Открытый доступ Открытый доступ  Ограниченный доступ Платный доступ или доступ для подписчиков

Влияние легирования гафнием на структуру, фазовый состав и свойства холоднодеформированных биосовместимых сплавов Zr51–хTi31Nb18Hfx (x = 2 – 10 ат. %), подвергнутых отжигу

С. В. Гриб, С. М. Илларионова, А. С. Юровских, А. Г. Илларионов

Аннотация


Исследованы холоднодеформированные биосовместимые сплавы Zr51–хTi31Nb18Hfx (x = 2 – 10 ат. %) после отжига при 700 °C, 1 ч с охлаждением в печи. Изучены структура, фазовый состав и текстура сплавов с использованием методов рентгеноструктурного фазового анализа, растровой электронной микроскопии с приставкой для дифракции обратно-рассеянных электронов и микроиндентирования. Проведены механические, испытания на растяжение. На основе методик, отработанных на титановых сплавах, предложена формула расчета температуры перехода сплавов циркония в однофазную β-область (температуры полиморфного превращения Тпп ). По полученной формуле рассчитаны Тпп исследуемых сплавов. Показано, что снижение содержания гафния в сплавах способствует более полному протеканию рекристаллизации и торможению распада матричного b-твердого раствора при отжиге с образованием различных вторых фаз (ω, α′, α). Рассмотрено влияние легирования гафнием на текстурное состояние сплавов при отжиге. Установлена взаимосвязь формируемого структурно-фазового состояния в отожженных сплавах с комплексом их физических и механических свойств. Разработаны рекомендации по содержанию гафния в сплавах исследуемой системы, обеспечивающему сбалансированный комплекс свойств.

Ключевые слова


цирконий; титан; ниобий; биосовместимый сплав; легирование гафнием; холодная деформация; отжиг; фазовый состав; структура; свойства

Полный текст:

PDF

Литература


Эмсли Дж. Элементы. М.: Мир, 1993. 256 с.

Biesiekierski A., Wang J., Gepreel M. A.-H., Wen C. A new look at biomedical Ti-based shape memory alloys // Acta Biomater. 2012. V. 8. P. 1661 – 1669. DOI: 10.1016/j.actbio. 2012.01.018

Mehjabeen A., Song T., Xu W. et al. Zirconium alloys for orthopaedic and dental applications // Advanced Engineering Materials. 2018. V. 20, Is. 9. P. 1 – 21. [1800207]. DOI: 10.1002/adem.201800207

Sollazzo V., Pezzetti F., Scarano A. et al. Zirconium oxide coating improves implant osseointegration in vivo // Dent. Mater. 2008. V. 24, Is. 3. P. 357 – 361. DOI: 10.1016/ j.dental.2007.06.003

Nomura N., Tanaka Y., Suyalatu et al. Effects of phase constitution of Zr – Nb alloys on their magnetic susceptibilities // Mater. Trans. 2009. V. 50, Is. 10. P. 2466 – 2472. DOI: 10.2320/matertrans.M2009187

Miracle D. B., Senkov O. N. A critical review of high entropy alloys and related concepts // Acta Materialia. 2017. V. 122. P. 448 – 511. DOI: 10.1016/j.actamat.2016.08.081

Крылова А. И., Сотникова Е. А., Гольбиц А. Б. Лучевые исследования с контрастным усилением у детей. Обзор // Педиатрия. 2016. T. 7, № 1. С. 111 – 119. DOI: 10.17816/ PED71111-119

Kaur Manmeet, Singh K. Review on titanium and titanium based alloys as biomaterials for orthopaedic applications // Materials Science and Engineering: C. 2019. V. 102. P. 844 – 862. DOI: 10.1016/j.msec.2019.04.064

Skyba I. O., Karasevska O. P., Mordyuk B. M. et al. Effect of strain-induced    transformation on mechanical behaviour of -titanium and -zirconium alloys // Metallofizika i Noveishie Tekhnologii. 2009. V. 31, No. 11. P. 1573 – 1587.

