CC BY
153
МАШИНОСТРОЕНИЕ
УДК 669; 620.1
А. В. Поляков, Д. В. Гундеров, Г. И. Рааб, Е. П. Сошникова
ЭВОЛЮЦИЯ МИКРОСТРУКТУРЫ ТИТАНА GRADE 4 C ИЗМЕНЕНИЕМ СТЕПЕНИ ДЕФОРМАЦИИ ПРИ РКУП-СONFORM
В работе описываются результаты исследования изменения микроструктуры технически чистого титана Grade 4 с увеличением количества проходов РКУП-conform. Исследовано влияние непрерывного равноканального углового прессования по схеме «Conform» (РКУП-C) на структуру и свойства технически чистого титана Grade-4. Показано, что в результате первых двух циклов РКУП-C структура титана сильно фрагментируется, и формируются деформационные полосы. При дальнейшем увеличении числа циклов РКУП-С до 6 полосовая структура трансформируется в ультрамелкозернистую (УМЗ) структуру с размером зерна около 250 нм. Прочность титана закономерно возрастает с увеличением числа циклов РКУП-С, тогда как пластичность, установившись после первого цикла на уровне 12%, с дальнейшим ростом степени деформации почти не меняется. В результате последующего волочения титана после РКУП-C его прочность дополнительно повышается до 1300 МПа, при сохранении пластичности около 11%. Высокая эффективность и производительность метода РКУП-C позволяют создать на его основе промышленную технологию получения высокопрочного наноструктурного титана - перспективного материала для медицинских имплантатов. Интенсивная пластическая деформация; РКУП-Сonform; наноструктурное состояние; титан
В последние годы большое внимание вызывает развитие нового подхода к повышению свойств металлов и сплавов, основанного на их наноструктурировании путем интенсивной пластической деформации (ИПД) [1, 2]. В УГАТУ разработан технологический процесс, включающий равноканальное угловое прессование по схеме Conform (РКУП-С) (рис. 1) и последующее волочение, позволяющий получать прутки наноструктурного (НС) титана с высокими прочностными характеристиками. Отметим, что метод РКУП-С [3-8] имеет высокую производительность и большие перспективы промышленного применения [1, 9]. Данный метод лишен недостатков, присущих традиционному методу равноканального углового прессования (относительно малая производительность, возможность получения только относительно коротких цилиндрических образцов с отношением высоты к диаметру 6:1, малый коэффициент использования металла [1]). Благодаря высокой биосовместимости титан широко используется для изготовления медицинских имплантатов [10]. Использование наноструктурного титана с уникальными прочностными и усталостными свойствами дает возможность создавать медицинские имплантаты улучшенной конструкции - меньшего сечения и с увеличенной прочностью и надежностью. Опытные имплантаты, изготовленные из НС титана, уже успешно проходят клиническую апробацию в России
Контактная информация: (347) 272-98-77 Работа выполнена при частичной поддержке ФЦП, Госконтракт №02.522.12.2007 и РФФИ 10-08-97012-р_поволжье_а.
и за рубежом, в частности в компании Timplant (http://www.timplant.cz) [11]. Для развития метода необходимы исследования эволюции микроструктуры и свойств титана Grade 4 при воздействии РКУП-С с разным числом проходов, чему и посвящена данная работа.
1. МАТЕРИАЛ И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ
Принципиальная схема и общий вид созданной установки РКУП-Conform представлены на рис. 1.
Созданная установка позволяет обрабатывать длинномерные прутки различных металлов диаметром до 12 мм. Соответственно на выходе РКУП-С получается пруток квадратного сечения до 10,8*10,8 мм. Установка позволяет проводить прессование как при комнатной, так и при повышенной температуре. В данной работе использован вариант установки для прессования прутков исходным диаметром 10 мм. В результате первого цикла РКУП-С получается пруток квадратом 9*9 мм. Затем циклы деформации повторяются несколько раз. В результате методом РКУП-Conform были получены длинномерные прутки технически чистого титана Grade 4 с профилем 9*9 мм и длиной 2 м. Поверхность прутков ровная, гладкая, без видимых дефектов. После РКУП-Conform пруток подвергался волочению, необходимому для получения прутка круглого сечения.
