RU2813079C1 - Способ получения упрочненного металломатричного композита на основе среднеэнтропийного сплава - Google Patents
Способ получения упрочненного металломатричного композита на основе среднеэнтропийного сплава Download PDFInfo
- Publication number
- RU2813079C1 RU2813079C1 RU2023126988A RU2023126988A RU2813079C1 RU 2813079 C1 RU2813079 C1 RU 2813079C1 RU 2023126988 A RU2023126988 A RU 2023126988A RU 2023126988 A RU2023126988 A RU 2023126988A RU 2813079 C1 RU2813079 C1 RU 2813079C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- tinbzr
- tib
- metal matrix
- titanium
- matrix composite
- Prior art date
Links
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 31
- 239000000956 alloy Substances 0.000 title claims abstract description 31
- 239000011156 metal matrix composite Substances 0.000 title claims abstract description 16
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims abstract description 10
- 239000010936 titanium Substances 0.000 claims abstract description 18
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 16
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 16
- QCWXUUIWCKQGHC-UHFFFAOYSA-N Zirconium Chemical compound [Zr] QCWXUUIWCKQGHC-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 13
- 229910052726 zirconium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 13
- 239000010955 niobium Substances 0.000 claims abstract description 12
- 229910052758 niobium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 11
- GUCVJGMIXFAOAE-UHFFFAOYSA-N niobium atom Chemical compound [Nb] GUCVJGMIXFAOAE-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 11
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 claims abstract description 7
- 238000005096 rolling process Methods 0.000 claims abstract description 7
- 238000010313 vacuum arc remelting Methods 0.000 claims abstract description 7
- 230000006835 compression Effects 0.000 claims abstract description 5
- 238000007906 compression Methods 0.000 claims abstract description 5
- 239000002131 composite material Substances 0.000 abstract description 15
- QYEXBYZXHDUPRC-UHFFFAOYSA-N B#[Ti]#B Chemical class B#[Ti]#B QYEXBYZXHDUPRC-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract description 8
- 229910033181 TiB2 Inorganic materials 0.000 abstract description 6
- 239000007943 implant Substances 0.000 abstract description 6
- 238000000034 method Methods 0.000 abstract description 4
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 abstract description 3
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 3
- 238000004663 powder metallurgy Methods 0.000 abstract description 3
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 3
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 abstract description 2
- 239000002184 metal Substances 0.000 abstract description 2
- 239000004411 aluminium Substances 0.000 abstract 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 7
- 230000000399 orthopedic effect Effects 0.000 description 6
- XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N Argon Chemical compound [Ar] XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 210000000988 bone and bone Anatomy 0.000 description 4
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 4
- 229910020018 Nb Zr Inorganic materials 0.000 description 3
- 229910052729 chemical element Inorganic materials 0.000 description 3
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 3
- 229910001040 Beta-titanium Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910001069 Ti alloy Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910052786 argon Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000012620 biological material Substances 0.000 description 2
- 238000011161 development Methods 0.000 description 2
- 230000003014 reinforcing effect Effects 0.000 description 2
- 238000012552 review Methods 0.000 description 2
- 238000009827 uniform distribution Methods 0.000 description 2
- 229910000599 Cr alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910019142 PO4 Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910000883 Ti6Al4V Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 description 1
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 1
- 230000007797 corrosion Effects 0.000 description 1
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 description 1
- 230000001054 cortical effect Effects 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 229910001325 element alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 1
- 229910000765 intermetallic Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000002844 melting Methods 0.000 description 1
- 230000008018 melting Effects 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
- 235000021317 phosphate Nutrition 0.000 description 1
- 150000003013 phosphoric acid derivatives Chemical class 0.000 description 1
- 239000004033 plastic Substances 0.000 description 1
- 239000004848 polyfunctional curative Substances 0.000 description 1
- 239000011148 porous material Substances 0.000 description 1
- 239000000843 powder Substances 0.000 description 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 1
- 239000010935 stainless steel Substances 0.000 description 1
- 229910001220 stainless steel Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000007858 starting material Substances 0.000 description 1
- 238000001356 surgical procedure Methods 0.000 description 1
- 238000009864 tensile test Methods 0.000 description 1
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 1
- 229910052720 vanadium Inorganic materials 0.000 description 1
- GPPXJZIENCGNKB-UHFFFAOYSA-N vanadium Chemical compound [V]#[V] GPPXJZIENCGNKB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
Abstract
Способ получения упрочненного металломатричного композита на основе среднеэнтропийного сплава относится к области порошковой металлургии, в частности к получению композиционных материалов с металлической среднеэнтропийной матрицей, упрочненных соединениями диборида титана. Данное изобретение может быть использовано в производстве имплантов для применения в травматологии, имплантологии и ортопедии. Способ включает получение металломатричного композита TiNbZr/TiB2 путем вакуумно-дугового переплава при рабочей температуре 3500°C в течение 60 минут высокочистых титана, циркония и алюминия, взятых в следующем процентном отношении: 33,4 ат.% титана, 33,3 ат.% ниобия, 33,3 ат.% циркония и с добавлением далее 0,7 вес.% TiB2 от общего веса матричного сплава TiNbZr. Далее осуществляют листовую прокатку полученного металломатричного композита TiNbZr/TiB2 при комнатной температуре до общей степени деформации 80% с обжатием за проход ~200 мкм, равным степени деформации 8%. 1 ил., 1 табл.
