ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЕ ДОБАВОК КОБАЛЬТА НА СТРУКТУРНЫЕ СВОЙСТВА И ОСОБЕННОСТИ РАЗРУШЕНИЯ ПОРИСТЫХ СПЛАВОВ НА ОСНОВЕ НИКЕЛИДА ТИТАНА, ПОЛУЧЕННЫХ ДИФФУЗИОННЫМ СПЕКАНИЕМ
|
ВВЕДЕНИЕ 3
1 Влияние кобальта на структуру и прочностные характеристики в сплавах на основе
никелида титана 6
1.1 Получение порошка никелида титана методом гидридно-кальциевого
восстановления 6
1.2 Влияние легирования кобальтом на микроструктуру, структурно-фазовый состав
пористого никелида титана, полученного диффузионным спеканием 10
2 Постановка задачи. Материалы и методы исследования 21
2.1 Постановка задачи 21
2.2 Материалы и методы исследования 25
3 Структурные особенности порошка на основе никелида титана, полученного методом
гидридно-кальциевого восстановления 26
3.1 Морфология поверхности частиц порошка никелида титана 26
4 Влияние добавки кобальта на структурные параметры, мартенситные превращения при растяжении и поверхность разрушения в пористых сплавах на основе никелида титана ...33
4.1 Структурные параметры материалов на основе никелида титана с добавками
кобальта, полученных методом диффузионного спекания 33
4.2 Морфология поверхностей разрушения пористых сплавов на основе никелида титана
с добавкой кобальта 40
4.3 Мартенситные превращения в пористых сплавах на основе никелида титана с добавкой кобальта при растяжении 42
ВЫВОДЫ 45
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 47
1 Влияние кобальта на структуру и прочностные характеристики в сплавах на основе
никелида титана 6
1.1 Получение порошка никелида титана методом гидридно-кальциевого
восстановления 6
1.2 Влияние легирования кобальтом на микроструктуру, структурно-фазовый состав
пористого никелида титана, полученного диффузионным спеканием 10
2 Постановка задачи. Материалы и методы исследования 21
2.1 Постановка задачи 21
2.2 Материалы и методы исследования 25
3 Структурные особенности порошка на основе никелида титана, полученного методом
гидридно-кальциевого восстановления 26
3.1 Морфология поверхности частиц порошка никелида титана 26
4 Влияние добавки кобальта на структурные параметры, мартенситные превращения при растяжении и поверхность разрушения в пористых сплавах на основе никелида титана ...33
4.1 Структурные параметры материалов на основе никелида титана с добавками
кобальта, полученных методом диффузионного спекания 33
4.2 Морфология поверхностей разрушения пористых сплавов на основе никелида титана
с добавкой кобальта 40
4.3 Мартенситные превращения в пористых сплавах на основе никелида титана с добавкой кобальта при растяжении 42
ВЫВОДЫ 45
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 47
Актуальность работы
Сплавы на основе интерметаллида никелида титана (TiNi) выполняют широкий спектр задач в медицине и технике благодаря комплексу уникальных свойств - эффект памяти формы, сверхэластичность, демпфирующая способность, высокий уровень биосовместимости и коррозионной стойкости [1]. Пористо-проницаемые материалы на основе TiNi успешно применяются в медицине за счет соответствия гистерезисного поведения материала биологическим тканям организма человека и особой развитой трехмерной структуры пористого пространства близкого к анатомическому строению тканей, что в совокупности обеспечивает благоприятные условия для интеграции имплантируемого устройства [2]. На основе методов порошковой металлургии разработаны имплантируемые конструкции на основе пористого никелида титана для использования в онкологии, стоматологии, челюстно-лицевой хирургии [1].