Murray J. L. The Ti – Zr (titanium-zirconium) system // Bulletin of Alloy Phase Diagrams. 1981. V. 2, Is. 2. P. 197 – 201. DOI: 10.1007/BF02881478

Shiraishi T., Yubuta K., Shishido T., Shinozaki N. Elastic properties of as-solidified Ti – Zr binary alloys for biomedical applications // Materials Transactions. 2016. V. 57, Is. 12. P. 1986 – 1992. DOI: 10.2320/matertrans.MI201501

Sass S. L. The structure and decomposition of Zr and Ti b.c.c. solid solutions // Journal of the Less Common Metals. 1972. V. 28, Is. 1. P. 157 – 173. DOI: 10.1016/0022-5088(72)90177-4

Khripta N. I., Mordyuk B. N., Karasevskaya O. P. Influence of structural and phase transformations initiated by ultrasonic shock treatment on the corrosion resistance of alloys based on zirconium // Metallofizika i Noveishie Tekhnologii. 2008. Special Issue. V. 30. P. 369 – 382.

Grib S. V., Ivasishin O. M., Illarionov A. G., Popov A. A. Influence of cold plastic deformation on the structure and physicomechanical properties of the biocompatible low-modulus Zr51Ti31Nb18 alloy // Physics of Metals and Metallography. 2019. V. 120, Is. 8. P. 790 – 795. DOI: 10.1134/S0031918X19080040

Ивасишин О. М., Попов А. А., Карасевская О. П. и др. Фазовые и структурные превращения в низкомодульном Zr – Ti – Nb сплаве при дополнительном легировании гафнием // Biсник УМТ. 2011. № 1(4). С. 20 – 30.

Abriata J. P., Bolcich J. C., Peretti H. A. The Hf – Zr (hafnium-zirconium) system // Bulletin of Alloy Phase Diagrams. 1982. V. 3. P. 29 – 34. DOI: 10.1007/BF02873408

Murray J. L. The Hf – Ti (hafnium-titanium) system // Bulletin of Alloy Phase Diagrams. 1981. V. 2. P. 181 – 185. DOI: 10.1007/BF02881475

Батаева З. Б., Руктуев А. А., Иванов И. В. и др. Обзор исследований сплавов, разработанных на основе энтропийного подхода // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). 2021. Т. 23, № 2. С. 116 – 146. DOI: 10.17212/1994-6309-2021-23.2-116-146

Колачев Б. А., Егорова Ю. Б., Белова С. Б. О связи температуры  +   -перехода промышленных титановых сплавов с их химическим составом // МиТОМ. 2008. № 8(638). С. 10 – 14.

Murray J., Peruzzi A., Abriata J. P. The Al – Zr (aluminum-zirconium) system // Journal of Phase Equilibria. 1992. V. 13. P. 277 – 291. DOI: 10.1007/BF02667556

Okamoto H. Be – Zr (beryllium-zirconium) // Journal of Phase Equilibria and Diffusion. 2008. V. 29. P. 115. DOI: 10.1007/s11669-007-9179-6

Arias D., Abriata J. P. The Cr – Zr (chromium – zirconium) system // Bulletin of Alloy Phase Diagrams. 1986. V. 7. P. 237 – 244. DOI: 10.1007/BF02868997

Okamoto H. Cu – Zr (copper – zirconium) // Journal of Phase Equilibria and Diffusion. 2012. V. 33. P. 417 – 418. DOI: 10.1007/s11669-012-0077-1

Arias D., Abriata J. P. The Fe – Zr (iron – zirconium) system // Bulletin of Alloy Phase Diagrams. 1988. V. 9. P. 597 – 604. DOI: 10.1007/BF02881963

Zuzek E., Abriata J. P., San-Martin A. F. D. The H – Zr (hydrogen – zirconium) system // Bulletin of Alloy Phase Diagrams. 1990. V. 11. P. 385 – 395. DOI: 10.1007/BF02843318

Schlesinger M. E. The Mn – Zr (manganese – zirconium) system // Journal of Phase Equilibria. 1999. V. 20. P. 79 – 83. DOI: 10.1361/105497199770335983

Okamoto H. Mo – Zr (molybdenum-zirconium) system // Journal of Phase Equilibria. 2003. V. 24. P. 279. DOI: 10.1361/105497103770330686

Gribaudo L., Arias D., Abriata J. The N – Zr (nitrogen-zirconium) system // Journal of Phase Equilibria. 1994. V. 15. P. 441 – 449. DOI: 10.1007/BF02647575

