КАРТОЧКА ПРОЕКТА,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

НазваниеИсследование особенностей функционального термомеханического поведения новых сплавов системы Ti-Zr-Nb с эффектами памяти формы и сверхупругости в зависимости от их состава и структурного состояния.

РуководительДубинский Сергей Михайлович, Кандидат технических наук

Организация финансирования, регионФедеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСИС", г Москва

КонкурсКонкурс 2021 года «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Аннотация
Проводимые в настоящее время исследования сплавов с памятью формы системы Ti-Zr-Nb носят, прежде всего, поисковый и прикладной характер, обусловленный необходимостью выяснения перспективности и возможных границ использования этих сплавов для замены традиционных титановых сплавов и сплавов с памятью формы системы Ti-Ni в медицине. Большинство этих исследований направлено на получение заданного комплекса свойств для медицинского применения, что накладывает, в свою очередь, ограничения на химические составы сплавов, методы обработки, типы формируемой в них структуры, температурные интервалы проявления функциональных свойств сплавов и не требует глубокого исследования процессов, протекающих в материале вне условий эксплуатации. Таким образом, отсутствуют систематические исследования проявления эффектов сверхупругости, памяти формы, а главное - особенностей фазовых и структурных превращений, обеспечивающих реализацию этих эффектов в сплавах системы Ti-Zr-Nb в широком интервале составов, структурных состояний и температур. В этой связи представляется актуальным определение закономерностей формирования структуры и ее влияния на особенности реализации и условия деградации нелинейного механического поведения сверхупругих биосовместимых сплавов с памятью формы системы Ti-Zr-Nb нового поколения, с повышенным теоретическим ресурсом обратимой деформации, в широком диапазоне температур и деформаций. Такая постановка проблемы, на решение которой направлен проект, определяет его научную новизну. Впервые будет проведено систематическое экспериментальное исследование структурных, механических и термомеханических характеристик сплавов, а также процессов деградации структуры и свойств сплавов в ходе испытаний. Комплексные экспериментальные исследования позволят получить четкое представление о влиянии температуры, химического состава, фазового состава и структурных характеристик матрицы и выделяющихся фаз на параметры эффектов памяти формы и сверхупругости, модуля упругости поликристалла и их циклической стойкости в сплавах с памятью формы системы Ti-Zr-Nb. Экспериментальное исследование in situ в совокупности с теоретическим анализом температурных зависимостей параметров решетки мартенсита и кристаллографического ресурса обратимой деформации позволит проверить обоснованность идеи о соответствии этих зависимостей существованию наследственной связи между элементарными ячейками мартенсита и высокотемпературной фазы. Все это сформирует глубокое понимание особенностей функционального поведения при реализации эффектов памяти формы и сверхупругости в сплавах Ti-Zr-Nb для широкого интервала температур и различных композиций, расширит и систематизирует знания о природе и особенностях сверхупругого поведения сплавов с памятью формы системы Ti-Zr-Nb. Полученные знания лягут в основу как дальнейшей оптимизации режимов обработки сплавов существующих составов для медицинского применения, так и поиска новых групп перспективных составов и режимов обработки, в том числе и для новых применений. Полученные знания позволят выйти на новый уровень понимания процессов протекающих в этих сплавах в ходе эксплуатации и более точно предсказывать поведение сплавов в тех или иных условиях.

Ожидаемые результаты
1. Температурная зависимость параметров решетки мартенсита и кристаллографического ресурса обратимой деформации СПФ Ti-Zr-Nb нового поколения, полученные методом рентгеновской дифрактометрии in situ. Результаты теоретического анализа температурных зависимостей параметров решетки мартенсита и кристаллографического ресурса обратимой деформации, позволяющие предсказать эти закономерности для всей концентрационно-температурной области проявления ЭПФ и сверхупругости в системе Ti-Zr-Nb и проверить обоснованность идеи о соответствии этих зависимостей существованию наследственной связи между элементарными ячейками мартенсита и высокотемпературной фазы. 2. Экспериментальные закономерности влияния температуры, химического и фазового составов, особенностей микроструктуры на механические свойства, эффекты памяти формы и сверхупругости, а также циклическую стабильность функциональных свойств и усталостную долговечность СПФ типа Ti-Zr-Nb. 3. Экспериментальные закономерности влияния температуры, времени старения, химического состава и размера зерна на кристаллическую структуру, морфологию ω-фазы и кинетику ее выделения в СПФ типа Ti-Zr-Nb, выявленные металлофизическими методами с разной локальностью анализа (рентгеноструктурный анализ, РЭМ, ПЭМ). 4 Результаты исследований деградации структуры и стабильности фазового состава в условиях функциональных усталостных испытаний СПФ типа Ti-Zr-Nb для различных исходных структурных состояний. 5. Определение механизмов деградации структурно-фазового состояния, оказывающих влияние на функциональное поведение СПФ типа Ti-Zr-Nb (эффект памяти формы и сверхупругость).