Description
Изобретение относится к области порошковой металлургии, в частности к получению композиционных материалов с металлической среднеэнтропийной матрицей, упрочненных соединениями диборида титана. Данное изобретение может быть использовано в производстве имплантов для применения в травматологии, имплантологии и ортопедии.
Бета титановые сплавы обладают низким модулем упругости, высокой удельной прочностью, отличной коррозионной стойкостью и биосовместимостью, что определяет их широкое использование в имплантологии, травматологии и ортопедии [Lai-Chang Zhang and Liang-Yu Chen. A Review on Biomedical Titanium Alloys: Recent Progress and Prospect. Adv. Eng. Mater. 2019, 21, 1801215]. Среднеэнтропийный эквиатомный сплав системы Ti-Nb-Zr [O.N. Senkov, S. Rao, K.J. Chaput, C. Woodward. Compositional effect on microstructure and properties of NbTiZr-based complex concentrated alloys. Acta Materialia 2018, 151, 201-215], состоящий из наиболее биосовместимых элементов, за счет комбинации высоких прочностных и пластических свойств является очень перспективным материалом для применения в ортопедической хирургии в виде костных имплантов [Sertan Ozan, Jixing Lin, Yuncang Li, Rasim Ipek, Cuie Wen. Development of Ti-Nb-Zr alloys with high elastic admissible strain for temporary orthopedic devices. Acta Biomaterialia 2015, 20, 176-187]. Сплав TiNbZr имеет существенно более низкий модуль Юнга (48-64 ГПа) по сравнению со сплавом Ti-6Al-4V (110 ГПа), нержавеющей сталью 316L (200 ГПа) и сплавами Co - Cr (210-232 ГПа) и близок к модулю упругости костной ткани (~ 27 ГПа) [Rho JY, Tsui TY, Pharr GM. Elastic properties of human cortical and trabecular lamellar bone measured by nanoindentation. Biomaterials 1997, 18, 1325-30], что является важным фактором для его использования в качестве материала для имплантов [Geetha M, Singh AK, Asokamani R, Gogia AK. Ti based biomaterials, the ultimate choice for orthopaedic implants - a review. Prog Mater Sci 2009, 54, 397-425]. Кроме того, наличие Zr тормозит образование фосфатов на поверхности материала, которые оказывают негативное влияние на взаимодействие импланта с костной тканью [Hanawa T, Hiromoto S, Asami K, Okuno O, Asaoka K. Surface oxide films on titanium alloys regenerated in Hanks’ solution. Mater Trans 2002, 43, 3000-4]. Многочисленные исследования также подтверждают практически идеальную биосовместимость сплавов системы Nb-Ti-Zr [Oleg Mishchenko, Oleksandr Ovchynnykov , Oleksii Kapustian and Maksym Pogorielov. New Zr-Ti-Nb Alloy for Medical Application: Development, Chemical and Mechanical Properties, and Biocompatibility. Materials 2020, 13, 1306]. Однако применение данных сплавов часто ограничивается другими их характеристиками: относительно низкой прочностью, твердостью и износостойкостью. Существенное улучшение прочностных характеристик может обеспечиваться путем создания металломатричных композитов с керамическими армирующими компонентами, в частности боридными частицами. Наилучшим выбором для сплавов на основе титана представляется использование в качестве упрочнителя частиц диборида титана (TiB2), которые хорошо сопрягаются с титановой матрицей без формирования переходной области и имеют близкий коэффициент термического расширения. Таким образом, вопрос повышения прочностных характеристик, твердости и износостойкости бета титановых сплавов системы Ti-Nb-Zr при сохранении или снижении модуля упругости является актуальным, поскольку это позволит значительно расширить область применения этих материалов в ортопедии и имплантологии.