Okamoto H. Nb – Zr (niobium – zirconium) // Journal of Phase Equilibria. 1992. V. 13. P. 577. DOI: 10.1007/ BF02665776

Okamoto H. Ni – Zr (nickel – zirconium) // Journal of Phase Equilibria and Diffusion. 2007. V. 28. P. 409. DOI: 10.1007/ s11669-007-9120-z

Okamoto H. O – Zr (oxygen – zirconium) // Journal of Phase Equilibria and Diffusion. 2007. V. 28. P. 498. DOI: 10.1007/ s11669-007-9154-2

Palenzona A., Ciraflci S. The Sc – Zr (scandium – zirconium) system // Journal of Phase Equilibria. 1991. V. 12. P. 53 – 56. DOI: 10.1007/BF02663675

Okamoto H. Sn – Zr (tin – zirconium) // Journal of Phase Equilibria and Diffusion. 2010. V. 31. P. 411 – 412. DOI: 10.1007/s11669-010-9734-4

Okamoto H. Ta – Zr (tantalum – zirconium) // Journal of Phase Equilibria. 1996. V. 17. P. 555. DOI: 10.1007/ BF02666009

Okamoto H. Supplemental literature review of binary phase diagrams: Ag – Yb, Al – Co, Al – I, Co – Cr, Cs – Te, In – Sr, Mg – Tl, Mn – Pd, Mo – O, Mo – Re, Ni – Os, and V – Zr // Journal of Phase Equilibria and Diffusion. 2016. V. 37. P. 726 – 737. DOI: 10.1007/s11669-016-0487-6

Добромыслов А. В., Талуц Н. И. Структура циркония и его сплавов. Екатеринбург: УрО РАН, 1997. 228 с.

Aurelio G., Fernaçndez Guillermet A., Cuello G. J., Campo J. Metastable phases in the Ti – V system: Part I. Neutron diffraction study and assessment of structural properties // Metallurgical and Materials Transactions A. 2002. V. 33. P. 1307 – 1317. DOI: 10.1007/s11661-002-0057-x

Abriata J. P., Bolcich J. C. The Nb – Zr (niobium – zirconium) system // Bulletin of Alloy Phase Diagrams. 1982. V. 3. P. 34 – 44. DOI: 10.1007/BF02873409

Hatt B. A., Roberts J. A., Williams G. I. Occurrence of the metastable omega phase in zirconium alloys // Nature. 1957. V. 180. P. 1406. DOI: 10.1038/1801406a0

Khrunyk Y. Y., Ehnert S., Grib S. V. et al. Synthesis and characterization of a novel biocompatible alloy, Ti – Nb – Zr – Ta – Sn // Int. J. Mol. Sci. 2021. V. 22, Is. 19. P. 10611. DOI: 10.3390/ijms221910611

Бородкина М. М., Спектор Э. Н. Рентгенографический анализ текстуры металлов и сплавов. М.: Металлургия. 1981. 272 с.

Yang X. L., Xu Y. B., Tan X. D., Wu D. Influences of crystal-lography and delamination on anisotropy of Charpy impact toughness in API X100 pipeline steel // Materials Science and Engineering: A. 2014. V. 607. P. 53 – 62. DOI: 10.1016/ j.msea.2014.03.121

Cai S., Daymond M. R., Khan A. K. et al. Elastic and plastic properties of Zr at room temperature // Journal of Nuclear Materials. 2009. V. 393, Is. 1. P. 67 – 76. DOI: 10.1016/ j.jnucmat.2009.05.007

Karre R., Niranjan M. K., Dey S. R. First principles theoretical investigations of low Young’s modulus beta Ti – Nb and Ti – Nb – Zr alloys compositions for biomedical applications // Materials Science and Engineering: C. 2015. V. 50. P. 52 – 58. DOI: 10.1016/j.msec.2015.01.061

Yan X. H., Ma J., Zhang Y. High-throughput screening for biomedical applications in a Ti – Zr – Nb alloy system through masking co-sputtering // Science China Physics, Mechanics & Astronomy. 2019. V. 62, Is. 9. P. 996111. DOI: 10.1007/ s11433-019-9387-7




DOI: https://doi.org/10.30906/mitom.2025.1.40-48

© Издательский дом «Фолиум», 1998–2025