автореферат диссертации по металлургии, 05.16.01, диссертация на тему:Формирование ультрамелкозернистых структур и повышенных механических свойств в малолегированных титановых сплавах комбинированными методами интенсивной пластической деформации

На правах рукописи

СЕМЕНОВА Ирина Петровна

ФОРМИРОВАНИЕ УЛЬТРАМЕЛКОЗЕРНИСТЫХ СТРУКТУР И ПОВЫШЕННЫХ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ В МАЛОЛЕГИРОВАННЫХ ТИТАНОВЫХ СПЛАВАХ КОМБИНИРОВАННЫМИ МЕТОДАМИ ИНТЕНСИВНОЙ ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ

Специальность 05.16.01-«Металловедение и термическая обработка металлов и сплавов»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Уфа-2011

1 9 МАЙ 2011

4847197

Работа выполнена в Институте физики перспективных материалов при НИЧ Уфимского государственного авиационного технического университета

Научный консультант: Заслуженный деятель науки РФ и РБ, доктор физико-

математических наук, профессор ВАЛИЕВ РУСЛАН ЗУФАРОВИЧ

Официальные оппоненты: Доктор технических наук, профессор

ДОБАТКИН СЕРГЕЙ ВЛАДИМИРОВИЧ

Заслуженный деятель науки РФ,

доктор физико-математических наук, профессор

ПУШИН ВЛАДИМИР ГРИГОРЬЕВИЧ

Доктор физико-математических наук, доцент РУЩИЦ СЕРГЕЙ ВАДИМОВИЧ

Ведущая организация: ОАО «НЛП» «Мотор», г. Уфа.

Защита состоится 8 июня 2011 года в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 212.298.01 при Южно-Уральском государственном университете по адресу г. Челябинск, проспект Ленина, 76

Отзывы на автореферат в 2-х экземплярах, заверенные печатью, просим высылать по адресу: 454080, г. Челябинск, пр. Ленина, 76, ученому секретарю диссертационного совета Д 212.298.01 Факс: (351)267-91-23

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Южно-Уральского государственного университета

Автореферат разослан «<г» &/>у6€ьО) 2011 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, профессор, доктор физико-математических наук

Д.А. Мирзаев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Титан и его сплавы, благодаря высокой удельной прочности, коррозионной стойкости и биосовместимости, широко используются в качестве конструкционных материалов в медицине, машиностроении и авиакосмической промышленности. Вместе с тем на современном этапе развития техники и медицины возникает потребность повышения их механических, усталостных и других конструкционных и функциональных свойств, например для таких изделий, как имплантаты и устройства медицинского назначения, высоконагруженные детали энергетических установок, газоперекачивающих станций и авиационной техники.

Традиционно упрочнение титановых сплавов достигается их легированием, термомеханической обработкой за счет управления химическим составом и фазово-структурными превращениями. Новым эффективным способом повышения физико-механических свойств промышленных металлов и сплавов является создание в них ультрамелкозернистых (УМЗ) структур с использованием методов интенсивной пластической деформации (ИЦЦ), которые позволяют достигать очень больших пластических деформаций при относительно низких температурах (обычно 0,3...0,4 Тщ, К) в условиях высоких приложенных давлений1.

Для титана и ряда его сплавов данный подход был успешно использован в работах российских ученых (Р.З. Валиев, Ю.Р. Колобов, A.A. Попов, В.Г. Пущин, Г.А. Салищев, В.В. Столяров и др.), а также ряда зарубежных исследователей. Формирование УМЗ структуры в титановых сплавах и, как следствие, увеличение их конструкционной прочности создает возможность повышения эксплуатационных свойств изделий, изготовленных из них. В качестве методов ИПД активное развитие получили интенсивная пластическая деформация кручением (ИПДК), равноканальное угловое прессование (РКУП), всесторонняя многоступенчатая ковка и их различные модификации.

Одним из новых технических подходов, позволяющих получать длинномерные прутки с УМЗ структурой в широком размерном диапазоне является комбинация РКУП с известными методами деформации прокатки, волочения, экструзии и др. В настоящей работе данный подход был использован применительно к титановым материалам, так как титановые прутки являются одними из наиболее распространенных полуфабрикатов, используемых в промышленности. Вместе с тем создание комбинированной ИПД-технологии получения полуфабрикатов с УМЗ структурой требует оптимизации технологических режимов обработки как на стадии проведения РКУП, так и последующей стадии термомеханической обработки с целью обеспечения заданных размеров заготовок, однородности микроструктуры и стабильности получаемых свойств. Материаловедческим аспектом достижения высокого уровня механических характеристик полуфабрикатов является выявление общих закономерностей и особенностей формирования УМЗ структуры в зависимости от режимов обработки, и установление влияния основных параметров формирующейся структуры (размер, форма зерна, субструктура, состояние границ

1 Р.З.Валиев, И.В. Александров. Объемные наноструюурные металлические матфиалы: получение, структура, свойства - М.: ИКЦ «Академкнига», 2007-398С.: ил.