Исходные порошки определяют структурные параметры и физико-механические свойства пористых материалов, получаемых методами порошковой металлургии. Метод диффузионного спекания готового порошка никелида титана позволяет изготавливать материал с наиболее однородным фазово-химическим составом, чем в случае материалов, синтезируемых методом СВС или реакционным спеканием при использовании порошков титана и никеля [3 - 4]. В литературе встречаются исследования структурных особенностей порошков TiNi, произведенных по технологии гидридно-кальциевого восстановления [5, 6]. В данных работах получали однородный порошок никелида титана в двухфазном состоянии B2 и B19'путем выдержки в течение 8 ч при температуре 1100-1150 °С. Однако в ряде других работ отмечается сложность создания однородного по фазово-химическому составу порошка на основе никелида титана [4, 7]. Формирование гомогенного сплава TiNi из порошковой смеси титана и никеля возможно, если радиус частиц не превышает 10 мкм, при спекании в течение 40 ч при температуре 1000 0С [4]. Чем крупнее частицы, тем больше требуется времени выдержки для достижения однородного фазово-химического состава порошка. Использование даже мелкодисперсных порошков титана и никеля с частицами размером до 40 мкм требует очень большого времени для гомогенизации сплава [4]. Получение однородного порошка на основе никелида титана является трудноразрешимой задачей, поэтому данная проблема требует детального рассмотрения.
Помимо этого, сплавы на основе никелида титана очень чувствительны к различного рода добавкам. Даже несколько десятых долей процента какого-либо химического элемента, могут существенно сказаться на его структуре, физико-механических свойствах, а также последовательности и характеристиках мартенситных превращений. Кобальт в данном случае является эффективными инструментом такого регулирования.
Существует несколько причин выбора порошка кобальта в качестве легирующей добавки при спекании порошка никелида титана для получения пористо-проницаемых материалов. Во-первых, кобальт очень близок по своим свойствам к никелю и в порошке никеля всегда присутствует примесь Со (до 0,003 масс. %) [8], поэтому его влияние на структуру и свойства сплава на основе TiNi принципиально для рассмотрения. Во-вторых, вступление в реакционное взаимодействие добавки кобальта с легкоплавкой составляющей системы - фазой Ti2Ni запускает массоперенос, выравнивая концентрационную неоднородность в порошковой системе в процессе спекания. В-третьих, образующееся в процессе спекание интерметаллидное соединение TiCo не будет являться инертом в синтезированной системе, а благодаря наличию в нем свойства памяти формы будет вносить вклад в деформационную моду накопленной деформации при проявлении этого эффекта в пористой системе [9]. В-четвертых, легирование кобальтом позволяет изменять не только характеристические температуры сплавов на основе никелида титан, но и параметры формоизменения и деформационные свойства пористого материала на основе никелида титана.
Целью данной работы является изучение влияние Co на структуру и физико-механические свойства никелида титана.
Задачи работы:
1. Провести литературный обзор на тему научной работы;
2. Получить методом диффузионного спекания образцы пористого никелида титана с добавками кобальта (0; 0,5; 1; 1,5; 2 ат. %);
3. Исследовать структурные параметры порошков на основе никелида титана, полученных методом гидридно-кальциевого восстановления и спеченных пористых материалов на основе никелида титана;
4. Исследовать и проанализировать особенности поверхностей разрушения пористых сплавов с добавками кобальта;
5. Изучить влияние легирующей добавки Со на особенности изменения напряжения и деформации при мартенситных превращениях в условиях нагрузки в пористых сплавах.
Объектами исследования являются порошки никелида титана марки ПВ-Н55Т45С полученные методом гидридно-кальциевого восстановления и пористые образцы на основе никелида титана с добавками кобальта от 0 до 2 ат. %, полученные методом диффузионного спекания порошков никелида марки ПВ-Н55Т45 и ПК-1У.
Научная новизна работы состоит в изучении структурных характеристик исходного порошка TiNi, изготовленного методом гидридно-кальциевого восстановления и влиянию добавок кобальта на структурные параметры пористого никелида титана, полученного методом диффузионного спекания, а также на критическое напряжение мартенситного сдвига при растяжении и особенности разрушения пористых сплавов на основе TiNi.
Результаты исследования докладывались на VI международной научно-технической конференции молодых ученых, аспирантов и студентов «Высокие технологии в современной науке и технике» и XV Международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Перспективы развития фундаментальных наук». Материалы исследований опубликованы в 2 статьях научного журнала «Физика. Известия вузов».
