Влияние РКУП при температуре 300 °С на структуру и свойства закаленного сплава Zr–2,5%Nb

Исследована эволюция структуры циркониевого сплава Zr–2,5%Nb при деформации методом равноканального углового прессования (РКУП). Показано, что РКУП при температуре 300 °С приводит к повышению прочностных характеристик в 1,4–1,8 раза. Вместе с тем отмечено, что, по сравнению с другими исследованиями, в данном сплаве не происходит полного растворения частиц ниобия, что может быть вызвано замедлением процессов диффузии с понижением температуры деформации до 300 °С. Проведено исследование по предварительной подготовке структуры перед интенсивной пластической деформацией в виде закалки, что позволило сформировать пластинчатую структуру с дополнительными границами. Это способствует измельчению зерна при последующей деформации РКУП. Дополнительно повысить прочность сплава позволяет твердорастворное упрочнение – полное растворение частиц Nb в матрице сплава после закалки. Результатом является повышение в 2,3 раза предела текучести сплава после закалки и РКУП по сравнению с крупнозернистым состоянием.

1. Chopra D., Gulati K., Ivanovski S. Towards clinical translation: optimized fabrication of controlled nanostructures on implant-relevant curved zirconium surfaces. Nanomaterials. 2021;11(4):868. https://doi.org/10.3390/nano11040868

2. Lee D.B.N., Roberts M., Bluchel C.G., Odell R.A. Zirconium: biomedical and nephrological applications. ASAIO Journal. 2010;56:550—556. https://doi.org/10.1097/MAT.0b013e3181e73f20

3. Rosalbino F., Macciò D., Giannoni P., Quarto R., Saccone A. Study of the in vitro corrosion behavior and biocompatibility of Zr—2,5Nb and Zr—1.5Nb—1Ta (at.%) crystalline alloys. Journal of Materials Science: Materials in Medicine. 2011;22:1293—1302. https://doi.org/10.1007/s10856-011-4301-z

4. Головин К.И. Клинико-экспериментальное обоснование ортопедического лечения с применением внутрикостных винтовых имплантатов из циркония: Автореф. дис. канд. мед. наук. М.: Московский государственный медико-стоматологический университет, 2002.

5. AlFarraj A.A., Sukumaran A., Al Amri M.D., Van Oirschot A.B., Jansen J.A. A comparative study of the bone contact to zirconium and titanium implants after 8 weeks of implantation in rabbit femoral condyles. Odontology. 2018;106:37—44. https://doi.org/10.1007/s10266-017-0296-3

6. He X., Reichl F.-X., Milz S., Michalke B., Wu X., Sprecher C.M., Yang Y., Gahlert M., Röhling S., Kniha H., Hickel R., Högg C. Titanium and zirconium release from titanium- and zirconia implants in mini pig maxillae and their toxicity in vitro. Dental Materials. 2020;36: 402—412. https://doi.org/10.1016/j.dental.2020.01.013

7. Valiev R.Z., Zhilyaev A.P., Langdon T.G. Bulk nanostructured materials: fundamentals and applications. 1 st ed. Wiley, 2013.

8. Zhilyaev A.P., Valiev R.Z., Langdon T.G. Ultrafinegrained metallic materials and coatings. Advanced Engineering Materials. 2020;22(10):2001012. https://doi.org/10.1002/adem.202001012

9. Valiev R.Z., Parfenov E.V., Raab G.I., Semenova I.P., Dluhoš L. Bulk nanostructured metals for advanced medical implants and devices. In: IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 5 th International Conference Recent Trends in Structural Materials (14—16 November 2018). 2018;461:012089. https://doi.org/10.1088/1757-899X/461/1/012089

10. Terent’ev V.F., Dobatkin S.V., Nikulin S.A., Kopylov V.I., Prosvirin D.V., Rogachev S.O., Bannykh I.O. Effect of equal-channel angular pressing on the fatigue strength of titanium and a zirconium alloy. Russian Metallurgy (Metally). 2011;201:981—988. https://doi.org/10.1134/S0036029511100119

11. Nikulin S.A., Rozhnov A.B., Rogachev S.O., Khatkevich V.M., Turchenko V.A., Khotulev E.S. Investigation of structure, phase composition, and mechanical properties of Zr—2,5% Nb alloy after ECAP. Materials Letters. 2016;169:223—226. https://doi.org/10.1016/j.matlet.2016.01.148

12. Nikulin S.A., Rogachev S.O., Rozhnov A.B., Gorshenkov M.V., Kopylov V.I., Dobatkin S.V. Resistance of alloy Zr—2,5%Nb with ultrafine-grain structure to stress corrosion cracking. Metal Science and Heat Treatment. 2012;54:407—413. https://doi.org/10.1007/s11041-012-9522-3

13. Kukareko V.A., Kopylov V.I., Kononov A.G., Rogachev S.O., Nikulin S.A., Dobatkin S.V. Structural transformations during heating of a Zr—2,5%Nb alloy subjected to equal-channel angular pressing. Russian Metallurgy (Metally). 2010;2010:642—647. https://doi.org/10.1134/S0036029510070116

14. Gunderov D., Stotskiy A., Lebedev Y., Mukaeva V. Influence of HPT and accumulative high—pressure torsion on the structure and Hv of a zirconium alloy. Metals. 2021;11(4):573. https://doi.org/10.3390/met11040573

15. Chai L., Xia J., Zhi Y., Chen K., Wang T., Song B., Guo N. Strengthening or weakening texture intensity of Zr alloy by modifying cooling rates from α + β region. Materials Chemistry Physics. 2018;213:414—421.

16. Kishore R., Singh R.N., Dey G.K., Sinha T.K. Age hardening of cold-worked Zr—2,5wt%Nb pressure tube alloy. Journal of Nuclear Materials. 1992;187:70—73. https://doi.org/10.1016/0022-3115(92)90320-K

17. Страумал Б.Б., Заворотнев Ю.Д., Давдян Г.С. Кручение под высоким давлением и фазовые превращения в металлических сплавах. Физика и техника высоких давлений. 2022;32(4):5—29.

18. Глезер А.М., Сундеев Р.В., Шалимова А.В., Метлов Л.С. Физика больших пластических деформаций. Успехи физических наук. 2023;193(1):33—62. https://doi.org/10.3367/UFNr.2021.07.039024

19. Гундеров Д.В. Некоторые закономерности аморфизации и нанокристаллизации при интенсивной пластической деформации кристаллических и аморфных многокомпонентных сплавов. Исследовано в России (электронный журнал). 2006;151:1404—1413.

20. Разумов И.К., Ермаков А.Е., Горностырев Ю.Н., Страумал Б.Б. Неравновесные фазовые превращения в сплавах при интенсивной пластической деформации. Успехи физических наук. 2020;190:785—810. https://doi.org/10.3367/UFNe.2019.10.038671

21. Тейтель И., Метлов Л.С., Гундеров Д.В., Корзников А.В. О природе индуцируемых интенсивными пластическими деформациями структурных и фазовых превращениях в твердых телах. Физика металлов и металловедение. 2012;113(12):1—8.

22. Chai L., Xia J., Zhi Y., Chen K., Wang T., Song B., Guo N. Strengthening or weakening texture intensity of Zr alloy by modifying cooling rates from α + β region. Materials Chemistry and Physics. 2018;213:414—421. https://doi.org/10.1016/j.matchemphys.2018.04.044