зерен и др.) на физико-механические свойства сплавов. Особый интерес вызывают исследования, направленные на повышение усталостной долговечности УМЗ титановых сплавов.

Кроме того, важным является оценка инновационного потенциала УМЗ титановых сплавов, которая требует проведения комплекса исследований эксплуатационных свойств образцов на стадиях изготовления полуфабрикатов и изделий, полученных из них, на примере медицинского крепежа и лопаток ГТД.

Решение этих проблем определяет актуальность настоящей диссертационной работы, связанной с разработкой научных основ и режимов обработки титановых материалов с использованием комбинированных способов интенсивной пластической деформации для изготовления прутков-полуфабрикатов и изделий с повышенными свойствами путем формирования в них УМЗ структуры.

Целью диссертационной работы является установление закономерностей влияния условий комбинированной обработки, включающей РКУП, деформационные и термические воздействия, на особенности УМЗ структур и механические свойства прутков из титана и сплавов системы Ti-6AI-4V, направленное на решение важной научно-технической задачи определения режимов обработки и создания инновационных технологических процессов получения полуфабрикатов и изделий с повышенными прочностными и усталостными свойствами.

В качестве объектов исследований были выбраны две марки технического титана различной чистоты (Ti Grade 2 и Grade 4), предназначенные для изготовления медицинских имплантатов и малолегированные сплавы Ti-6A1-4V (ВТ6) и Ti-6A1-4V ELI, которые также широко используются для изготовления различных изделий и конструкций в медицине, машиностроении, авиации и космической технике как в России, так и за рубежом.

При выполнении работы решались следующие задачи;

1. Исследование закономерностей влияния режимов (температуры, скорости и степени деформации) комбинированной обработки, включающей сочетание РКУП с волочением, прокаткой, отжигами, на параметры формирующейся УМЗ структуры и уровень механических свойств технически чистого титана Grade 2 и Grade 4.

2. Установление особенностей формирования УМЗ структуры в сплавах Ti-6A1-4V и Ti-6A1-4V ELI в зависимости от режимов РКУП в комбинации с последующими термомеханическими обработками.

3. Исследование сверхпластичности УМЗ сплава Ti-6A1-4V, полученного комбинированной обработкой, и влияния деформации в режиме сверхпластичности на структуру и механические свойства при комнатной температуре.

4. Определение закономерностей влияния УМЗ структуры на усталостные свойства титана и его сплавов Ti-6A1-4V, полученных комбинированными методами ИПД, и выявление ее ключевых параметров, приводящих к повышению предела выносливости материала.

5. Оценка инновационного потенциала применения УМЗ титана и его сплава Ti-6A1-4V в качестве конструкционных материалов при изготовлении прутков-

полуфабрикатов и изделий на примере медицинских имплантатов и лопаток

ГТД.

Научная новизна работы:

1. Изучены закономерности влияния режимов РКУП в сочетании с деформационными и термическими воздействиями на особенности формирования УМЗ структур в технически чистом титане (размер и форма зерен, дислокационная субструктура, состояние границ и др.). Впервые определены параметры УМЗ структуры - размер зерен 100...120 нм, доля болыцеугловых границ не менее 70%, наличие зернограничных сегрегации примесей, позволяющие обеспечить в титане Grade 4 не только очень высокую прочность (ств>1250МПа), но и значительную пластичность (8> 12%).

2. Установлены режимы комбинированной ИПД-обработки титана Grade 2 и Grade 4 (температура, скорость и степень деформации), включающей РКУП и последующие термомеханические обработки (прокатка, волочение, отжиги), обеспечивающие формообразование длинномерных прутков и формирование в них однородной УМЗ структуры, приводящей к повышенным механическим свойствам, которые значительно превосходят достигнутые ранее.

3. Впервые изучены особенности измельчения микроструктуры в двухфазном сплаве Ti-6A1-4V в ходе РКУП в зависимости от исходной морфологии а- и фаз (глобулярной и пластинчатой), геометрии оснастки, температуры, степени деформации. Показано, что комбинация РКУП с последующей экструзией и отжигами обеспечивает формирование в сплаве УМЗ структуры, характеризующейся высокой протяженностью преимущественно большеугловых границ а- зерен размером менее 300 нм с равномерно распределенными частицами Р- фазы, что ведет к достижению высокого уровня прочности и пластичности.

4. Определены условия деформационно-термической обработки УМЗ сплавов системы Ti-6A1-4V, полученных РКУП в сочетании с экструзией, которые позволяют реализовать их сверхпластическое поведение при относительно низких температурах (ниже температуры рекристаллизации); установлено, что данная обработка приводит к дальнейшей трансформации малоугловых субзеренных границ в болыпеугловые границы зерен а- фазы без значительного их роста и, как следствие, к дополнительному повышению пластичности с сохранением высокой прочности при комнатной температуре.