На данный момент известно несколько вариаций средне- и высокоэнтропийных сплавов, наиболее близких по химическому составу к заявленному композиту.
Известен высокоэнтропийный сплав Al5Nb24Ti40V5Zr26 (S. Zherebtsov, N. Yurchenko, E. Panina, M. Tikhonovsky, N. Stepanov. Gum-like mechanical behavior of a partially ordered Al5Nb24Ti40V5Zr26 high entropy alloy, Intermetallics 116 (2020) 106652). Данный сплав содержит 5 ат. % алюминия, 24 ат. % ниобия, 40 ат. % титана, 5 ат. % ванадия и 26 ат. % циркония, который получают с помощью вакуумно-дугового переплава в среде аргона. Основным недостатком данного сплава является недостаточно высокий удельный предел текучести при комнатной температуре, равный 760 МПа.
Известен среднеэнтропийный сплав TiNbZr (Jingyu Pang, Hongwei Zhang, Long Zhang, Zhengwang Zhu, Huameng Fu, Hong Li, Aimin Wang, Zhengkun Li, Haifeng Zhang. Simultaneous enhancement of strength and ductility of body-centered cubic TiZrNb multi-principal element alloys via boron-doping, Journal of Materials Science & Technology Volume 78, 10 July 2021, Pages 74-80). Данный сплав содержит титан, ниобий и цирконий в эквиатомных пропорциях, то есть в атомном соотношении элементов 1:1:1. Способ получения данного сплава реализуется с помощью вакуумно-дугового переплава. Основным недостатком данного сплава является недостаточно высокий удельный предел текучести при комнатной температуре, равный 600 МПа.
Известен среднеэнтропийный сплав TiNbZr (Rajeshwar R.Eleti, Nikita Stepanov, Nikita Yurchenko, Sergey Zherebtsov, Francesco Maresca. Cross-kink unpinning controls the medium- to high-temperature strength of body-centered cubic NbTiZr medium-entropy alloy. Scripta Materialia, Volume 209, 1 March 2022, 114367). Сплав содержит 33,3 ат. % титана, 33,3 ат. % ниобия и 33,3 ат. % циркония. Основным недостатком данного сплава, который получают вакуумно-дуговой плавкой в среде чистого аргона, является недостаточно высокий удельный предел текучести при комнатной температуре, равный 690 МПа.
За прототип выбран способ получения металломатричного композита на основе среднеэнтропийного сплава TiNbZr, упрочненный боридами титана, описанный в статье (M. Ozerov; V. Sokolovsky; N. Stepanov; S. Zherebtsov. Microstructure and tensile properties of TiNbZr alloy-based metal-matrix composites, reinforced with borides. AIP Conf. Proc. 2899, 020109 (2023). Композит TiNbZr/TiB2, содержащий 33,3 ат. % титана, 33,3 ат. % ниобия и 33,3 ат. % циркония с добавлением 0,7 вес. % диборида титана TiB2 получают посредством вакуумно-дугового переплава при рабочей температуре 3500°C в течение 60 минут, с последующим переплавлением в количестве 5 раз полученных слитков для получения однородного распределения химических элементов по объему заготовки. Основным недостатком данного композита являются недостаточно высокие предел текучести и предел прочности при комнатной температуре, равные 750 МПа и 800 МПа, соответственно.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Задачей изобретения является создание способа, обеспечивающего получение металломатричного композита на основе среднеэнтропийного сплава TiNbZr, упрочненного частицами диборида титана (TiB2), с повышенными показателями прочности с сохранением приемлемой пластичности при комнатной температуре.