Сплавы на основе интерметаллида никелида титана (TiNi) выполняют широкий спектр задач в медицине и технике благодаря комплексу уникальных свойств - эффект памяти формы, сверхэластичность, демпфирующая способность, высокий уровень биосовместимости и коррозионной стойкости [1]. Пористо-проницаемые материалы на основе TiNi успешно применяются в медицине за счет соответствия гистерезисного поведения материала биологическим тканям организма человека и особой развитой трехмерной структуры пористого пространства близкого к анатомическому строению тканей, что в совокупности обеспечивает благоприятные условия для интеграции имплантируемого устройства [2]. На основе методов порошковой металлургии разработаны имплантируемые конструкции на основе пористого никелида титана для использования в онкологии, стоматологии, челюстно-лицевой хирургии [1].
Исходные порошки определяют структурные параметры и физико-механические свойства пористых материалов, получаемых методами порошковой металлургии. Метод диффузионного спекания готового порошка никелида титана позволяет изготавливать материал с наиболее однородным фазово-химическим составом, чем в случае материалов, синтезируемых методом СВС или реакционным спеканием при использовании порошков титана и никеля [3 - 4]. В литературе встречаются исследования структурных особенностей порошков TiNi, произведенных по технологии гидридно-кальциевого восстановления [5, 6]. В данных работах получали однородный порошок никелида титана в двухфазном состоянии B2 и B19'путем выдержки в течение 8 ч при температуре 1100-1150 °С. Однако в ряде других работ отмечается сложность создания однородного по фазово-химическому составу порошка на основе никелида титана [4, 7]. Формирование гомогенного сплава TiNi из порошковой смеси титана и никеля возможно, если радиус частиц не превышает 10 мкм, при спекании в течение 40 ч при температуре 1000 0С [4]. Чем крупнее частицы, тем больше требуется времени выдержки для достижения однородного фазово-химического состава порошка. Использование даже мелкодисперсных порошков титана и никеля с частицами размером до 40 мкм требует очень большого времени для гомогенизации сплава [4]. Получение однородного порошка на основе никелида титана является трудноразрешимой задачей, поэтому данная проблема требует детального рассмотрения.
Помимо этого, сплавы на основе никелида титана очень чувствительны к различного рода добавкам. Даже несколько десятых долей процента какого-либо химического элемента, могут существенно сказаться на его структуре, физико-механических свойствах, а также последовательности и характеристиках мартенситных превращений. Кобальт в данном случае является эффективными инструментом такого регулирования.
Существует несколько причин выбора порошка кобальта в качестве легирующей добавки при спекании порошка никелида титана для получения пористо-проницаемых материалов. Во-первых, кобальт очень близок по своим свойствам к никелю и в порошке никеля всегда присутствует примесь Со (до 0,003 масс. %) [8], поэтому его влияние на структуру и свойства сплава на основе TiNi принципиально для рассмотрения. Во-вторых, вступление в реакционное взаимодействие добавки кобальта с легкоплавкой составляющей системы - фазой Ti2Ni запускает массоперенос, выравнивая концентрационную неоднородность в порошковой системе в процессе спекания. В-третьих, образующееся в процессе спекание интерметаллидное соединение TiCo не будет являться инертом в синтезированной системе, а благодаря наличию в нем свойства памяти формы будет вносить вклад в деформационную моду накопленной деформации при проявлении этого эффекта в пористой системе [9]. В-четвертых, легирование кобальтом позволяет изменять не только характеристические температуры сплавов на основе никелида титан, но и параметры формоизменения и деформационные свойства пористого материала на основе никелида титана.
Целью данной работы является изучение влияние Co на структуру и физико-механические свойства никелида титана.
Задачи работы:
1. Провести литературный обзор на тему научной работы;
2. Получить методом диффузионного спекания образцы пористого никелида титана с добавками кобальта (0; 0,5; 1; 1,5; 2 ат. %);
3. Исследовать структурные параметры порошков на основе никелида титана, полученных методом гидридно-кальциевого восстановления и спеченных пористых материалов на основе никелида титана;
4. Исследовать и проанализировать особенности поверхностей разрушения пористых сплавов с добавками кобальта;
5. Изучить влияние легирующей добавки Со на особенности изменения напряжения и деформации при мартенситных превращениях в условиях нагрузки в пористых сплавах.