5. Впервые предложены принципы повышения усталостных свойств в УМЗ титановых материалах, основанные на достижении не только высокой прочности, но и повышенной пластичности. Данные принципы были реализованы в технологических процессах изготовления прутков-полуфабрикатов и промышленных изделий с УМЗ структурой из титана и сплава Ti-6A1-4V (на примере стоматологического имплантата и лопатки ГТД), в которых достигнуто значительное повышение предела выносливости при комнатной температуре.

Практическая значимость и реализация ее результатов. В результате проведенных исследований были разработаны технологические режимы получения титановых прутков-полуфабрикатов с УМЗ структурой, обеспечивающие достижение повышенных прочностных и усталостных свойств в Ti Grade 2, Grade 4 (патенты РФ №2285737, 2383654) и сплавах Ti-6A1-4V (ВТ6) и H-6A1-4V ELI

(патенты РФ №2285738, 2285740,). В прутках из титановых материалов с УМЗ структурой получены усталостные свойства, которые превышают достигнутый к настоящему времени предел выносливости <Х/ почти в 1,5 раза (для титана Grade 4 до 640 МПа и сплава Ti-6A1-4V до 740 МПа на базе 107 циклов). Разработанные режимы были использованы при создании опытно-промышленного технологического процесса производства УМЗ титановых прутков в ООО «Наномет» (г. Уфа).

Результаты исследований влияния структуры на эксплуатационные свойства УМЗ титана (сопротивление усталости на образцах с надрезом, малоцикловой усталости, коррозионной стойкости) явились основой для разработки технологических процессов изготовления крепежа медицинского назначения. В частности, продемонстрирована возможность практического применения длинномерных прутков из титана с УМЗ структурой для изготовления опытных дентальных имплантатов с повышенным комплексом механических и биосовместимых свойств. Стоматологические имплантаты улучшенной конструкции, изготовленные из УМЗ титана, аттестованы в ООО «Витадент» (г. Уфа), а также в фирме «Timplant» (Чешская республика). К настоящему времени они имплантированы более чем 1000 пациентам для опытных клинических наблюдений и получения медицинских сертификатов для их широкого применения.

Разработаны технологические рекомендации для получения изделий сложной формы из УМЗ титанового сплава ВТ6 методом изотермической штамповки при пониженных температурах с целью повышения усталостных свойств изделий (патент РФ №2382686). Данный способ реализован на Уфимском моторостроительном производственном объединении (УМПО) для изготовления опытных лопаток компрессора низкого давления ГТД. Усталостные испытания опытных лопаток на вибростенде ВЭДС-400А показали увеличение предела выносливости на 30 %.

Результаты диссертационной работы использованы в учебном процессе и вошли в учебные программы дисциплин для подготовки инженеров по специальности «Наноматериалы» на кафедре нанотехнологий ГОУ ВПО «УГАТУ». Основные положения и научные результаты, выносимые на защиту. Систематические исследования влияния условий обработки в процессе РКУП, термических и деформационных воздействий позволили установить основные закономерности формирования УМЗ структуры в прутках-полуфабрикатах из титана и сплавов системы Ti-6A1-4V. Выявлены критические структурные параметры (размеры и форма зерен, структура границ), ведущие к достижению высокой прочности и пластичности, повышенной усталостной долговечности в Ti материалах. Результаты выполненных исследований позволили сформулировать ряд положений, которые являются новыми и выносятся на защиту:

1.Комбинирование равноканального углового прессования с деформационными (прокатка, экструзия, волочение) и термическими обработками позволяет' эффективно проводить формообразование прутковых полуфабрикатов из малолегированных сплавов с УМЗ структурой, а также, дополнительно измельчать микроструктуру, изменять форму зерен и состояние их границ.

2.Высокий уровень прочности и пластичности, достигнутый в прутках-полуфабрикатах из технически чистого титана (ств=1340 МПа, 5=12% для Ti Grade 4)

и сплавах Ti-6A1-4V (ау=1510 МПа и 6=10% - для сплава ВТ6) после комбинированной обработки обусловлен не только формированием однородной УМЗ структуры с размером зерен 120...300 нм, но и образованием преимущественно болыпеугловых границ зерен а-фазы (более 60%).

3.Повышение усталостной прочности в условиях изгиба с вращением в Ti Grade 4 - до 640 МПа и сплаве Ti-6A1-4V - до 740 МПа на базе 107 циклов связано как с высокой прочностью, так и значительной пластичностью УМЗ титановых материалов. При этом распространение трещин происходит по границам зерен/субзерен, способствуя, в силу увеличения пути разрушения, повышению работы пластической деформации и, как следствие, вязкости разрушения.

4.УМЗ титановые сплавы в полученных прутковых полуфабрикатах демонстрируют типичные признаки сверхпластического течения - значительную пластичность, повышенную скоростную чувствительность напряжения течения, отсутствие упрочнения в условиях деформации осадкой или растяжения при относительно низких температурах (Т=450°С для Ti Grade 4 и Т=650°С для сплава ВТ6). При этом в микроструктуре происходит трансформация субзеренных границ в зеренные с увеличением общей доли большеугловых разориентировок.

