ЗАКОНОМЕРНОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ И ДЕГРАДАЦИИ МИКРОСТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ НОВЫХ УЛЬТРАМЕЛКОЗЕРНИСТЫХ НИЗКОМОДУЛЬНЫХ СПЛАВОВ СИСТЕМЫ Ti–Nb–Mo–Zr

Исследованы закономерности формирования ультрамелкозернистой (УМЗ) и субмикрокристаллической (СМК) структур в новых безникелевых низкомодульных титановых β-сплавах системы Ti–Nb–Mo–Zr в условиях воздействия пластической деформации. Определены температурно-временные интервалы развития процессов динамической рекристаллизации при одновременном влиянии температуры и пластической деформации. На примере сплава Ti–28Nb–8Mo–12Zr построена и проанализирована диаграмма рекристаллизации второго рода. В изучаемых титановых сплавах с использованием растровой электронной микроскопии и метода дифракции обратно-рассеянных электронов установлена возможность получения УМЗ-структуры с размером зерен не более 7 мкм при высокой доле большеугловых границ зерен. Показано, что формирование УМЗ-структуры приводит к заметному увеличению прочностных и пластических характеристик исследуемых сплавов. Изучены закономерности формирования УМЗи СМК-структур при воздействии пластической деформации в сплаве Ti–28Nb–8Mo–12Zr (метод продольной прокатки) и в промышленном β-сплаве ВТ30 (метод поперечно-винтовой прокатки). Поперечно-винтовая прокатка позволяет получить однородное УМЗ-состояние в сплаве ВТ30, в отличие от разработанного β-сплава Ti–28Nb–8Mo–12Zr, в котором данный метод приводит к разуплотнению структуры в центральной области с образованием микропор и микротрещин. Для этого сплава удается сформировать наноструктурированное состояние со средним размером зерен порядка 100 нм при использовании обработки методом кручения под высоким давлением.

1. Колобов Ю.Р. Технологии формирования структуры и свойств титановых сплавов для медицинских имплантатов с биоактивными покрытиями // Российские нанотехнологии. 2009. No. 11—12. С. 69—81.

2. Stráskýa J., Harcubaa P., Václavováa K., Horváth K., Landa M., Srba O., Janeček M. Increasing strength of a biomedical Ti—Nb—Ta—Zr alloy by alloying with Fe, Si and O // J. Mechan. Behav. Biomed. Mater. 2017. Vol. 71. P. 329—336.

3. Wong J.Y., Bronzino J.D. Biomaterials. Boca Raton: CRC Pres, Taylor & Francis Group, 2007.

4. Gunawarman B., Niinomi M., Akahori T., Souma T., Ikeda M., Tada H. Mechanical properties and microstructure of low cost β-titanium alloys for healthcare applications // Mater. Sci. Eng. C. 2005. Vol. 25. No. 3. P. 304—311.

5. Geetha M., Singh A.K., Asokamani R., Gogia A.K. Ti based biomaterials, the ultimate choice for orthopedic implants: A review // Progr. Mater. Sci. 2009. Vol. 54. P. 397—425.

6. Yaszemski M.J., Trantolo D.J., Lewandrowski K., Hasirci V. Biomaterials in orthopedics. N.Y.: Marcel Dekker, 2004.

7. Long Marc, Rack H.J. Titanium alloys in total joint replacement — a material science perspective // Biomaterials. 1998. Vol. 19. P. 1621—1639.

8. Эппле M. Биоматериалы и биоминерализация / Пер. с нем. под ред. В.Ф. Пичугина, Ю.П. Шаркеева, И.А. Хлусова. Томск: Ветер, 2007.

9. Peterson D.R., Bronzino J.D. Biomechanics principles and applications. Boca Raton: CRC Pres, Taylor & Francis Group, 2008.

10. Niinomi M., Nakai M., Heida J. Development of new metallic alloys for biomedical applications // Acta Biomater. 2012. Vol. 8. I. 11. P. 3888—3903.

11. Leyens C., Peter M. Titanium and titanium alloys: Fundamentals and applications. Weinheim: Wiley-VCH, 2003.

12. Ranter B.D., Hoffman A.S., Schoen F.J., Lemons J.E. Biomaterials science: An introduction to materials in medicine. 2-nd ed. San Diego: Elsevier Academic Press, 2004.

13. Hanawa T., Hiromoto S., Yamamoto A. Metallic biomaterials in body fluid and their surface modification // Structural biomaterials for the 21 century. New Orleans: TMS, 2001. P. 145—154.

14. Niinomi M. Recent research and development in titanium alloys for biomedical applications and healthcare goods // Sci. Technol. Adv. Mater. 2003. Vol. 4. P. 445—454.

15. Lee C.M., C.P. Ju, Lin J.H. Chern. Structure-property relationship of cast Ti—Nb alloys // J. Oral Rehabilitation. 2002. Vol. 29. P. 314—322.

16. Коллеров М.Ю., Ильин А.А., Скворцова С.В. Влияние системы и степени легирования на характеристики эффекта запоминания формы титановых сплавов // Металлы. 2001. No. 2. С. 74—78.

17. Шереметьев В.А., Прокошкин С.Д., Браиловский В., Дубинский С.М., Коротицкий А.В., Филонов С.М., Петржик М.И. Исследование стабильности структуры и сверхупругого поведения термомеханически обработанных сплавов с памятью формы Ti—Nb—Zr и Ti—Nb—Ta // Физика металлов и металловедение. 2015. Т. 116. No. 4. С. 437—448.