В качестве исходного материала служил пруток CP Ti Grade 4 с химическим составом и свойствами, указанными в табл. 1 и 2. Пруток, без предварительной обработки, был подвергнут одному, двум и т. д. проходам РКУП-С.
Таблица 1 Химический состав Ti Grade 4 (по данным сертификата в ат. %)
Ті N2 C H2 Fe O2 у прочих
основа 0,008 0,01 0,002 0,24 0,35 0,10б
Т а б л и ц а 2 Механические свойства Ti Grade 4 (по данным сертификата)
а02, МШ апр, МШ б, % У, %
Сертификат 589 724 27 4б,7
Проводились аттестация и анализ микроструктуры методом оптической металлографии, растровой (РЭМ) и просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ). Получаемые прутки рассматривались в двух сечениях: поперечном в плоскости У2 и продольном в плоскости Х2, согласно рис. 1.
Рис. 1. Ориентация плоскостей Х2 и У2 относительно образца
Для исследования микроструктуры получаемых прутков с помощью оптического и растрового электронного микроскопов рабочая поверхность вырезанных в необходимой плоскости образцов полировалась механическим путем и травилась раствором из 4% плавиковой кислоты, 20% хлорной кислоты и 76% дистиллированной воды. Для просвечивающего электронного микроскопа образцы утонялись и полировались двусторонней струйной полировкой раствором из 5% хлорной кислоты, 35% бутанола и 60% метанола. Съемка проводилась при ускоряющем напряжении в 100 кВ на микроскопе ШОЬ ШМ 100Ь, картины микродифракции снимались с площади 2 цм2.
Механические испытания проводились на испытательной машине «1п81хоп» при комнатной температуре со скоростью перемещения траверсы 1 мм/мин. Образцы для испытаний цилиндрической формы с длиной рабочей части 15 мм и диаметром 3 мм были изготовлены на токарном станке.
2. РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЯ
В исходном состоянии титан имеет зерен-ную структуру со средним размером зерна 10 цм (рис. 2).
Рис. 2. Микроструктура исходного состояния в поперечном сечении
Уже после первого прохода РКУП-С структура титана сильно измельчается по сравнению с исходной и приобретает полосовой характер, особенно в продольном сечении заготовки (рис. 3). По данным ПЭМ, после первого прохода РКУП-С формируется фрагментированная структура с малоугловыми разориентировками. Большая часть границ волнистые и нечеткие (рис. 4, а). На ПЭМ снимках во многих областях структура имеет полосовой характер (рис. 4, б), в которой также встречаются полосы свободные от дислокаций. В продольном сечении доля удлиненных элементов больше, чем в поперечном. В обоих сечениях наблюдаются фрагменты, окруженные частично большеугловыми (б/у) и частично малоугловыми (м/у) границами, что характерно для материалов после первых проходов РКУП.
После второго прохода фрагменты становятся более мелкими (рис. 5, а), уменьшается доля элементов свободных от дислокаций (с монотонным контрастом).
Также как и после первого прохода, наблюдается полосовая структура (рис. 5, б).
Наблюдаются как мелкие, так и крупные элементы структуры. При этом одни из них содержат дефекты, такие как дислокационные ячейки, зоны переплетения дислокаций и т. п., а другие относительно свободны от них.
В продольном сечении менее выражена удлиненность структуры (уменьшился коэффициент вытянутости) и образовались равноосные элементы относительно малых размеров (около 100 нм), скорее всего с м/у границами (рис. 5, в).