5. Разработанные структурные принципы повышения механических свойств использованы в технологических режимах изготовления прутков и изделий из ультрамелкозернистых титановых материалов (Ti Grade 2, Grade 4, Ti-6A1-4V ELI, BT6).

Степень обоснованности полученных результатов обеспечивается использованием современных и апробированных методов исследования структуры, включая различные методики просвечивающей и растровой электронной микроскопии, рентгеноструктурного анализа, стандартных методов механических и усталостных испытаний, их статистической обработкой, воспроизводимостью результатов экспериментов и сравнением с имеющимися литературными данными. Достоверность полученных результатов подтверждается использованием взаимодополняющих, комплексных методов исследований, а также публикацией в реферируемых журналах и обсуждением на всероссийских и международных конференциях.

Личный вклад соискателя состоит в научной постановке задач исследования, получении, обсуждении и интерпретации экспериментальных результатов, подготовке и написании статей. Диссертант осуществлял научное руководство группой аспирантов и сотрудников. Были защищены 3 кандидатских диссертации, направленные на повышение свойств в титане и титановых сплавах путем формирования объемной УМЗ структуры с использованием ИПД. Реализация научных разработок проводилась в тесном сотрудничестве автора с ОАО ИНТЦ «Искра» (г. Уфа), ООО «Наномет» (г. Уфа), с ОАО «Уфимское моторостроительное производственное объединение», а также со специалистами стоматологических компаний «Timplant» (Чешская республика), ООО «Витадент» (г. Уфа).

Тематика диссертации явилась частью комплексных исследований с непосредственным участием автора как руководителя тематических разделов в проектах международного научно-технического центра (МНТЦ) #2398 «Получение наноструктурных сплавов Ti-6A1-4V и TiNi с эффектом памяти формы для медицинского применения» (2002-2005гг); #3208р «Развитие новых методов

интенсивной пластической деформации для практического использования объемных наноструктурных материалов» (2005-2007гг); государственных контрактов № 02.438.11.7052 на выполнение научно-исследовательских работ «Современные технологии получения и обработки объемных наноструктурных материалов» (2006г.), № 02.527.11.9019 «Разработка методов получения объемных металлических наноструктурных материалов для инновационного применения» (2007-2008гг.) в рамках ФЦНТП «Исследования и разработки по приоритетньм направлениям развития науки и техники», а также в проектах Российского фонда фундаментальных исследований.

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались и обсуждались на следующих конференциях: на УШ, IX и X международных конференциях «Высокие давления. Фундаментальные и прикладные аспекты» (Украина, г. Донецк, 2004г.; г. Судак, 2006 и 2008г., соответственно); на УШ международной конференции ESAFORM (г. Клуж-Напока, Румыния, 2005г.); на X международном семинаре «Дислокационная структура и механические свойства металлов и сплавов-2005» «Нанотехнология и физика функциональных нанокристаллических материалов» (г. Екатеринбург, 2005г.); на 1П международной конференции «Наноматериалы, полученные интенсивной пластической деформацией» (Япония, г. Фукуока, 2005г.); на Ш и IV конференциях в рамках международного симпозиума TMS «Ультрамелкозернистые материалы» (США, г. Шарлотта, 2004г. и г. Сан Антонио, 2006г.); на международном симпозиуме BNM2007 «Объемные наноструктурные материалы - от науки к инновациям» (г. Уфа, 2007 г.); Ш и IV-й Евразийских Научно-Практических конференциях «Прочность Неоднородных Структур» (ПРОСТ) г. Москва, 2006 и 2008 г.; на IV международной конференции по наноматериалам NanoSPD4 (Германия, г.Гослар, 2008 г.); на Третьей всероссийской конференции по наноматериалам НАНО-2009 (г. Екатеринбург, 2009г.), на международном симпозиуме BNM2009 «Объемные наноструктурные материалы - от науки к инновациям» (г. Уфа, 2009г.).

Публикации. Основные научные и практические результаты работы опубликованы в 49 статьях, в том числе 25 в журналах, рекомендованных ВАК, 5 патентах РФ на изобретение, а также 19 статьях в других журналах российской и международной центральной печати, в коллективной монографии «Объемные наноструктурные металлические материалы: получение, структура, свойства»-М.:ИКЦ «Академкнига», 2007-398с.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав, выводов и списка литературы, который включает 162 наименования. Работа изложена на 269 страницах, содержит 9 приложений, 191 рисунок и 45 таблиц. Автор признателен сотрудникам Института физики перспективных материалов Уфимского авиационного технического университета, где была выполнена большая часть данной работы, а также сотрудникам кафедры сопротивления материалов УГАТУ (Уфа), ОАО ИНТЦ «Искра» (Уфа), ВНИИЭФ (Саров), УГТУ-УПИ и ИФМ РАН (Екатеринбург), Университета Нюрнберга-Ерлангена (Германия), ОАО «УМПО» (Уфа), фирмы «Timplant» (Чешская республика), ООО «Витадент» (Уфа) и других организаций за сотрудничество в проведении исследований и практической реализации результатов.

