Численное моделирование термодинамических и физико-механических свойств сплава системы Ti-Nb, полученного с использованием аддитивной технологии электронно-лучевого плавления

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
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.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 20-73-10223

НазваниеЧисленное моделирование термодинамических и физико-механических свойств сплава системы Ti-Nb, полученного с использованием аддитивной технологии электронно-лучевого плавления

Руководитель Грубова Ирина Юрьевна, кандидат наук (признаваемый в РФ PhD)

Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский политехнический университет" , Томская обл

Конкурс №50 - Конкурс 2020 года «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Область знания, основной код классификатора 03 - Химия и науки о материалах; 03-603 - Фундаментальные основы создания новых металлических, керамических и композиционных материалов

Ключевые слова Теория функционала плотности, расчёты из первых принципов, аддитивные технологии, сплавы титана, электронно-лучевое плавление

Код ГРНТИ29.03.77, 76.09.43, 76.09.31

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Основными областями использования новых разрабатываемых материалов являются биомедицинские приложения, где в настоящее время применяются имплантаты на основе сплава титана ВТ6, подвергающиеся многоцикловым нагрузкам, что в результате существенных отличий от свойств костной ткани, приводит к расшатыванию имплантатов и их отказу. Планируемые к получению и исследованию в рамках данного проекта сплавы титана с ниобием, которые обладают более близкими к костной ткани физико-механическими свойствами, обеспечивающими прочную фиксацию имплантата в кости, в настоящее время является одним из ключевых направлений исследований во всех развитых странах. Проект направлен на получение и исследование новых типов бэта-сплавов титана на основе системы Ti-Nb с эффектом памяти формы с использованием аддитивной технологии электронно-лучевого плавления. Основой проекта является проведение ab-initio моделирования и экспериментальные исследования механизмов жидкофазного перемешивания легированных (pre-alloyed) порошков титана и ниобия, что обеспечит получение сплава титана с заданным химическим, фазовым составом и микроструктурой, а также наиболее оптимальными для успешного клинического использования физико-механическими характеристиками (более низкие значения модуля Юнга по сравнению с известными используемыми сплавами титана и эффект сверхупругости в области комнатной температуры). Впервые будут также проведены исследования влияния концентрации легирующего элемента на процессы сегрегации и оксидирования сплавов системы Ti-Nb. В рамках данного проекта впервые будет проведено численное моделирование с использованием первопринципного (ab initio) подхода термодинамических и физико-механических характеристик сплавов титана системы Ti-Nb, полученного методом электронно-лучевого плавления. Будут рассмотрены вопросы определения остаточных напряжений, возникающих в процессе получения сплава методом электронно-лучевого плавления порошка титана легированного ниобием, при помощи математического моделирования процессов, вызывающих их появление. Отдельной задачей высокой практической важности является исследование аддитивных электронно-лучевых способов синтеза сплавов титана с эффектом памяти формы, обладающие возможностью восстановления приложенной деформации. Планируется исследовать поведение сплавов титана под различной нагрузкой, что сопровождается микроструктурными изменениями, в частности, приводящими к деформации и разрушению. Более того, в рамках проекта, с использованием пакета ANSYS планируется проведение численного моделирования влияния состава (при различном содержании Nb в титановой матрице) и микроструктуры на физико-механические свойства сплава. Особое внимание в проекте будет уделено исследованию физических механизмов зарождения и эволюции микродеформаций при различных термомеханических нагружениях и физико-механическим свойствам сплава, полученного электронно-лучевым плавлением порошка титана, легированного ниобием. Будет исследована задача, заключающаяся в формировании и развитии магистральных трещин и последующему переходу к макроразрушению. Также в рамках проекта будет проведено исследование усталостного разрушения, полученного послойным электронно-лучевым синтезом сплава системы титан-ниобий, в том числе с точки зрения особенностей зарождения и развития микро- и макродеформаций в образцах при различных параметрах цикла, влиянию на развитие микродеформаций размера зерна, границ зерен, межфазной границы и т.д. Планируется провести корреляцию между результатами численного моделирования и экспериментальными результатами исследований, что позволит прогнозировать и оптимизировать способы получения скэффолдов с заранее заданными свойствами аддитивными методами.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Сурменева М., Грубова И., Глухова Н., Храпов Д., Коптюг А., Волкова А., Иванов Ю., Котруть К., Владеску А., Тересов А., Коваль Н., Тюрин А., Суренев Р. New Ti–35Nb–7Zr–5Ta alloy manufacturing by electron beam melting for medical application followed by high current pulsed electron beam treatment MDPI Metals (год публикации - 2021)

2. Ирина Грубова, Мария Козадаева, Анастасия П. Волкова, Дмитрий Храпов, Роман Сурменев, Андрей Коптюг, Алина Владеску, Александр Тюрин, Мария Сурменева Process Window for Electron Beam Melting of Ti–42Nb wt.% Journal of Materials Research and Technology (год публикации - 2023)

3. Ирина Ю. Грубова, Сурменев Роман А., Нейц Эрик Ц., Коптюг Андрей В., Волкова Анастасия Павловна, Сурменева Мария А. A combined first principles and experimental study on the microstructure and mechanical characteristics of the multicomponent additive-manufactured Ti–35Nb–7Zr–5Ta alloy ACS OMEGA (год публикации - 2023)

4. Мария Козадаева, Мария Сурменева, Дмитрий Храпов, Владимир Рыбаков Владимир Рыбаков, Роман Сурменев, Андрей Коптюг, Алина Владеску (Драгомир), Косьмин Михай Котрут, Александр Тюрин, Ирина Грубова Assessment of Microstructural, Mechanical and Electrochemical Properties of Ti–42Nb Alloy Manufactured by Electron Beam Melting Materials, MDPI, Materials 2023, 16(13), 4821 (год публикации - 2023)
10.3390/ma16134821

5. Ирина Ю. Грубова, Роман А. Сурменев, Эрик С. Нейтс, Андрей В. Коптюг, Анастасия П. Волкова, Мария А. Сурменева A combined first principles and experimental study on the microstructure and mechanical characteristics of the multicomponent additive-manufactured Ti–35Nb–7Zr–5Ta alloy The Journal of Physical Chemistry C (год публикации - 2022)

Публикации