Введение к работе
з
Актуальность работы: В последнее время в медицине и технике широко используются сплавы на основе никелида титана, обладающие уникальными характеристиками эффектов памяти формы (ЭПФ) и сверхэластичности. Для эффективного применения сплавов никелида титана необходимо направленно изменять их свойства и параметры формоизменения с сохранением оптимальных физико-механических свойств. Для этих целей используют различные методы термомеханической обработки и вариации химического состава -легированием разными компонентами.
В настоящей работе представлены исследования структурно-фазовых состояний и физико-механических свойств сплавов на основе TiNi, легированных ванадием и ниобием.
Исследования сплавов на основе никелида титана, легированных V и Nb является актуальными как с точки зрения фундаментальных представлений о природе и механизмах термоупругих мартенситных превращений (МП) в сплавах TiNi, так и практического применения. Важным моментом является то, что легирование V и Nb приводит к разным последовательностям МП, и разному изменению температурного интервала и гистерезисных характеристик при МП. Для регулирования физико-механических свойств сплавов перспективным является легирование никелида титана и его сплавов ванадием, поскольку известно, что легирование ванадием металлических сплавов приводит к положительному изменению их физико-механических свойств. Экспериментально установлено и теоретически обосновано, что гистерезисное поведение в сплавах на основе никелида титана можно направлено изменять за счет дополнительного легирования Nb. Актуальность работы усиливается выбором материала исследования - сплавов на основе никелида титана, обладающих эффектами памяти формы, которые уже используются в медицине и промышленности.
Поэтому при выяснении природы мартенситных превращений в сплавах на основе TiNi важными являются исследования, которые позволят провести сравнительный анализ влияния разными по своему воздействию на структурно-фазовые состояния элементами.
Цель работы: Исследование структурно-фазовых состояний, микроструктуры, характеристик мартенситных превращений и физико-механических свойств сплавов на основе никелида титана, легированных ванадием и ниобием в зависимости от состава, термоцик-лирования и приложенной нагрузки.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
-
Провести анализ и систематизацию структурных параметров соединений и диаграмм состояния в бинарных и тройных системах на основе Ті и Ni. Определить области гомогенности фазы В2 в системах Ti-Ni-V и Ti-Ni-Nb. Установить преимущественные места расположения атомов легирующих элементов и выявить особенности изменения кри-сталлогеометрических параметров в соединениях на основе Ті и Ni.
-
Методами рентгеноструктурного анализа, растровой электронной и световой микроскопий провести исследования структурно-фазовых состояний и микроструктуры сплавов на основе никелида титана, легированных V и Nb.
-
Определить влияние легирования ванадием и ниобием сплавов на основе никелида титана на температурные интервалы и параметры эффекта памяти формы в зависимости от состава и термоциклирования.
-
Исследовать влияние легирования V и Nb на физико-механические свойства сплавов на основе никелида титана при термомеханическом воздействии и установить их связь со структурой.
Научная новизна:
-
В развитии представлений кристаллофизики и кристаллохимии построены сводные диаграммы состояния из бинарных и тройных систем и эволюция кристаллических структур в соединениях Ti-Ni-V и Ti-Ni-Nb. Установлено, что атомы V и Nb равновероятным образом стремятся располагаться на никелевой и титановой подрешетках в фазе с В2 структурой.
-
Установлено, что в сплавах на основе никелида титана, легированных V термоупругие мартенситные превращения B2^R-^B19' завершаются полным восстановлением формы и сопровождаются незначительным увеличением диссипативной энергии с ростом концентрации легирующего элемента. Обнаружено, что легирование Nb приводит к увеличению температурных интервалов В2^>В19' почти в 2 раза (прямого с 60 до 120 К), при этом термоупругое мартенситное превращение реализуется с высокими диссипативными потерями и с неполным восстановлением формы (&ост= 0,4 %).
-
Экспериментально установлено, что легирование сплава на основе никелида титана, 1 ат. % V приводит к значительному повышению пластических свойств (на 70 %) и критических напряжений мартенситного сдвига при сохранении прочностных характеристик. Сплавы, легированные 1 ат. % Nb имеют высокие показатели пластичности при этом напряжения мартенситного сдвига снижаются на 150 МПа.