I 9

I ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показана актуальность работы, сформулированы цель и задачи исследования, отмечена научная новизна полученных результатов и практическая ценность работы; сформулированы основные положения, выносимые на защиту; приведены сведения об апробации работы и публикациях, структуре и объему диссертации.

1 В начале каждой главы приводится краткий обзор основных литературных данных I по соответствующей теме со ссылками на монографии, статьи отечественных и зарубежных ученых.

Глава 1. Влияние режимов комбинированной ИПД-обработки на структурообразоваиие и механические свойства технически чистого титана.

Данная глава посвящена разработке научных подходов к формированию УМЗ структуры и достижению высокой прочности и пластичности в прутках из технически чистого титана Grade 2 и Grade 4.

Исследования последних двух десятилетий показали эффективность ' формирования УМЗ структуры в различных заготовках методом РКУП и его ' модификаций (РКУП-конформ, РКУП в параллельных каналах). При этом 1 использование РКУП в комбинации с традиционными методами термомеханической I обработки (волочение, протяжка, прокатка и др.) является способом получения I полуфабрикатов и изделий требуемых габаритов. Формирование при ИПД УМЗ структуры с неравновесными большеугловыми границами в металлах и сплавах приводит к качественным изменениям процессов структурообразования при последующем деформировании. В частности, в этом случае, становится возможным реализация специфических механизмов деформации, (например, зернограничное проскальзывание), что способствует повышению деформационной способности ' материала и дополнительному измельчению УМЗ структуры. Таким образом, комбинирование ИПД и последующей пластической деформации может быть еще одним способом управления структурой материала и, соответственно, механическими свойствами. Поэтому основное внимание при определении режимов I РКУП и последующих деформационных обработок было уделено таким параметрам

структуры, как размер и форма зерна, дислокационная субструктура, состояние границ зерен, влияющих на механическое поведение сплавов. Микроструктурные исследования проводились с помощью оптической, просвечивающей (ПЭМ) и растровой электронной микроскопии (РЭМ), рентгеноструктурного анализа (РСА). РКУП

Известно, что РКУП предполагает многостадийную обработку прессованием одной заготовки в оснастке с пересекающимися под углом каналами (рисунок 1). При этом необходимыми условиями для формирования УМЗ структуры в заготовке является реализация сдвига в месте пересечения каналов при

Рисунок 1. Принципиальная схема РКУП с углом пересечения каналов ср=90°

пониженных температурах (ниже температуры рекристаллизации), обеспечивающая достижение степени накопленной деформации е>4-6. Кроме того, важным является влияние таких факторов, как геометрия оснастки и используемый маршрут прессования (определенная последовательность позиционирования заготовки, I связанная с поворотом заготовки на фиксированный угол относительно ее оси перед каждым последующим циклом прессования). Проведенные ранее исследования показали, что измельчение микроструктуры в технически чистом титане ВТ1-0 при i РКУП происходит в диапазоне температур 350-450°С, при этом наиболее эффективным с точки зрения формирования однородной и равноосной УМЗ структуры является маршрут Вс, когда заготовку поворачивают на 90° вокруг своей оси после каждого прохода. Наибольшую деформацию обеспечивает угол между каналами <р=90°, при котором накопленная деформация за 1 проход составляет е~1.

В настоящей работе данные параметры прессования были использованы для обработки Ti Grade 2 и Grade 4. Оба материала до обработки характеризовались крупнозернистой равноосной структурой со средним размером зерна 20 мкм для Grade 4 и 30 мкм - для Grade 2. Учитывая различное содержание примесей и, как следствие, разные температуры рекристаллизации и деформационную способность, РКУП титана Grade 2 проводили при 400°С, a Ti Grade 4- при 450°С. В структуре Ti Grade 4 в состоянии поставки наблюдали крупные карбооксидные включения размером 1-2 мкм, которые являются нежелательными концентраторами напряжений в ходе интенсивной пластической деформации. С целью повышения технологической пластичности за счет частичного растворения включений заготовки подвергались стандартному отжигу (680°С, 2 часа). Для исследования эффективности измельчения исходной структуры число проходов РКУП варьировали от 1 до 8.

Металлографические и электронно-микроскопические исследования показали, что фрагментация структуры в титане обеих марок Grade 2 и Grade 4 происходит уже на первых стадиях РКУП (е=1-2) преимущественно двойникованием. С увеличением 1 степени деформации до е = 4 и 8, дальнейшее измельчение микроструктуры обусловлено 1 пересечением и дроблением двойников, образованием дислокационных субзерен и

г - г- \

а п^пил > 111 г\|;w I \ 1 ^ [[I шюпа vjI LIUL -г о ^ v1^- i V,V1 иыn nut. i <i dk 11 nwv^Jit i11 /[UI1 а

при 680°C, 2 часа (а); микроструктура после 4 (б) и 8 (в) проходов РКУП. Продольное сечение, (а) - оптическая микроскопия; (б, в) -ПЭМ.