Технический результат изобретения заключается в получении композита TiNbZr/TiB2, содержащего 33,4 ат. % титана, 33,3 ат. % ниобия и 33,3 ат. % циркония с добавлением 0,7 вес. % диборида титана TiB2, с высокими показателями предела текучести 800 МПа, предела прочности 1080 МПа и пластичностью 5 % при комнатной температуре
Задача изобретения решается предложенным способом получения металломатричного композита TiNbZr/TiB2, включающим вакуумно-дуговой переплав при рабочей температуре 3500°C в течение 60 минут высокочистых титана, циркония и алюминия, взятых в следующем процентном отношении: 33,4 ат. % титана, 33,3 ат. % ниобия, 33,3 ат. % циркония и с добавлением далее 0,7 % вес. TiB2 от общего веса матричного сплава TiNbZr, в который внесены следующие новые признаки:
- после пятикратной переплавки металломатричного композита TiNbZr/TiB2, проводят листовую прокатку композита при комнатной температуре до общей накопленной степени деформации, равной 80 % с обжатием за проход ~ 200 мкм, равным степени деформации 8%.
Отличительной особенностью заявленного способа является то, что неожиданно было установлено, что деформационная обработка при комнатной температуре композита TiNbZr/TiB2 при содержании армирующего компонента TiB2 0,7 вес. % в виде листовой прокатки с обжатием за проход ~ 200 мкм, равным степенью деформации 8%, до накопленной степени деформации 80 %, значительно повышает прочностные свойства композита. Таким образом, заявленное изобретение соответствует условиям новизны и изобретательского уровня.
Чистота элементов, используемых при получении заявленного композита TiNbZr/TiB2, приведена в таблице 1.
| Таблица 1 - Чистота элементов, используемых при получении заявленного композита TiNbZr/TiB2. | |
| Химический элемент/соединение | Чистота, % |
| Nb | 99,99 |
| Ti | 99,95 |
| Zr | 99,95 |
| TiB2 | 99,999 |
Изобретение иллюстрируется следующими материалами:
Фиг. 1 - Кривые напряжение-деформация, полученные при испытаниях на одноосное растяжение при комнатной температуре образцов исходного композита TiNbZr/TiB2 и этого же композита после листовой прокатки при комнатной температуре.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Пример 1. Получение литого металломатричного композита TiNbZr/TiB2
В качестве исходных материалов использовали высокочистые элементы ниобия, титана, циркония, взятые в следующем соотношении (ат. %): 33,4 титана, 33,3 ниобия, 33,3 циркония, и далее добавляли порошок диборида титана со средним размером частиц 4 мкм в количестве 0,7 вес. % от общего веса матричного сплава TiNbZr. Далее проводили процесс вакуумно-дугового переплава с использованием установки Buehler Arc Melter 200 при рабочей температуре 3500°C в течение 60 минут для получения литого металломатричного композита TiNbZr/TiB2. Полученные слитки переплавляли 5 раз для получения однородного распределения химических элементов по объему заготовки. В итоге слитки имели массу 50 г, пор или каких-либо других дефектов в структуре слитков обнаружено не было.
Значение предела текучести полученного композита составляет 745 МПа, предела прочности 805 МПа.
Пример 2.
Полученный по примеру 1 металломатричный композит TiNbZr/TiB2 подвергают деформационной обработке путем листовой прокатки образцов композита при комнатной температуре до общей степени деформации 80 % с обжатием за проход ~ 200 мкм, равным степени деформации 8%.
После прокатки зафиксировано существенное повышение механических свойств металломатричного композита TiNbZr/TiB2, а именно, увеличение значений предела текучести до 800 МПа и предела прочности до 1080 МПа при комнатной температуре. Значение пластичности составило 5 %.
Таким образом, поставленная задача решена и технический результат достигнут.
Claims (1)
- Способ получения упрочненного металломатричного композита на основе среднеэнтропийного сплава TiNbZr, включающий вакуумно-дуговой переплав при рабочей температуре 3500°C в течение 60 минут высокочистых титана, циркония и ниобия, взятых в следующем процентном отношении: 33,4 ат.% титана, 33,3 ат.% ниобия, 33,3 ат.% циркония с добавлением далее 0,7 мас.% TiB2 от общего веса матричного сплава TiNbZr, отличающийся тем, что осуществляют листовую прокатку полученного металломатричного композита TiNbZr/TiB2 при комнатной температуре до общей степени деформации 80% с обжатием за проход ~200 мкм, равным степени деформации 8%.