Объектами исследования являются порошки никелида титана марки ПВ-Н55Т45С полученные методом гидридно-кальциевого восстановления и пористые образцы на основе никелида титана с добавками кобальта от 0 до 2 ат. %, полученные методом диффузионного спекания порошков никелида марки ПВ-Н55Т45 и ПК-1У.
Научная новизна работы состоит в изучении структурных характеристик исходного порошка TiNi, изготовленного методом гидридно-кальциевого восстановления и влиянию добавок кобальта на структурные параметры пористого никелида титана, полученного методом диффузионного спекания, а также на критическое напряжение мартенситного сдвига при растяжении и особенности разрушения пористых сплавов на основе TiNi.
Результаты исследования докладывались на VI международной научно-технической конференции молодых ученых, аспирантов и студентов «Высокие технологии в современной науке и технике» и XV Международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Перспективы развития фундаментальных наук». Материалы исследований опубликованы в 2 статьях научного журнала «Физика. Известия вузов».
На основании проведенных исследований можно сделать следующие выводы:
1. Порошок на основе никелида титана ПВ-Н55Т45 состоит из интерметаллидного соединение TiNi, которое находится в двухфазном состоянии - B2 и В19', обнаружены вторичные фазы Ti?Ni и Ti4Ni?(O, N, С), TiNis, TisNi4.
2. Порошок имеет двойную морфологию частиц - компактную и губчатую. Компактные частицы порошка состоят из округлых зерен никелида титана, которые окружены массивной прослойкой соединения Ti2Ni. В губчатых частицах отмечается преимущественное содержание фазы TiNi в виде единого конгломерата мелких зерен размером 10-20 мкм. В компактных частицах мартенситная фаза B19'в пределах одного массивного зерна состоит из ортогональных пластин двойников, расположенных в различных ориентациях. В губчатых частицах наблюдается иной тип мартенситной структуры, который имеет в своей структуре множественные кристаллы мартенсита B19'с пакетно-пирамидальной морфологией, которые заполняют полный объем зерна.
3. Методом диффузионного спекания порошка никелида титана при температуре 1260 °С получен материал с оптимальными параметрами макроструктуры и высоким качеством межчастичных контактов. Величина пористости спеченного материала составила 57 %, а средний размер пор равен (84 ± 1,3) мкм. Методами рентгеноструктурного анализа в спеченном пористом материале обнаружены фазы B2, B19', Ti2Ni, TisNi4. Добавка кобальта при получении пористых материалов на основе никелида титана методом диффузионного спекания порошка TiNi оказывает активирующее действие на процесс спекания. Наблюдается увеличение среднего размера пор и уменьшение величины пористости по сравнению с пористыми материалами на основе TiNi без добавок Co. При сравнении структурных параметров пористых образцов, полученных с добавками Co в концентрационном интервале (0 - 1,5) ат. %, не происходит значительных изменений. Увеличение добавки кобальта до 2 ат. % вызывает резкое увеличение среднего размера пор до (145 ± 4) мкм.
4. При добавке 0,5 ат. % Co наблюдается преимущественно вязко-хрупкий тип разрушения, однако при увеличении добавки до 1 ат. % в некоторых участках наблюдаются разрушения с пластинчатым мартенситным рельефом. В концентрационном интервале (1,5 -
2) ат. % Co наблюдается мартенситный рельеф с различной ориентацией пластин B19', образование которых связано с наличием множества мелкодисперсных упрочняющих фаз создающие внутренние напряжения в объеме зерна.
5. Мартенситное превращение при деформации растяжением в пористых материалах на основе никелида титана, полученного методом диффузионного спекания, имеет двухстадийный характер. Напряжение мартенситного сдвига на первой стадии минимальное и не зависит от концентрации Со. Максимальное напряжение второй стадии в образце без легирования снижается до минимального при 1,5 ат. % Со.