В частности, было обнаружено, что формирование однородной УМЗ структуры в Ti Grade 4 происходит при достижении степени деформации е~8. В микроструктуре 1 заготовок средний размер зерен/субзерен составлял около 400 нм. В УМЗ структуре

присутствовали как малоугловые, так и большеугловые границы (БУГ). По результатам оценки физических уширений рентгеновских линий плотность дислокаций составляла около 3-1014 м2.

Прочность титана Grade 2 и Grade 4, подвергнутых РКУП, с увеличением степени деформации значительно повышается. Наиболее существенное упрочнение наблюдается уже после 4 проходов РКУП, что обусловлено уменьшением размеров зерен с 25 до -0,4 мкм и формированием дислокационной субструктуры. При увеличении степени деформации с е~4 до 8 наряду с дополнительным упрочнением наблюдался прирост пластичности, связанный, возможно, с увеличением доли БУГ

(рисунок 3). В результате обработки в заготовках были получены повышенная прочность (630 МПа для Ti Grade 2 и 920 МПа - для Ti Grade 4) с сохранением значительной пластичности (5-24%), необходимой для дальнейших деформационных обработок с целью формообразования прутка.

Для получения прутков из РКУП-заготовок вначале была проведена

промежуточная операция протяжки в фигурных бойках (s,»20%) при температуре не выше 400°С для предотвращения рекристаллизации

структуры. После ковки РКУП-заготовок с увеличением степени деформации до -60% наблюдали некоторое удлинение зерен вдоль направления деформации, уменьшение их поперечного сечения до 200...250 нм; а также образование новых зерен и/или субзерен. Данное структурное состояние было исходным для последующего проведения волочения и прокатки.

Комбинация РКУП с холодной деформацией волочением и отжигами.

Как известно, микроструктура прутка из обычного титана, полученная в результате холодной прокатки или волочения, состоит из субзерен, вытянутых в виде пакетов «волокон», направленных параллельно ее оси. То есть в результате такого типа деформации в крупных зернах титана за счет дислокационного скольжения происходит образование преимущественно малоугловых субзеренных границ. Как следствие, измельчение структуры после холодной прокатки ведет к повышению прочности и заметному снижению пластичности.

Ранее в работах Столярова В.В, Колобова Ю.Р. и др. было показано, что комбинация РКУП и холодной прокатки в титане ВТ 1-0 приводит к значительному измельчению структуры еще на стадии РКУП. Однако в продольном сечении заготовки при последующей после РКУП прокатке происходит формирование вытянутых вдоль направления деформации зерен, которые сильно фрагментированы и содержат высокую плотность дислокаций, при этом внутри вытянутых зерен

(1)—Grade 4, состояние постааки

(21-Grade 4.4 прохода РКУП

{'!,)-Grade 4,8 проходов РКУП

Рисунок 3. Кривые «напряжение-деформация» технически чистого титана Grade 4 в состоянии поставки (I), после 4 (2) и 8 проходов (3) РКУП.

формируются преимущественно малоугловые границы. Формирование такого типа структуры позволило увеличить прочность практически в 3 раза, но при ограниченной пластичности (относительное удлинение было менее 9%), что значительно ограничивает его конструкционное применение.

В развитие этого подхода с целью достижения оптимального сочетания прочности и пластичности в данной работе после РКУП была использована деформация волочением (В) при комнатной температуре. При этом между проходами (степень деформации за один проход составляла в среднем г,=5%) проводили отжиги при температуре 300°С в течение 30 минут, способствующие частичному возврату структуры. Далее данное состояние обозначено в работе, как РКУП+В.

а б в

Рисунок 4. Микроструктура прутков из УМЗ Ti Grade 4 после РКУП+В: (а) в поперечном сечении прутка; (б, в) соответственно, светлопольное и темнопольное изображение микроструктуры в продольном сечении прутка. ПЭМ.

По результатам структурных исследований в прутках из Ti Grade 4 увеличение степени деформации после РКУП и волочения примерно до е~80% привело к изменениям микроструктуры, связанным с удлинением зерен вдоль направления деформации, их утонением в среднем до 150 нм, образованием поперечных субзеренных границ внутри удлиненных зерен (рисунок 4 б, в) Данный тип УМЗ структуры подобен УМЗ структуре в ВТ1-0, которая наблюдалась ранее после РКУП и холодной прокатки. В этой связи прочность достигала очень высоких значений (в Ti Grade 4 - до 1240 МПа) с одновременным снижением равномерного (до 1,5%) и относительного (до 10%) удлинения по сравнению с исходным состоянием поставки.