б
Рис. 3. Микроструктура после первого прохода: а - поперечное сечение, б -продольное
б
Рис. 4. ПЭМ-снимки микроструктуры Т после одного прохода РКУП-С в поперечном сечении
б
в
Рис. 5. ПЭМ-снимки микроструктуры Т [ после двух проходов РКУП-С: а, б -поперечное сечение; в - продольное сечение
С увеличением числа проходов при РКУП-С до 4 по выбранным режимам большая часть границ фрагментов/зерен остались нечеткие и извилистые. Вид микроструктуры (рис. 6) в продольном и поперечном сечениях заметно не различается. В обоих сечениях (плоскостях) структурные элементы более приближены к равноосной форме, отсутствуют области с явной полосовой структурой. Вид электронограмм с большим числом расположенных по кольцам рефлексов свидетельствует о формировании УМЗ структуры с большеугловыми границами зерен. Размер зерен/фрагментов составляет около 300 нм, однако из-за неоднородности структуры, высокой дефектности границ зерен, высокой плотности дислокаций точно определить
размер затруднительно. При увеличении числа проходов при РКУП-С9 до 6 вид полученной микроструктуры (рис. 7) в целом близок к УМЗ микроструктуре после 4 циклов.
Рис. 6. ПЭМ-снимки микроструктуры Ti после четырех проходов РКУП-С: а - поперечное сечение; б - продольное сечение
Вид электронограмм и темнопольного изображения также свидетельствует о большеугловых разориентировках зерен. В темном поле и в поперечном и в продольном сечении высвечиваются большей частью равноосные зерна размером около 250 нм, т. е. структура, по-видимому, несколько измельчилась по сравнению со структурой после 4 проходов.
Последующее волочение позволило получить пруток круглого сечения, наиболее востребованного промышленностью, и дополнительно измельчить структуру и повысить прочность. На рис. 8 представлены ПЭМ-изображения микроструктуры прутка Grade 4 в поперечном и продольном сечениях после РКУП-С и дополнительного волочения с квадрата 9 до 05 мм (е при волочении = 1,9). Как видно по рис. 8, деформация волочением приводит к дополнительному измельчению зерна до примерно 200 нм.
Границы зерен становятся более четко выраженными, что, возможно, свидетельствует об
активизации процессов динамической рекристаллизации при данной деформации.
г
Рис. 7. ПЭМ-снимки микроструктуры Т [ после шести проходов РКУП-С: а, б -поперечное сечение; в, г - продольное сечение
Приведенные дифракционные картины с многочисленными рефлексами по окружности, свидетельствуют о наличии большеугловых ра-
зориентировок границ зерен. В продольном сечении зерна вытянуты по направлению волочения (рис. 8). Похожая структура наблюдалась ранее в исследованиях титана, подвергнутого РКУП с прокаткой [4, 12, 13].
На рис. 9 представлена зависимость предела прочности (св) и удлинения до разрушения (5) титана Grade-4 от величины накопленной деформации (числа циклов) при РКУП-Сопйэгш по результатам испытаний на растяжение. В результате первых двух циклов РКУП-С и измельчения структуры прочность быстро увеличивается с 700 до почти 950 МПа.
б
Рис. 8. ПЭМ-фотографии Ti Grade 4 после РKУП-С и дополпительпого волочепия па e = 1,9 в поперечном сечепии: a - светлое поле; б - темное поле
При дальнейшем увеличении числа циклов РKУП-С прочность также увеличивается, но уже с меньшей интенсивностью, достигая после восьми проходов почти 1100 МПа (при формировании УМЗ микроструктуры с размером зерна около 200 нм). В тоже время пластичность, установившись после первого цикла на уровне 12%, с дальнейшим ростом деформации почти не меняется.
Ов, МПа б, %
Число проходов
Рис. 9. Зависимость предела прочности (ов) иудлинения до разрушения (5) титана Grade-4 от величины накопленной деформации (числа циклов) при РКУП-Сопйогш при растяжении
В результате последующего волочения титана после РКУП-С с е = 1,9 прочность дополнительно повышается, достигая 1300 МПа, при сохранении пластичности около 11%. Высокая эффективность и производительность метода РКУП-С позволяют создать на его основе промышленную технологию получения высокопрочного наноструктурного титана - перспективного материала для медицинских имплантатов. Достигнутые, после РКУП-Соп^огш с волочением, механические свойства НС Grade-4 аналогичны и даже несколько выше свойств НС Grade-4, полученного РКУП с дополнительной термомеханической обработкой в работах [11,
12, 13].
ВЫВОДЫ
1. При одном и двух проходах РКУП-С по выбранным режимам формируется неоднородная полосовая структура.
