Структура, фазовый состав и механические свойства биоинертного сплава на основе циркония после интенсивной пластической деформации

А.Ю. Ерошенко, А.М. Майрамбекова, Ю.П. Шаркеев, Ж.Г. Ковалевская, М.А. Химич, П.В. Уваркин

Аннотация на русском языке

Комбинированный метод ИПД, включающий многократное abc-прессование и многоходовую прокатку, приводит к формированию в бинарном сплаве Zr-1Nb двухфазной ультрамелкозернистой структуры  (средний размер структурных элементов  – 0,22 мкм), которая обеспечивает  высокий уровень механических свойств (предел текучести – 450 МПа, предел прочности – 780 МПа, микротвердость – 2800 МПа) при сохранении низкого модуля упругости (51 ГПа).Исследован биоинертный бинарный сплав Zr-1Nb являющийся перспективным материалом для изготовления имплантатов различного назначения. Заготовки из отожженного сплава были подвергнуты интенсивной пластической деформации, включающей многократное abc-прессование и многоходовую прокатку в ручьевых валках. На первом этапе abс-прессование включало трехцикловую осадку в интервале температур 500-400 ºC с однократным прессованием на каждом цикле при заданной температуре. На втором этапе заготовки деформировали прокаткой в ручьевых валках при комнатной температуре. Прокатка в ручьевых валках обеспечивала формирование однородной структуры по всему объему заготовки с дополнительным измельчением зерна. После отжига сплав имел мелкозернистую структуру, состоящую из равноосных матричных зерен α-Zr со средним размером 2,8 мкм и частиц β-Nb, имеющих размер 0,4 мкм и расположенных по границам и в теле матричных зерен α-Zr. Интенсивная пластическая деформация привела к формированию в сплаве бинарной ультрамелкозернистой структуры со средним размером структурных элементов 0,22 мкм. С помощью просвечивающей электронной микроскопии установлено, что микроструктура состоит из зерен α-Zr. Зерна фазы β-Nb структурно и рентгеноструктурно не идентифицированы. О присутствии в сплаве β-Nb свидетельствует только дифракционный анализ. Сформированная в сплаве ультрамелкозернистая структура обеспечивает высокие механические свойства (предел текучести – 450 МПа, предел прочности – 780 МПа, микротвердость – 2800 МПа) при сохранении низкого модуля Юнга. В мелкозернистом состоянии сплав Zr-1Nb имеет модуль Юнга 59 ГПа, в ультрамелкозернистом состоянии – 51 ГПа, что соизмеримо с модулем Юнга кости (51-55 ГПа).

Ссылки (25)