Из условия стабильности пластической деформации следует, что улучшение пластичности возможно за счет повышения скоростной чувствительности к напряжению течения и/или за счет увеличения способности к деформационному упрочнению. Повышение скорости деформационного упрочнения способствует сдерживанию ранней локализации деформации и приводит к увеличению равномерного удлинения при растяжении образцов.

С целью повышения пластичности УМЗ титана после волочения использовали отжиг в интервале от 250 до 500°С в течение 1 часа. Установлено, что УМЗ структура термически стабильна до 400°С, о чем свидетельствовали сохранение ультрамелкого размера зерна и, соответственно, уровня прочности. Исследования структуры образцов после отжига при температуре 350°С показали, что средний

| размер зерен не превышал 170 нм. При этом на ПЭМ-изображениях границы зерен стали более тонкими и четкими (рисунок 56). Судя по спектрам разориентировок на ЕВББ - картинах структуры УМЗ титана после отжига, доля БУГ составляла около 70%. В результате отжига плотность дислокаций уменьшилась в 3 раза (с 17 до 5 •10,4м"2). (в)

О в 10 И 2в 25

Расшил ние <им)

Рисунок 5. Кривые растяжения малых образцов из Ti Grade 4 в крупнозернистом состоянии (1), в УМЗ состоянии до отжига (2) и после отжига при температуре 350 °С, 6 часов (3)- (а); микроструктура в поперечном сечении прутка после отжига при температуре 350°С в течение 6 часов. ПЭМ - (б); картина плотности атомов Ti (основной фон) вместе с 3d- распределением атомов углерода (темные точки) (в); профили концентраций атомов примесей (г) поперек границы зерна в области, ' выделенной на рисунке (в). Значения представлены со стандартными отклонениями.

Механические испытания на растяжение выявили необычное повышение одновременно пластичности и прочности после отжига при температуре 350°С в течение 1 часа. Данный эффект наблюдали также и с увеличением длительности отжига, например, до 6 часов (рисунок 5а). Повышенная пластичность УМЗ титана после отжига характеризовалась также увеличением равномерного удлинения (до и после отжига 1,5 и 5 %, соответственно). Очевидно, снижение при отжиге плотности дислокаций и увеличение объемной доли БУГ создают условия для эффективного накопления дислокаций в процессе деформации материала и повышают способность к деформационному упрочнению, о чем косвенно свидетельствует увеличение равномерного удлинения образцов. Дополнительное повышение прочности УМЗ титана после отжига можно объяснить выделением сегрегации примесей на границах, которые затрудняют зарождение дислокаций, тем самым, увеличивают предел текучести материала. Наличие сегрегации кислорода и углерода в приграничных областях зерен было обнаружено по результатам Зё-томографии^см. рисунок 5в, г).

Комбинация РКУП с деформационными обработками при повышенных температурах.

Теплая прокатка

Известно, что теплая деформация способствует формированию относительно равновесных границ с малой плотностью дислокаций внутри зерен. Данный подход

2 Исследования проводились в Университете г.Руана (Франция).

был реализован в условиях комбинации РКУП и теплой прокатки (ТО) в интервале температур 300...350°С (ниже температуры рекристаллизации) без промежуточных отжигов до 8£«87%. Средняя степень деформации за проход составляла около 10 %, что обеспечивало проработку структуры в прутке. Далее данное состояние обозначено как РКУП+ТП.

На ПЭМ-изображениях микроструктуры после И1 наблюдали отчетливое изображение границ зерен, рефлексы были равномерно расположены по концентрическим окружностям на дифракционных картинах, что указывало на формирование зерен с преимущественно болынеугловыми границами (рисунок 6а). Вместе с тем были выявлены существенные различия в микроструктуре при изменении температуры деформации. Было установлено, что повышение температуры до 350°С при деформации прокаткой способствует формированию более тонких равновесных границ зерен с пониженной плотностью решеточных дислокаций. При этом размер зерен и субзерен в микроструктуре прутка составлял в среднем 120 нм. Судя по спектрам разориентировок, полученным методом EBSD, после ТП доля БУГ составляла 72 % (рисунок 6в). Сравнительный анализ формы зерен в микроструктуре продольного сечения прутка показал увеличение доли зерен с коэффициентом вытянутости кв< 2 до 60% после ТП по сравнению с 10% после волочения, т.е. форма зерен стала значительно более равноосной.

По результатам механических испытаний было установлено, что РКУП в комбинации с теплой прокаткой также как и с волочением ведет к высоким механическим свойствам (в Ti Grade 4 ав=1310 МПа, 5=11%). Вместе с тем было показано, что теплая деформация способствует снижению плотности дислокаций, увеличению доли равноосных зерен и большеугловых границ, что снижает степень анизотропии структуры в прутке.