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2813079C1 true RU2813079C1 (ru) | 2024-02-06 |
Family
ID=
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2365467C2 (ru) * | 2007-07-09 | 2009-08-27 | Игорь Михайлович Шатохин | Способ получения борсодержащего сплава для легирования стали |
| CN111575572B (zh) * | 2020-05-29 | 2021-05-18 | 中国科学院金属研究所 | 一种B掺杂TiZrNb多主元合金及其制备方法 |
| CN115725887A (zh) * | 2022-11-21 | 2023-03-03 | 广东省科学院中乌焊接研究所 | 一种中熵合金及其制备方法和应用 |
| RU2795128C1 (ru) * | 2022-07-20 | 2023-04-28 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Белгородский государственный национальный исследовательский университет" (НИУ "БелГУ") | Низкомодульный металломатричный композит на основе среднеэнтропийного сплава |
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2365467C2 (ru) * | 2007-07-09 | 2009-08-27 | Игорь Михайлович Шатохин | Способ получения борсодержащего сплава для легирования стали |
| CN111575572B (zh) * | 2020-05-29 | 2021-05-18 | 中国科学院金属研究所 | 一种B掺杂TiZrNb多主元合金及其制备方法 |
| RU2795128C1 (ru) * | 2022-07-20 | 2023-04-28 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Белгородский государственный национальный исследовательский университет" (НИУ "БелГУ") | Низкомодульный металломатричный композит на основе среднеэнтропийного сплава |
| CN115725887A (zh) * | 2022-11-21 | 2023-03-03 | 广东省科学院中乌焊接研究所 | 一种中熵合金及其制备方法和应用 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| OZEROV M. et al. Microstructure and Tensile Properties of TiNbZr Alloy-based Metall-matrix Composites, Reinforced with Borides. AIP Conference Proceeding, 2899, 13.09.2023, 020109-1-020109-5. * |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Alshammari et al. | Mechanical properties and microstructure of Ti-Mn alloys produced via powder metallurgy for biomedical applications | |
| Zhou et al. | Microstructures and mechanical properties of Ti–Mo alloys cold-rolled and heat treated | |
| JP3330380B2 (ja) | ほてつ移植体、その製造方法およびほてつ移植用に有用な合金 | |
| He et al. | Nanostructured Ti-based multi-component alloys with potential for biomedical applications | |
| Okulov et al. | Composition optimization of low modulus and high-strength TiNb-based alloys for biomedical applications | |
| TW420605B (en) | Biocompatible low modulus titanium alloy for medical implant | |
| Nazari et al. | Mechanical properties and microstructure of powder metallurgy Ti–xNb–yMo alloys for implant materials | |
| EP2297370B1 (en) | Beta-based titanium alloy with low elastic modulus | |
| Bolzoni et al. | Development of Cu-bearing powder metallurgy Ti alloys for biomedical applications | |
| Wei et al. | Microstructure and properties of NiTi foams with 69% porosity | |
| Sakaguchi et al. | Effects of alloying elements on elastic modulus of Ti-Nb-Ta-Zr system alloy for biomedical applications | |
| Xie et al. | Ti-10Mo/Hydroxyapatite composites for orthopedic applications: microstructure, mechanical properties and biological activity | |
| Jin et al. | Microstructure and enhanced strength-ductility of TiNbCu alloys produced by laser powder bed fusion | |
| Hsu et al. | Effects of heat treatments on the structure and mechanical properties of Zr–30Ti alloys | |
| RU2492256C9 (ru) | Наноструктурный композиционный материал на основе чистого титана и способ его получения | |
| Kuroda et al. | Development and characterization of new Ti-25Ta-Zr alloys for biomedical applications | |
| RU2813079C1 (ru) | Способ получения упрочненного металломатричного композита на основе среднеэнтропийного сплава | |
| Nagaram et al. | Development of Ti-22Nb-Xzr using metal injection moulding for biomedical applications | |
| US20090088845A1 (en) | Titanium tantalum oxygen alloys for implantable medical devices | |
| RU2795128C1 (ru) | Низкомодульный металломатричный композит на основе среднеэнтропийного сплава | |
| Lin et al. | Effect of chromium content on structure and mechanical properties of Ti-7.5 Mo-xCr alloys | |
| KR20060101715A (ko) | 생체 적합성이 우수한 저탄성계수 티타늄기 합금소재 및 그제조방법 | |
| Wang et al. | Mechanical properties and biological performance of Ga-containing TiZrNb medium-entropy alloy for biomedical implants | |
| Konushkin et al. | Ti-(15-25) Nb-5Ta alloy plate hardness research for medical applications | |
| CN116334445B (zh) | 一种稀土掺杂的Ti-Nb-Dy合金及其制备和加工方法 |