Аннотация результатов, полученных в 2021 году
1. Методами вакуумно-дуговой плавки получены однородные слитки сплавов с памятью формы с составами близкими к заданным: Ti-22Nb-6Zr, Ti-41Zr-12Nb и Ti-18Zr-15Nb (ат.%). Слитки имеют низкое содержание примесей. 2. В результате холодной прокатки со степенями е=0,3, 1,5 и 3 последующим последеформационным отжигом при 600, 700 и 800°С и длительностью от 5 до 180 мин. получены термомеханически обработанные образцы сплавов Ti-22Nb-6Zr, Ti-41Zr-12Nb и Ti-18Zr-15Nb с разными структурными состояниями β-фазы от ультрамелкозернистого до крупнозернистого. 3. Проведено исследование структуры методами световой и электронной микроскпоии и фазового состава методом рентгеновской дифрактометрии термомеханически обработанных образцов сплавов Ti-22Nb-6Zr, Ti-41Zr-12Nb и Ti-18Zr-15Nb. После умеренной пластической деформации е=0,3 с последеформационным отжигом формируется преимуществнно крупнозернистая структура с размером зерна 18…172 мкм, которая увеличивается с ростом температуры и времени отжига. Исключениями являются сплав Ti-22Nb-6Zr, где после термомеханической обработки е=0,3+600°С, 30 мин формируется большое количество пластин α или α”- фазы и сплав Ti-18Zr-15Nb, где после такой обработки формируется мелкозернистая структура со средним размером зерна 3,4 мкм. Увеличение пластической деформации до е=1,5 и е=3 приводит к формированию мелкозернистой структуры со средним размером зерна 1,1…4,2 мкм в случае последеформационного отжига 600°С, 30 мин. Повышение температуры и времени выдержки приводит к увеличению размера зерна и выхода его в крупнозернистую область размеров. Термомеханическая обработка по режиму е=3+600°С, 5 мин позволяет получить ультрамелкозернистую структуру со средним размером зерна 0,4…0,6 мкм во всех трех сплавах. При этом все термомеханически обработанные образцы сплавов Ti-22Nb-6Zr, Ti-41Zr-12Nb и Ti-18Zr-15Nb находятся в однофазном состоянии β-фазы: вне зависимости от размера зеренной структуры: субмикронной, мелкозернистой или крупнозернистой. Увеличение степени деформации от умеренной е=0,3 к интенсивной е=1,5 и 3 приводит к сильному текстурированию β-фазы. 4. Исследовано влияние состава и структурного состояния на кристаллографический ресурс обратимой деформации сплавов с памятью формы Ti-Zr-Nb. Так повышение содержания циркония в сплаве Ti-Zr-Nb приводит к увеличению кристаллографического ресурса обратимой деформации. Самый большой кристаллографический ресурс обратимой деформации у сплава Ti-41Zr-12Nb и составляет 7,2%, а самый маленький у Ti-22Nb-6Zr – 3,6%. Причем разница кристаллографического ресурса между сплавами Ti-41Zr-12Nb и Ti-18Zr-15Nb (εmax= 6,3) меньше чем между сплавами Ti-18Zr-15Nb и Ti-22Nb-6Zr. Измельчение зерна и переход сплавов Ti-Zr-Nb в ультрамелокозернистое состояние приводит к уменьшению кристаллографического ресурса обратимой деформации на 1…2% по сравнению с крупнозернистом состоянием в независимости от состава сплава. 5. Проведен анализ результатов исследования влияния различных структурных состояний на механические свойства СПФ системы Ti-Zr-Nb. Установлено, что сплав с повышенным содержанием Zr (Ti-41Zr-12Nb) проявляет низкую чувствительность к режиму термомеханической обработке, то есть комплекс механических свойств изменяется в узком диапазоне значений. При этом, наблюдается тенденция к увеличению характеристик, как и прочности, так и пластичности с ростом степени холодной деформации. Показано, что явное разделение на фазовый и дислокационный пределы текучести в условиях растяжения, подтверждающее протекание мартенситного превращения под нагрузкой, наблюдается у сплавов Ti-18Zr-15Nb и Ti-22Nb-6Zr в мелкозернистом и ультрамелкозернистом состояниях после отжига при температуре 600°С. Ультрамелкозернистая структура β-фазы, формирующаяся в сплавах Ti-18Zr-15Nb и Ti-22Nb-6Zr в результате термомеханической обработки по режиму е=3+600°С, 5 мин способствует проявлению наиболее высокого комплекса механических свойств, сочетающего высокую прочность, достаточную пластичность и низкий модуль Юнга.

Публикации

1. Дубинский С.М., Маркова Г.В., Баранова А.П., Введенский В.Ю., Минкова И.О., Прокошкин С.Д., Браиловский В. A non-typical Elinvar effect on cooling of a beta Ti-Nb-Zr alloy Materials Letters, 314 (2022) 131870 (год публикации - 2022).