научная статья по теме ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ТЕРМОВОДОРОДНОЙ ОБРАБОТКИ ПРИ ИЗГОТОВЛЕНИИ ПОРИСТЫХ МАТЕРИАЛОВ И ИЗДЕЛИЙ ИЗ ТИТАНОВЫХ ВОЛОКОН И ПРОВОЛОКИ Металлургия

Текст научной статьи на тему «ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ТЕРМОВОДОРОДНОЙ ОБРАБОТКИ ПРИ ИЗГОТОВЛЕНИИ ПОРИСТЫХ МАТЕРИАЛОВ И ИЗДЕЛИЙ ИЗ ТИТАНОВЫХ ВОЛОКОН И ПРОВОЛОКИ»

УДК 669.295:621.72.40

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ТЕРМОВОДОРОДНОЙ ОБРАБОТКИ ПРИ ИЗГОТОВЛЕНИИ ПОРИСТЫХ МАТЕРИАЛОВ И ИЗДЕЛИЙ ИЗ ТИТАНОВЫХ ВОЛОКОН И ПРОВОЛОКИ

© Коллеров Михаил Юрьевич1, д-р техн. наук, проф., e-mail: Kollerov@gmail.ru;

Шляпин Сергей Дмитриевич1, д-р техн. наук, проф., e-mail: sshliapin@yandex.ru;

Сенкевич Кирилл Сергеевич1, канд. техн. наук, e-mail: senkevichks@yandex.ru;

Казанцев Антон Анатольевич2, e-mail: kaa7i7i@mail.ru; Рунова Юлия Эдуардовна1, e-mail: Runova_Julia@mail.ru

1 ФГБОУ ВПО «МАТИ - Российский государственный технологический университет имени К.Э.Циолковского». Россия, Москва

2 ООО НПФ «Темп». Россия, г. Екатеринбург Статья поступила 01.10.2014 г.

Исследована возможность повышения механических характеристик пористого материала из спеченных волокон и проволоки титана термоводородной обработкой. Показано, что применение термоводородной обработки позволяет повысить прочность отдельных соединений волокон и всего материала в целом. Это позволяет получать прочный материал с высокой объемной долей пор, имеющих поперечный размер 100500 мкм, и обладающий высокой остеоинтеграционной способностью. Такой материал перспективен для изготовления имплантатов, замещающих костные дефекты, или создания функциональных покрытий на элементах эндопротезов.

Ключевые слова: титан; пористый материал; волокно; проволока; имплантаты; структура; свойства; термоводородная обработка.

Пористые материалы (ПМ) широко применяются в машиностроении и медицине. Из них изготавливаются различные фильтрующие элементы, тепло-, шумоизолирующие и демпфирующие материалы. В медицине используются остеоинтегрирующие свойства таких материалов, позволяющие значительно сократить сроки формирования новой костной ткани и обеспечить фиксацию имплантатов, на поверхности которых нанесен пористый материал. В последнее время ПМ рассматриваются как носители при использовании клеточных технологий. Они представляют собой каркас, в котором в биореакторе выращивают определенные клетки для последующего их помещения в организм человека.

Основа ПМ должна обеспечивать хорошую коррозионную стойкость в агрессивной среде газа или жидкости, которые он должен очищать, биологическую инертность к тканям организма, обладать высоким комплексом механических свойств, которые должны сохраняться в пористом состоянии. Кроме того, сами поры должны иметь определенные размеры и объемную долю в материале. Для обеспечения этого широкого комплекса характеристик использу-

ЦВЕТНАЯ МЕТАЛЛУРГИЯ

ют различные материалы (металлы, полимеры, керамику) и технологии (напыление, спекание, самораспространяющийся синтез и др.). Каждый из этих материалов и технологий обладает своими преимуществами и недостатками, что обусловливает их выбор в зависимости от конкретного назначения.

Одними из наиболее перспективных материалов для основы ПМ являются титан и его сплавы, которые уже широко применяются в химической промышленности и медицине в качестве коррозионностой-кого и биологически инертного материала. В этом качестве он выгодно отличается от нержавеющих сталей, кобальтовых сплавов, а по удельной прочности и стоимости превосходит сплавы на основе благородных металлов, ниобия, тантала и др. По сравнению с керамическими материалами ПМ на основе титана обладают высокими пластичностью, ударной вязкостью, а также и более широкой технологической способностью к формообразованию изделия и его соединения с другими элементами конструкций.

Формирование ПМ из титана и его сплавов возможно плазменным распылением, спеканием гранул или порошков, самораспространяющимся высокотемпературным синтезом (для интерметаллидов титана, например, никелида титана), электролучевой или лазерной сваркой при послойном формировании изделия [1, 2]. Из указанных технологий СВ-син-тез используется ограниченно, так как не полностью прореагировавшие материалы снижают коррозионную стойкость и

биологическую инертность материала. Для других технологий проблемой является обеспечение достаточно высокого комплекса механических свойств при большой объемной пористости материала. Это связано с тем, что механические свойства титана и его сплавов очень чувствительны к структуре, и для ее оптимизации, как правило, применяется значительная деформация, которая не может быть реализована при сохранении высокой объемной пористости.

В то же время развиваемая в последние 30 лет термоводородная обработка (ТВО) титановых сплавов [3, 4] является мощным технологическим фактором, позволяющим преобразовывать структуру титановых сплавов без приложения деформации и изменения формы изделия или полуфабриката. ТВО успешно применяется для преобразования структуры и повышения прочностных и усталостных свойств фасонных отливок [5], улучшения деформируемости полуфабрикатов и формирования в них субмикрокристаллической структуры [6-10] и др.