1.
Titanium, niobium, zirconium and tantalum for medical and surgical applications. Book edited by L. D. Zardiackas, M. J. Kraay, H. L. Freese. ASTM International. (2006) 265 р.
2.
M. Abdel-Hady Gepreel, M. Niinomi. J. Mechan. Behav. Biomed. Mater. 20, 407 (2013). DOI: 10.1016/j.jmbbm.2012.11.014.
3.
R. Banerjee, S. Nag, H. L. Fraser. Mater. Sci. Eng. C 25, 282 (2005). DOI: 10.1016/j.msec.2004.12.010.
4.
M. T. Mohammed, Z. A. Khan, A. N Siddiquee. Int. J. Chem. Mol. Nucl. Mater. Metall. Eng. 8, 788 (2014).
5.
Zh. G. Kovalevskaya, M. A. Khimich, A. V. Belyakov, I. A. Shulepov. Adv. Mater. Res. Sci. J. 1040, 39 (2014). DOI: 10.4028/www.scientific.net/AMR.1040.39.
6.
Yu. P. Sharkeev, A. Yu. Eroshenko, Zh. G. Kovalevskaya, A. A Saprykin, E. A. Ibragimov, I. A. Glukhov, M. A. Khimich, P. V. Uvarkin, E. V. Babakova. Russian Phys. J. 59, 430 (2016).
7.
M. B. Sedelnikova, Yu. P. Sharkeev, E. G. Komarova, I. A. Khlusov, V. V. Chebodaeva. Surf. Coat. Technol. 307PC, 1274 (2016). DOI: 10.1016/j.surfcoat.2016.08.062.
8.
M. S. Ivanova, M. A. Pirozhkova. Russian Dental J. 3, 40 – 44 (2008). (in Russian) [М. С. Иванова, М. А. Пирожкова. Российский стоматологический журнал. 3, 40 – 44 (2008)]
9.
C. Nobert, H. Dena, M. Andrea. Periodontol 2000. 73, 241 (2017). DOI: 10.1111/prd.12180.
10.
M. B. Sedelnikova, E. G. Komarova, Yu. P. Sharkeev, T. V. Tolkacheva, I. A. Khlusov, L. S. Litvinova, K. A. Yurova, V. V. Shupletsova. Bioactive Mater. 2, 177 (2017). DOI: 10.1016/j.bioactmat.2017.01.002.
11.
Corrosion and Corrosion Protection. Handbook edited by P. A. Schweitzer. New York, Marcel Dekker. Inc. (1989) 660 p.
12.
M. A. Filyand, E. I. Semenova. Properties of rare elements. Handbook. Moscow, Metallurgy. (1964) 913 p. (in Russian) [М. А. Филянд, Е. И. Семенова. Свойства редких элементов. Справочное пособие. Москва, Металлургия. (1964) 913 С.]
13.
G. L. Millar. Zirconium. Book. London, Butterworth Scientific Publications. (1954) 239 p.
14.
R. Kondo, N. Nomura, Suyalatu, Y. Tsutsumi, H. Doi, T. Hanawa. Acta Biomaterialia. 7, 4278 (2011). DOI: 10.1016/j.actbio.2011.07.020.
15.
R. Z. Valiev, A. P. Zhilyaev, T. G. Langdon. Bulk nanostructured materials: fundamentals and applications. Book. New Jersey, John Wiley, Hoboken, New Jersey, USA, and TMS. (2014) 456 p.
16.
G. P. Grabovetskaya, I. P. Mishin, E. N. Stepanova, I. P. Chernov, D. Yu. Bulynko. Steel in Translation. 45 (2), 111 (2015).
17.
L. Y. Egorova, Y. V. Khlebnikova, V. P. Pilyugin. Letters on Materials. 6 (3), 237 – 242 (2016). (in Russian) [Л. Ю. Егорова, Ю. В. Хлебникова, В. П. Пилюгин. Письма о материалах. 6 (3), 237 – 242 (2016)] DOI: 10.22226/2410‑3535‑2016‑3‑237‑242
18.
Yu. P. Sharkeev, Zh. G. Kovalevskaya, M. A. Khimich, V. A. Bataev, Q. Zhu, A. V. Belyakov, I. A. Gluhov. Key Eng. Mater.: Sci. J. 683, 174 (2016). Doi:10.4028/www.scientific.net/KEM.683.174.
19.
Y. P. Sharkeev, A. Y. Eroshenko, K. S. Kulyashova, K. A. Suvorov, S. V. Fortuna, M. Epple, O. Prymak, V. Sokolova, S. Chernousova. Materialwissenschaft und Werkstofftechnik. 44 (2-3), 198 (2013). DOI: 10.1002/mawe.201300113.
20.
ASTM E1382 – 97 (2010) Standard Test Methods for Determining Average Grain Size Using Semiautomatic and Automatic Image Analysis.
21.
Н.‑Keun Park, Y. K. Hong, S. Q Lee, S. Kee. Materials of the SPIE International Conference on Opto-mechatronic Actuators, Sensors and Control. SPIE, Philadelphia. 5602 (2004) p. 115 – 121.
22.
E. V. Kozlov, N. A. Koneva, L. I. Trishkina, A. N. Zhdanov. Russ. Metall. 4, 264 (2010).
23.
A. S. Zaymovskii, A. V. Nikulina, A. G. Reshetnikov. Zirconium alloys in nuclear engineering. Book. Moscow, Energoatomizdat. (1994) 253 p. (in Russian) [А. С. Займовский, А. В. Никулина, Н. Г. Решетников. Циркониевые сплавы в ядерной энергетике. Книга. Москва, Энергоатомиздат. (1994) 253 С.]
24.
A.‑H. Gepreel, M. Niinomi. J. Mech. Behav. Biomed. Mat. 20, 407 (2013).
25.
V. L. Praskevich. Dental Implantology: Foundations of theory and practice. Handbook. Minsk, “Unipress”. (2002) 268 p. (in Russian) [В. Л. Праскевич. Дентальная имплантология: Основы теории и практики. Справочное пособие. Минск, «Юнипресс». (2002) 268 с.]