Закономерности фазовых и структурных превращений в нелегированном титане

Создание новых конструкционных и функциональных материалов с улучшенными свойствами базируется на результатах фундаментальных исследований закономерностей формирования их структуры и природы физико-химических процессов, протекающих в таких материалах в реальных условиях их создания и эксплуатации. Формирование физико-механических, электрофизических и других свойств материалов во многом определяется внутренними межкристаллитными поверхностями раздела (границы зерен (ГЗ), субзерен и фаз), а также внутренними свободными поверхностями раздела, связанными с наличием пор и трещин [1, 2, 3]. В частности, увеличение протяженности границ, связанное с уменьшением размеров зерен и фаз при переходе от обычных поликристаллических материалов к субмикрокристаллическим (СМК) и, особенно, к наноструктурированным (НС), приводит к существенному изменению в развитии процессов теплои электропереноса, пластической деформации и разрушения, деградации структуры и других процессов [2, 3].

В последнее время большое внимание уделяется исследованию закономерностей и механизмов диффузионно-контролируемого роста зерен при рекристаллизации наноструктурированного нелегированного титана, применение которого в качестве материала изделий для травматологии, ортопедии и стоматологии интенсивно расширяется.

Наноструктурированный нелегированный титан (например, марки ВТ1−0), в отличие от большинства используемых для изготовления костных имплантатов в медицинской промышленности титановых сплавов (типа ВТ6), не содержит токсичных легирующих элементов (в особенности, таких как ванадий и алюминий), при этом обладает достаточной прочностью при статическом и циклическом нагружении при сохранении высокой способности к пластической деформации на изгиб и кручение [4]. 3.

Большинство известных методов формирования СМК и НС состояний воздействием интенсивной пластической деформацией [2, 5] являются малопроизводительными и значительно увеличивают стоимость материала. Однако в последние годы удалось создать высокоэффективную и малозатратную технологию получения промышленного сортамента полуфабрикатов НС титана с улучшенными механическими и функциональными характеристиками для изготовления изделий медицинского назначения в условиях промышленного производства с использованием метода поперечно-винтовой прокатки [6, 7, 8].

Известно, что полуфабрикаты с субмикрокристаллической и наноразмерной структурой, полученные воздействием пластической деформацией, в том числе с использованием поперечно-винтовой прокатки, характеризуются высокими внутренними напряжениями, источниками которых являются границы зерен деформационного происхождения, дислокации и дислокационные субграницы. Наличие таких напряжений увеличивает трудоемкость получения изделий и может приводить к их короблению, а также является серьезным препятствием для их последующего применения. Наиболее простым способом снятия внутренних напряжений в металлическом полуфабрикате является нагрев и выдержка при определенной температуре. В полуфабрикатах из НС титана марки ВТ 1−0 уменьшение остаточных напряжений до безопасного уровня при сохранении высоких механических свойств осуществляется проведением так называемого «дорекристаллизационного» отжига после всего цикла их технологического передела. Предполагается, что такую возможность удается реализовать за счет формирования мелкодисперсных выделений вторичных фаз, блокирующих миграцию границ зерен и тормозящих вследствие этого развитие процесса роста зерен [2, 9, 10]. Однако физического обоснования данный эффект не имеет и не может быть предсказан и рассчитан на основании существующих физических моделей и имеющихся экспериментальных данных.

Решение задачи улучшения служебных характеристик и возможности оценки ресурса работы НС материалов в реальных условиях эксплуатации также, требует рассмотрения проблемы термической стабильности НС состояния и разработки способов торможения процессов возврата и рекристализации (роста зерен). Это в особенности актуально в случае применения нелегированного НС титана в имплантатах для протезирования дефектов костей (например, в стоматологии), поскольку предполагает длительную эксплуатацию изделия (не менее нескольких десятков лет) при температуре человеческого тела. Уменьшение температуры начала и ускоренное развитие процесса роста зерен в НС состоянии обусловлено большой избыточной энергией, связанной, как отмечалось выше, с наличием внутренних напряжений и развитой внутренней поверхностью границ зерен, являющихся неравновесными дефектами в поликристаллическом материале и обладающих большей энергией по сравнению с объемом зерен. Традиционно методы торможения роста зерен рассматриваются с точки зрения выявления роли энергии и подвижности границ зерен в условиях наличия зернограничных сегрегаций, либо мелкодисперсных вторичных фаз в объеме и на границах зерен [1,2, 11].

В литературе существуют предположения, что единственным включением, способным повысить термическую стабильность нелегированного титана, являются мелкодисперсные частицы карбида титана [12]. Однако это предположение не имеет достаточно надежного подтверждения, поскольку не известны механизмы формирования карбидов, их кристаллическая структура, дисперсность и т. п.

