. Sci. Eng. A. 2009. Vol. 503. P. 145—147.

22. Гатина С.А., Сулейманов Ф.Г., Семенова И.П. Особенности усталостного разрушения ультрамелкозернистого сплава Ti—15Mо, полученного интенсивной пластической деформацией. Деформация и разрушение материалов. 2015. No. 5. C. 28—34. Gatina S.A., Suleimanov F.G., Semenova I.P. Fatigue fracture features of ultrafine-grained Ti—15Mo alloy produced by severe plastic deformation. Deformatsya i razrushenie materialov. 2015. No. 5. P. 28—34 (In Russ.).

23. Sheremetyev V., Derkach M., Prokoshkin S., Churakova A., Gunderov D., Raab G. Effect of ECAP and annealing on structure and mechanical properties of metastable beta Ti—18Zr—15Nb (at.%) alloy. Mater. Lett. 2021. Vol. 305. P. 130760.