-
Выявлено, что в сплавах с 1 ат. % V высокие механические свойства обусловлены наличием упрочняющих мелкодисперсных частиц TiNiV, в сплавах с более высоким содержанием ванадия увеличение размеров зерен до 25 мкм и высокая плотность распределения вторичных фаз (дендритов, крупных частиц Ti2(Ni,V), ТідМгО и x-(TiNiV) по границам зерен приводит к охрупчиванию сплава.
-
Показано, что в микролегированных Nb сплавах низкие прочностные свойства обусловлены наличием большой объемной доли эвтектики (до 15 %) и частиц Ni56Ti29Nbi5, расположенных по границам зерен. В сплавах с 1 ат. % Nb улучшение механических свойств связано с уменьшением объемной доли эвтектики до 5 % и вторичных фаз. Увеличение концентрации Nb, приводит к образованию дендритной кристаллизации и к росту объемной доли вторичных фаз, как по границам зерен, так и в матрице, что приводит к снижению прочности и охрупчивает сплав.
Новизна технических решений подтверждается патентом РФ.
Научная и практическая значимость работы:
Полученные результаты развивают представления о закономерностях формирования микроструктуры сплавов и реализации в них термоупругих МП, которые дают возможность целенаправленно выбпрать способы создания сплавов на основе никелида титана с заданным комплексом физико-механических свойств. Установлено, что наиболее эффек-
5 тивным, с данной точки зрения, является многокомпонентное легирование никелида титана, которое позволяет в широких пределах варьировать температурные интервалы и последовательность МП в сплавах, комплекс их физико-механических свойств и существенно расширяет возможности практического применения сплавов с ЭПФ.
Сплав на основе никелида титана, легированный 1 ат. % V, обладающий высокими функциональными свойствами и механическими характеристиками, перспективен для использования в медицине в качестве имплантационного материала. Технический результат подтвержден конкретным примером клинического использования имплантата из сплава никелида титана, легированного ванадием (1 ат. %) при лечении не закрывающихся дефектов трахеи, проводимого в клинике Томского филиала ФГУ «НКЦ оториноларингологии ФМБА России» и отделении опухолей головы и шеи НИИ онкологии ТНЦ СО РАМН.
Автор защищает:
-
Результаты влияния легирования ванадием и ниобием в бинарных и тройных системах Ti-Ni-Me, особенности строения кристаллических структур и закономерности изменения кристаллогеометрических параметров, определяющих области гомогенности в ин-терметаллидах в области эквиатомного состава.
-
Результаты экспериментальных исследований структурно-фазовых состояний и микроструктуры сплавов на основе никелида титана, легированных V и Nb.
-
Установленные температурные интервалы, последовательности мартенситных превращений и значения параметров эффектов памяти формы сплавов на основе никелида титана, легированных V и Nb в зависимости от состава, термопиклирования и внешнего напряжения.
-
Экспериментально установленные физико-механические свойства сплавов на основе никелида титана, легированных V и Nb и их корреляцию со структурой сплавов.
Достоверность результатов определяется применением комплекса методов исследований, с использованием современного оборудования и программ для анализа полученных результатов, соответствием экспериментальных результатов с данными других авторов.
Апробация работы:
Результаты работы были доложены и обсуждены на IV - VI Всероссийских научных конференциях молодых ученых «Физика и химия высокоэнергитических систем» (Томск, 2008 - 2010); XII Международном, междисциплинарном симпозиуме «Упорядочение в минералах и сплавах» (Сочи, 2009); Региональной научно-технической конференции «Перспективные материалы и технологии» (Томск, 2009); Международных конференциях «Материалы с памятью формы и новые технологие в медицине» (Томск, 2007, 2010); XV, XVI Всероссийских научных конференциях студентов-физиков и молодых ученых «ВНКСФ-15», «ВНКСФ-16» (Кемерово, Волгоград 2009, 2010); V Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых. (Кемерово, 2010).
Публикации:
По теме диссертационной работы опубликовано 38 печатных работ, включающих 11 статей в российских и зарубежных журналах, входящих в перечень ВАК, 3 раздела в материалах монографий «Медицинские материалы и имплантаты с памятью формы» под ред. проф. В.Э. Гюнтера, 1 патент и 23 работы в периодических изданиях и сборниках трудов и
материалов российских и международных конференций. Список работ приведенных в автореферате отражает основные положения и содержание диссертационной работы.
Структура и объем диссертации:
Диссертация состоит из введения, пяти глав, приложения, выводов, и списка цитируемой литературы из 146 наименований. Диссертационная работа изложена в 164 страницах, в том числе 112 рисунков и 18 таблиц.
