ВВЕДЕНИЕ 3
1 Сплавы с МЭПФ на основе никелида титана и их свойства 5
1.1 Сплавы системы Ti-Ni 5
1.2 Сплавы TiNi, легированные W 6
1.2.1 Методы получения сплавов TiNi-W 7
1.3 Однократный и многократный эффект памяти формы сплавов на основе
никелида титана 10
1.4 Эффект сверхэластичности и ферроэластичности сплавов на основе
TiNi 12
1.5 Влияние добавок вольфрама на структуру и свойства сплавов на основе
никелида титана 13
2 Постановка задачи. Материалы и методы исследований 25
2.1 Постановка задачи 25
2.2 Материалы и методы исследования 26
3 Результаты работы 28
3.1 Количественный рентгеноструктурный анализ монолитных сплавов
TiNiW 28
3.2 Исследование микроструктуры и элементного анализа сплавов
Ti50Ni50Wo и Ti50Ni49,6W0,5 30
3.3 Физико-механические свойства монолитных сплавов TiNiW 33
3.4 Многократный эффект памяти формы сплавов TiNiW 37
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 46
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 48
В настоящее время большой интерес представляют сплавы с эффектом памяти формы, которые применяются в различных областях науки и техники [1]. Эффект памяти формы заключается в том, что деформированный при определенной температуре образец может частично или полностью вернуться в прежнее состояние при нагревании. Происходит это из-за наличия термоупругих мартенситных пластин, в которых при нагревании возникают внутренние напряжения, которые стремятся вернуться в изначальную форму, если образец был предварительно деформирован.
Самым известным материалом с памятью формы, использующимся во многих областях, и, в частности, в медицине, является никелид титана. Никелид титана используется в качестве имплантатов, применяемых для лечения костных переломов (остеосинтеза), замещения связочно-хрящевых структур позвоночника и т.п. [2, 3]. Сплавы TiNi обладают высокой коррозионной стойкостью, прочностью, демпфирующей способностью, пластичностью, биосовместимостью [4 - 6].
Для решения различных медицинских задач в ряде случаев требуются материалы c новыми или улучшенными свойствами. Некоторые свойства нитинола можно улучшить или изменить, используя разные способы обработки или легированием другими металлами, например, вольфрамом, серебром, молибденом и другими. Сплавы TiNi, легированные такими химическими элементами как Fe, Cu, Mo, Al, Co и др. хорошо исследованы [7 - 11]. В зависимости от ситуации можно повысить или снизить температуры фазовых переходов из мартенситного состояния в аустенитное и наоборот, некоторые добавки увеличивают прочность или увеличивают температурный гистерезис фазовых превращений.
Стоит отметить, что одним из перспективных легирующих элементов с точки зрения возможного использования в медицине является вольфрам, так как он не токсичен и обладает высокой коррозионной стойкостью. На основе проведенного литературного обзора установлено, что оптимальный концентрационный интервал легирования вольфрамом для сплавов никелида титана, при котором сохраняются технологичные свойства никелида титана (ковкость, деформируемость) составляет от 0 до 2 ат. %. Стоит отметить, что основная масса работ посвящена изучению тонких пленок на основе TiNiW, значительно меньше работ посвящено исследованию монолитных сплавов TiNiW [12 - 14]. В работе [15] утверждают, что добавление такого элемента как W увеличивает плотность сплава, что приводит к значительному увеличению рентгеноконтрастности имплантата на рентгеновских снимках. Прочность сплавов TiNiW возрастает, а пластичность снижается при увеличении содержания вольфрама [16]. Из-за того, что атомы вольфрама меньше по диаметру атомов титана и никеля, кристаллическая решетка В2-фазы при легировании W системы Ti-Ni сжимается [12].
Сплав с вольфрамом демонстрирует отличное сочетание прочности и пластичности, несмотря на хрупкую природу W. В существующих работах, концентрация W в сплаве TiNi достигает 4,5 ат. % и более, но не были рассмотрены варианты легирования малыми добавками вольфрама до 0,5 ат. %. Сплавы на основе никелида титана, легированные малыми добавками вольфрама могут быть особенно перспективными имплантационными материалами из-за высокой рентгеноструктурной контрастности, что позволит расширить применение сплавов на основе никелида титана в медицине.
Был проведен литературный обзор, который показал, вольфрам является перспективным легирующим элементом для сплавов на основе никелида титана. С его помощью можно смещать характеристические температуры прямых и обратных мартенситных превращений в область более низких температур, а также модифицировать сплав таким образом, чтобы трехстадийный переход B2-R-B19’ перешел в двухстадийный B2-B19’ или B2-R. Легирование вольфрамом улучшает прочностные характеристики материала, что можно использовать для расширения области применения сплавов системы TiNiW. За счет увеличения рентгеноконтрастности, в результате легирования вольфрамом, можно упростить процесс имплантации элементов из сплавов на основе никелида титана. При этом эффект памяти формы остается на приемлемом уровне для решения большинства задач. Согласно литературному обзору наиболее эффективно легировать вольфрамом сплав TiNi менее чем на 2 ат. %, в противном случае большая часть полезных свойств сплава заметно ухудшится.
Методом рентгеноструктурного анализа установлен фазовый состав, изучен элементный состав микроструктуры сплавов Ti5ONi5o-xWx(при х = 0,2; 0,4; 0,5 ат. %). Основные фазы TiNi, Ti2Ni, TiNi3, Ti3Ni4, W, где вольфрам присутствует в сплаве TiNi в виде отдельных частиц, средний размер которых 0,5 мкм. Установлено, что МЭПФ монолитных сплавов на основе никелида титана, легированных вольфрамом до 0,2 ат. %, не ухудшается и остается на высоком уровне, при этом степень недовозврата после 10 цикла охлаждения-нагрева под нагрузкой для всех сплавов, легированных вольфрамом, близка к нулю, что говорит о высоких сверхэластичных свойствах сплавов Ti50Ni50-xWx (при х = 0,2; 0,4; 0,5 ат. %). Прочностные и пластические характеристики сплавов системы TiNiW с ростом содержания вольфрама от 0,2 до 0,5 ат. % снижаются, но остаются приемлемыми для решения большинства задач. Зависимость напряжения от деформации уже при CW= 0,4 ат. % в сплаве TiNi не имеет традиционное плато, связанное с образованием мартенсита напряжения, предположительно из-за уменьшения объемной доли В2-фазы на 50 %. Практическое применение сплавов TiNiW имеет перспективы при концентрации W до 0,2 ат. %.