18. Конопацкий А.С., Жукова Ю.С., Дубинский С.М., Коробкова А.А., Филонов М.Р., Прокошкин С.Д. Микроструктурa слитков сверхупругих сплавов на основе Ti— Nb медицинского назначения // Металлург. 2016. No. 2. С. 89—93.

19. Niinomi M. Metallic biomaterials // Jaр. Soc. Artif. Org. 2008. Vol. 11. No. 3. P. 105—110.

20. Sakaguchi N., Niinomi M., Akahori T., Takeda J., Toda H. Relationships between tensile deformation behavior and microstructure in Ti—Nb—Ta—Zr system alloys // Mater. Sci. Eng. C. 2005. No. 25. P. 363—369.

21. Conzalez M., Pena J., Manero J.M., Arciniegas M., Gil F.J. Design and characterization of new Ti—Nb—Hf alloys // J. Mater. Eng. Perform. 2009. Vol. 18 (5–6). P. 490—495.

22. Nitta K., Watanabe S., Masahashi N. Ni-free Ti—Nb—Sn shape memory alloys // Structural biomaterials for the 21 century. New Orleans: TMS, 2001. P. 25—34.

23. Kawashima A., Watanabe S., Asami K., Hanada S. XPS study of corrosion behavior of Ti—18Nb—4Sn shape memory alloy in a 0,05 mass.% HCl solution // Mater. Trans. 2003. Vol. 44. No. 7. P. 1405—1411.

24. Колобов Ю.Р., Валиев Р.З., Грабовецкая Г.П. Зернограничная диффузия и свойства наноструктурных материалов. Новосибирск: Наука, 2001.

25. Колобов Ю.Р., Липницкий А.Г., Иванов М.Б., Голосов Е.В. Роль диффузионно-контролируемых процессов в формировании структуры и свойств металлических наноматериалов // Композиты и наноструктуры. 2009. No. 2. С. 5—24.

26. Андриевский Р.А., Глезер А.М. Прочность наноструктур // Успехи физ. наук. 2009. Т. 179. No. 4. С. 337— 358.

27. Dubinskiy S., Brailovski V., Prokoshkin S., Pushin V., Inaekyan K., Sheremetyev V., Petrzhik M., Filonov M. Structure and properties of Ti—19,7Nb—5,8Ta shape memory alloy subjected to thermomechanical Processing including aging // J. Mater. Eng. Perform. 2013. Vol. 22. I. 9. P. 2656—2664.

28. Hao Y.L., Zhang Z.B., Li S.J., Yang R. Microstructure and mechanical behavior of a Ti—24Nb—4Zr—8Sn alloy processed by warm swaging and warm rolling // Acta Mater. 2012. Vol. 60. P. 2169—2177.

29. Václavováa K., Stráskýa J., Veselý J., Gatina S., Polyakova V., Semenova I., Janeček M. Evolution of microstructure and microhardness in Ti—15Mo β-Ti alloy prepared by high pressure torsion // Mater. Sci. Forum. 2016. Vol. 879. I. 9. P. 2555—2560.

30. Gatina S., Semenova I., Leuthold J., Valiev R. Nanostructuring and phase transformations in the β-Alloy Ti-15Mo during high-pressure torsion // Adv. Eng. Mater. 2015. Vol. 17. No. 12. P. 1742—1747.

31. Janeček M., Čížek J., Stráskýa J., Václavováa K., Hruška P., Polyakova V., Gatina S., Semenova I. Microstructure evolution in solution treated Ti15Mo alloy processed by high pressure torsion // Mater. Charact. 2014. Vol. 98. P. 233—240.

32. Yilmazer H., Niinomi M., Nakai M., Cho K., Hieda J., Todaka Y., Miyazaki T. Mechanical properties of a medical β-type titanium alloy with specific microstructural evolution through high-pressure torsion // Mater. Sci. Eng. C. 2013. Vol. 33. P. 2499—2507.

33. Golosova O.A., Ivanov M.B., Vershinina T.N., Kolobov Yu.R. Structure and properties of low modulus titanium alloy Ti—26Nb—7Mo—12Zr // Mater. Sci. Technol. 2013. Vol. 29. No. 2. P. 204—209.

34. Бетехтин В.И., Колобов Ю.Р., Голосова О.А., Кардашев Б.К., Кадомцев А.Г., Нарыкова М.В., Иванов М.Б., Вершинина Т.Н. Упруго-пластические свойства низкомодульного β-сплава на основе титана // Журн. техн. физики. 2013. Т. 83. Вып. 10. С. 38—43.

35. Betekhtin V.I., Kolobov Yu.R., Golosova O.A., Dvorak J., Sklenicka V., Kardashev B.K., Kadomtsev A.G., Narykova M.V., Ivanov M.B. Elastic modulus, microplastic properties and durability of titanium alloys for biomedical applications // Rev. Adv. Mater. Sci. 2016. Vol. 45. No. 1/2. P. 42—51.

36. Кудряшов С.И., Голосова О.А., Колобова А.Ю., Колобов Ю.Р., Голосов Е.В. Сравнительное исследование особенностей наноструктурирования поверхностного рельефа αи β-титановых сплавов при импульсном фемтосекундном лазерном облучении // Композиты и наноструктуры. 2014. Т. 6. No. 3. С. 2—11.

37. Колобов Ю.Р., Голосов Е.В., Раточка И.В. Особенности субмикрокристаллической структуры и ее влияние на механические свойства титановых сплавов // Вопр. материаловедения. 2008. T. 2 (54). С. 43—50.