2. С увеличением числа проходов до 4 структура трансформируется в УМЗ и образуются большеугловые границы зерен. С дальнейшим увеличением количества проходов до 6 структура не изменяется, но размер зерна уменьшается до 250 нм.
3. В результате последующего волочения структура дополнительно измельчается до размера зерна 200 нм, границы становятся более четкими, что свидетельствует о процессах динамической рекристаллизации.
4. Предел прочности после 8 проходов РКУП-С возрастает до 1100 МПа и после волочения до 1300 МПа.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Валиев Р. З., Александров И. В. Объемные наноструктурные металлические материалы. М.: Академкнига, 2007. 397 с.
2. Zhu Producing Bulk ultrafine-Grained Materials by Severe Plastic deformation / R. Z. Valiev [et al] // JOM. 2006. Vol. 58, № 4. P. 33-39.
3. Green D. Continuos extrusion-forming of wire sections // J. Inst. Metals. 1972. 100. P. 295-300.
4. Etherington C. CONFORM - A new concept for continuous extrusion forming of metals. // ASME, Journal of Engineering for Industry, 1974, 96: pp. 893-900
5. Continuous Processing of Ultrafine Grained Al by ECAP-Conform Mater / G. I. Raab [et al] // Sci. Eng. A 382 (2004). P. 30-34.
6. Long-length Ultrafine-grained Titanium Rods produced by ECAP-Conform / G. I. Raab [et al] // Materials Science Forum. Vols. 584-586 (2008). P. 80-8.
7. Рааб Г. И., Сафин Ф. Ф., Валиев Р. З. Моделирование процесса равно-канального углового прессования по схеме «Конформ» титановой длинномерной заготовки // Кузнечно-штамповочное производство. Обработка материалов давлением. 2006. № 6. С. 41-44.
8. US Patent No. 7,152,448, USC 72/262 / Y. T. Zhu [et al]. Continuous Equal-Channel Angular Pressing, Los Alamos National Security, LLC (Los Alamos, NM), filed December 16 2004, issued December 26 2006
9. US Patent No. 6,399,215, USC 428/544 / Y. T. Zhu [et al]. Ultrafine-grained titanium for medical implants The Regents of the University of California (Los Alamos, NM), filed March 28 2000, issued June 4 2002
10. Иголкин А. И. Титан в медицине // Титан. 1993. № 1. С. 86.
11. Наноструктурный титан для биомедицинских применений: новые разработки и перспективы коммерциализации / Р.З. Валиев [и др.] // Российские нанотехнологии. 2008. Т. 3, № 9-10. С. 106-115.
12. Influence of ECAP routes on the microstructure and properties of pure Ti / V. V. Stolyarov [et al] // Mater. Sci. Eng. A 299, 2001. P. 59-67.
13. Raab G. I., Soshnikova E. P., Valiev R. Z. Influence of temperature and hydrostatic pressure during equal channel angular on the microstructures of com-mercial-purity Ti // Mater. Sci. Eng. A 387-389, 2004, P. 674-677.
ОБ АВТОРАХ
Поляков Александр Вадимович, аспирант. Дипл. инж. по физике металлов (УГАТУ, 2008). Иссл. в обл. объемных наноструктурных металлов.
Гундеров Дмитрий Валерьевич, зам. дир. Ин-та физики перспективн. материалов НИЧ. Канд. физ.-мат. наук по физике конденсированного состояния (Ин-т физики молекул и кристаллов УНЦ РАН, 2000). Иссл. в обл. объемных наноструктурных металлов.
Рааб Георгий Иосифович, вед. науч. сотр. Ин-та физики перспективн. материалов НИЧ. Д-р техн. наук по машинам и технологии обработки металлов давлением (Магнитогорск. гос. техн. ун-т, 2009). Иссл. в обл. технологии получения объемных наноструктурных металлов.
Сошникова Евгения Петровна, вед. инженер Ин-та физики перспективн. материалов НИЧ. Дипл. инж. по технологии сварочн. производства (УАИ, 1979). Иссл. в обл. объемных наноструктурных металлов.