6. Обнаружена критическая концентрация 1,5 ат. % Со выше которой дисперсионное твердение стимулирует рост упругих напряжений и сдерживает начало мартенситного превращения в аустените. В интервале 0,5 - 1,5 ат. % Со наблюдается уменьшение значения напряжения мартенситного сдвига с 7 до 2,5 МПа, а при 2 ат. % Со величина напряжения мартенситного сдвига составляет 5,5 МПа.
7. Влияние легирующей добавки Со на мартенситные превращения в пористом спеченном сплаве никелида титана, заключается в снижении критического значения напряжения мартенситного сдвига.
1. Порошок на основе никелида титана ПВ-Н55Т45 состоит из интерметаллидного соединение TiNi, которое находится в двухфазном состоянии - B2 и В19', обнаружены вторичные фазы Ti?Ni и Ti4Ni?(O, N, С), TiNis, TisNi4.
2. Порошок имеет двойную морфологию частиц - компактную и губчатую. Компактные частицы порошка состоят из округлых зерен никелида титана, которые окружены массивной прослойкой соединения Ti2Ni. В губчатых частицах отмечается преимущественное содержание фазы TiNi в виде единого конгломерата мелких зерен размером 10-20 мкм. В компактных частицах мартенситная фаза B19'в пределах одного массивного зерна состоит из ортогональных пластин двойников, расположенных в различных ориентациях. В губчатых частицах наблюдается иной тип мартенситной структуры, который имеет в своей структуре множественные кристаллы мартенсита B19'с пакетно-пирамидальной морфологией, которые заполняют полный объем зерна.
3. Методом диффузионного спекания порошка никелида титана при температуре 1260 °С получен материал с оптимальными параметрами макроструктуры и высоким качеством межчастичных контактов. Величина пористости спеченного материала составила 57 %, а средний размер пор равен (84 ± 1,3) мкм. Методами рентгеноструктурного анализа в спеченном пористом материале обнаружены фазы B2, B19', Ti2Ni, TisNi4. Добавка кобальта при получении пористых материалов на основе никелида титана методом диффузионного спекания порошка TiNi оказывает активирующее действие на процесс спекания. Наблюдается увеличение среднего размера пор и уменьшение величины пористости по сравнению с пористыми материалами на основе TiNi без добавок Co. При сравнении структурных параметров пористых образцов, полученных с добавками Co в концентрационном интервале (0 - 1,5) ат. %, не происходит значительных изменений. Увеличение добавки кобальта до 2 ат. % вызывает резкое увеличение среднего размера пор до (145 ± 4) мкм.
4. При добавке 0,5 ат. % Co наблюдается преимущественно вязко-хрупкий тип разрушения, однако при увеличении добавки до 1 ат. % в некоторых участках наблюдаются разрушения с пластинчатым мартенситным рельефом. В концентрационном интервале (1,5 -
2) ат. % Co наблюдается мартенситный рельеф с различной ориентацией пластин B19', образование которых связано с наличием множества мелкодисперсных упрочняющих фаз создающие внутренние напряжения в объеме зерна.
5. Мартенситное превращение при деформации растяжением в пористых материалах на основе никелида титана, полученного методом диффузионного спекания, имеет двухстадийный характер. Напряжение мартенситного сдвига на первой стадии минимальное и не зависит от концентрации Со. Максимальное напряжение второй стадии в образце без легирования снижается до минимального при 1,5 ат. % Со.
6. Обнаружена критическая концентрация 1,5 ат. % Со выше которой дисперсионное твердение стимулирует рост упругих напряжений и сдерживает начало мартенситного превращения в аустените. В интервале 0,5 - 1,5 ат. % Со наблюдается уменьшение значения напряжения мартенситного сдвига с 7 до 2,5 МПа, а при 2 ат. % Со величина напряжения мартенситного сдвига составляет 5,5 МПа.
7. Влияние легирующей добавки Со на мартенситные превращения в пористом спеченном сплаве никелида титана, заключается в снижении критического значения напряжения мартенситного сдвига.