В этой работе рассмотрены возможности применения ТВО для повышения комплекса механических свойств ПМ, полученного путем спекания проволоки или волокон из технически чистого

0

I

1 т

Рис. 1. Варианты применения пористых материалов из сплава ВТ1-00:

а - протезы тел позвонков из проволоки диам. 1,2 мм; б - сетчатый материал из проволоки диам. 0,4 мм; в - лист из волокон с размером поперечного сечения 20 мкм г - цилиндрический образец из проволоки диам. 0,4 мм

титана. Выбор полуфабриката исходного материала был обусловлен, в первую очередь, исходя из применения разрабатываемого ПМ в медицине. Одним из основных требований к таким материалам является высокая объемная доля пор (70-90%) с размерами 100-500 мкм. Это связано с обеспечением их остеоинтеграционных характеристик для прорастания остеобластов со средним поперечным размером 150-250 мкм. В отличие от гранул из волокон можно получать образцы в широком диапазоне объемной пористости, а варьируя размер их сечения, добиваться необходимого размера пор. Кроме того, волоконная структура ПМ позволяет снизить вероятность разрушения материала при сжатии и/или растяжении по сравнению с гранульным или порошковым ПМ.

В качестве исходного сырья для изготовления ПМ использовали проволоку из сплава ВТ1-00 диам. 0,2-1,2 мм и волокна со средним поперечным размером 10-50 мкм, полученные методом высокоскоростного затвердевания расплава [11]. Из проволоки изготовляли пористые образцы в виде цилиндров и полотна. Цилиндрические образцы получали в виде навитых спиралей, витки которой заваливали, прокатывали и свертывали в спираль большего диаметра (рис. 1, а) [12], а полотно получали сатиновым переплетением. Фрагменты полотна складывали слоями так, чтобы направления проволоки в смежных слоях располагались под углом 45° (рис. 1, б). Цилиндрические и плоские образцы из волокон получали прессованием в пресс-формах требуемого сечения (рис. 1, в и г). Заготовки, полученные различными методами, спекали под нагрузкой, обеспечивающей давление 0,1-5 МПа, при 800960 °С. Спеченные заготовки подвергали ТВО, включающей наводороживание при температуре 800 °С, предварительную дегазацию при этой же или более низкой температуре и окончательный вакуумный отжиг в интервале 600-800 °С в течение 1-4 ч.

Полученные таким образом образцы исследовали с применением металлографического анализа и измерения механи-

в

Рис. 2. Микроструктура зоны контакта проволочных образцов после спекания при 820 (а, б), 870 (в, г), 920 °С (д, е) и термоводородной обработки (б, г, е), х350

ч0 10 20 30

H, %(атомные) 40 50

1000 --100-200-

1,15 1,33 2,16

" (aTi)

a+6(TiH2)

0 Ti

0,5 1 1,5 2 2,5 3 Содержание Hj мае.

4,5

Рис. 3. Диаграмма состояния системы Т1-И [7] и схема выбора режимов ТВО

ческих характеристик. Исследования структуры и свойств спеченных заготовок показали, что формирование физического контакта между проволоками или волокнами происходит при температурах выше 900 °С. При более низких температурах спекания контакты носят механический характер с четкой границей стыка поверхностей волокон (рис. 2, а). При этом прочность таких контактов очень низкая и возрастает по мере увеличения температуры спекания в ß-области и увеличения доли физического контакта (рис. 2, б и в). Для повышения прочности контактов волокон и всего ПМ была применена ТВО. Принципы выбора режимов такой обработки можно сформулировать следующим образом:

- температурно-кон-центрационные условия наводороживания должны обеспечивать условия полной фазовой перекристаллизации a^ß;

- температура наводороживания должна быть как можно ниже, чтобы не приводить к росту ß-зерна при переходе в однофазную область;

- объемный эффект превращения (a+ß)-o-ß при введении водорода и дегазации должен быть достаточно высоким, чтобы обеспечить фазовый наклеп и условия для развития рекристаллизации a- и ß-фаз;

- нежелательно использовать перекристаллизацию, связанную с образованием гидридов, так как это может привести к образованию микротрещин в материале.

В соответствии с этими принципами и диаграммой состояния системы Ti-H (рис. 3) [7] проводили выбор режимов ТВО. Температуру наводороживания (см. рис. 3, линия 1) ограничили 800 °С. При этой температуре сплав с исходным содержанием водорода представлен только a-фазой и при увеличении его концентрации

происходит а^-р-превращение в сплаве. При содержании водорода свыше 0,2% сплав переходит в однофазное состояние. При этом температура 800 °С недостаточно высока для развития интенсивного роста р-зерна.

На следующем этапе возможны два варианта обработки: охлаждение наводороженного сплава до нормальной температуры с последующим вакуумным отжигом; дегазация при 800 °С или несколько меньшей температуре.

В случае первого варианта при охлаждении титанового сплава в нем могут развиваться р^б- и Р^а+б-превращения, в процессе которых происходит интенсивный фазовый наклеп из-за высокого различия атомных объемов сосуществующих фаз. Однако образование гидридов может приводить к появлению в структуре материала микротрещин, которые под действием термических или других напряжений будут развиваться в макротрещины и приводить к «самопроизвольному» разрушению заготовок или изделий. Поэтому предпочтительным можно считать второй

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком

Пoхожие научные работыпо теме «Металлургия»