Известно, что развитие нанотехнологий, а также современных технологий получения наноструктурированных материалов, во многом обязано разработке и совершенствованию современных экспериментальных методов исследований и одновременно является стимулом для дальнейшего (их) развития (самих методов исследований) и контроля качества материалов с высоким пространственным разрешением. В последние годы значительные 5 успехи достигнуты в методах локального элементного анализа материалов: энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии (ЭДРС) и спектроскопии характеристических потерь энергии электронами (СХПЭЭ) в просвечивающей растровой и дифракционной электронной микроскопии. С использованием современных высокоразрешающих методик анализа становится возможным определение элементного состава и кристаллической структуры дсперсных включений в металлической матрице, что открывает перспективу целенаправленного физически обоснованного управления свойствами материалов за счет контролируемого выделения вторичных фаз.

Целью настоящей работы является изучение физической природы термической стабильности титана марки ВТ 1−0 в наноструктурированном состоянии, сформированном методом поперечно-винтовой прокатки, исследование кинетических закономерностей роста зерен и определение влияния дисперсных частиц карбидов титана на процесс рекристаллизации указанного материала.

Научная новизна.

1. Определены кристаллогеометрические особенности дисперсных карбидов в наноструктурированном и крупнозернистом нелегированном титане (на примере материала марки ВТ 1−0). Показано, что дисперсные карбиды формируются в ГПУ матрице титана в виде фазы на основе ГЦК-подрешетки атомов титана.

2. Исследована кинетика роста зерен и определены величины энергии активации собирательной рекристаллизации наноструктурированного титана марки ВТ1−0 в интервале температур ниже 0,3 Тпл.

Практическая значимость работы. Результаты фундаментальных и прикладных исследований закономерностей рекристаллизации наноструктурированного нелегированного титана (на примере марки ВТ 1−0) использованы при разработке и оптимизации технологического процесса по производству полуфабрикатов (длинномерных прутков, пластин) титана медицинского назначения, используемых для изготовления костных 6 имплантатов (остеосинтез в травматологии, стоматология, челюстно-лицевая хирургия). В том числе на основе проведенных автором исследований разработан регламент управляемого термического воздействия на наноструктурированный титан, позволяющего устранить напряжения первого и второго рода, а также неравновесное состояние границ зерен, при этом сохранить средний размер зерен менее 350 нм.

На основании результатов исследований сформулированы требования по сохранности и сроку эксплуатации изделий из наноструктурированного титана с учетом кинетики роста зерен при температурах, близких к температуре человеческого организма. Результаты исследования закономерностей наноразмерных карбидов в ГПУ титане могут быть использованы в металлургии титана с задачей создания новых, в том числе жаропрочных сплавов.

Положения, выносимые на защиту:

— гранецентрированная кубическая кристаллическая структура и ориентационное соотношение дисперсных частиц карбида титана в а-титане: [2ТТ0]а|| [011] § и (0001)а||(111)5;

— кинетика роста зерен со степенным показателем п=3 и величина энергии активации собирательной рекристаллизации титана марки ВТ 1−0 в наноструктурированном состоянии, равная 51±4 кДж/моль, при температуре ниже 0,3 Тпл.

Апробация работы. Основные результаты проведенных исследований докладывались и обсуждались на следующих международных и всероссийских конференциях и семинарах: «Физико-химические основы формирования и модификации микрои наноструктур, г. Харьков, 2010 г.- XI.

Уральская школа-семинар металловедов-молодых ученых, г. Екатеринбург, ноябрь, 2010 г.- XIX Петербургские чтения по проблемам прочности, г.

Санкт-Петербург, 2010 г.- Четвертая Всероссийская конференция по наноматериалам, г. Москва, 2011 г.- III Всероссийской школы-семинара для студентов, аспирантов и молодых ученых «Нанобиотехнологии: проблемы и 7 перспективы», г. Белгород, 2010 г.- 51-ая Международная конференция «Актуальные проблемы прочности», г. Харьков, 2011 г.- XX Петербургские чтения по проблемам прочности, посвященные памяти профессора В. А. Лихачева, г. Санкт-Петербург, 2012 г.

Публикации. Основное содержание диссертации отражено в 10 печатных работах, опубликованных в научных и научно-технических журналах, сборниках трудов конференций (из них 3 статьи в журналах, рекомендованных ВАК).

Личный вклад автора в проведение исследований и получение результатов является определяющим. Все результаты, приведенные в диссертации, получены либо самим автором, либо при его непосредственном участии.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, шести глав, выводов и списка цитируемой литературы, включающего 251 наименование. Диссертация содержит 151 страница, 47 рисунков и 8 таблиц.