Установлено, что кристаллографические текстуры, сформировавшиеся в Ti прутках, полученных РКУП в сочетании с волочением и прокаткой (в роликах),

были подобны. Судя по полюсным фигурам (ЮТО), (0002) и (10ll), в ходе реализации указанных схем деформации наибольшую полюсную плотность имели текстурные компоненты, соответствующие призматическим системам {10Т0}<0111>. По-видимому, по базисным и пирамидальным системам активность дислокационного скольжения затруднена, о чем свидетельствовали заметно более низкая плотность их текстурных максимумов.

Таким образом, комбинированная обработка технически чистого титана, включающая РКУП, волочение и отжиг, или теплую прокатку, открывает возможности достижения при комнатной температуре уникальных механических характеристик, превышающих ранее достигнутый уровень.

Изотермическая осадка.

К настоящему времени уже доказано, что многие наноструктурные материалы демонстрируют признаки сверхпластического поведения при более низких температурах и более высоких скоростях деформации, что является привлекательным с технологической точки зрения, например, при изготовлении изделий сложной формы.

Рисунок 6. Микроструктура образцов из УМЗ Ti Grade 4 в продольном сечении после РКУП+ТП (а, в); после дополнительной осадки на е=40% при Т=450°С и скорости деформации ё=10"3 с"1 (б, г). ПЭМ. Распределение границ зерен по углам

В данной работе экспериментальные исследования механического поведения при растяжении УМЗ титана Grade 4, полученного РКУП и волочением, показали, что уже при температуре 450°С и скорости деформации 10"4 с"1 было достигнуто высокое значение относительного удлинения (до 200%) и повышенное значение коэффициента скоростной чувствительности (т=0,24). Деформация осадкой в изотермических условиях образцов в плоскости, перпендикулярной оси прутка, в данных температурно-скоростных условиях со степенью деформации £=40 % привела к существенным изменениям УМЗ структуры в результате трансформации субзеренных границ в зеренные и образованием новых рекристаллизованных зерен. Сформированная в образцах УМЗ структура характеризовалась преимущественно равноосными зернами с размером 100... 150 нм и увеличением объемной доли БУГ до 80% (рисунок 66, г). По-видимому, в данных условиях деформации имеют место типичные для сверхпластического течения процессы, в частности, зернограничное проскальзывание и вращение зерен. На развитие проскальзывания указывает повышенная скоростная чувствительность к напряжению течения, наблюдаемая при

разориентировки (в, г). РЭМ.

Рисунок 7. Вид обратных полюсных фигур (ОПФ), полученных методом ЕВББ, образцов УМЗ титана после РКУП+В (а) и после деформации осадкой до е=40% при Т=450°С и скорости деформации ё=10~3 с'1 (б).

Деформация, %

Рисунок 8. Кривые растяжения образцов из УМЗ Ti Grade 4: 1-после РКУП+В; 2-после дополнительной осадки на £=40% при Т=450°С и скорости деформации s=10"3 с"1.

деформации УМЗ титана. Текстурный анализ показал, что сформированная в прутке после волочения аксиальная текстура претерпевает значительные изменения с увеличением степени деформации при осадке до 40 %, которые заключались в значительном рассеянии значений полюсной плотности в области ОПФ, полученный с помощью EBSD (рисунок 76). Описанные выше структурные изменения в УМЗ титане в процессе теплой осадки привели к повышению прочностных и пластических характеристик материала при комнатной температуре (рисунок 8).

Таким образом, полученные результаты продемонстрировали возможность получения в технически чистом титане УМЗ структур, различающихся не только размером зерен/субзерен, но и их формой (равноосной, фрагментированной удлиненной), объемной долей БУГ, плотностью дислокаций. Выявлены основные структурные параметры УМЗ структуры в титане (размер зерен 0.1...0.2 мкм с коэффициентом вытянутости кв не более 2, долей БУГ не менее 70%), а также условия и режимы комбинированной обработки (температура, степень и скорость деформации), ведущие к достижению высокой прочности и повышенной пластичности, в том числе, равномерного удлинения. Обобщая результаты проведенных в данной главе исследований взаимосвязи особешюстей УМЗ

структуры и свойств, на рисунке 9 показана зависимость механических характеристик Ti Grade 4 от вида и условий последующей после РКУП деформации, которая демонстрирует возможность управления механическими свойствами, варьируя режимами комбинированной обработки и, как следствие, параметрами структуры.

Полученные результаты были использованы при разработке

комбинированной НПД-технологии

изготовления УМЗ прутков-полуфабрикатов из технически чистого титана длиной до 3 м и диаметром от 7 до 5 мм с повышенным комплексом механических свойств, которая в настоящее время освоена в ООО «Наномет» (г. Уфа) для медицинских применений (см. главу 5).

1500-] 1400- \8

1300- \

tzoq- \

« itoo. \j

1 1000- X

1 '900' //

g. 800-X 700- /

<300. 5Q0- V Л

4M.

-30

•2a

-.20

-24

•73

-20 -18

в>

-1С X X

-W 1

-12

-10 >i

-6

-4

■ 2

Состояние рКУП

РКУП.В* РКУП+ Откиг ТПЖЯС [ ЗБ0С.6М

Рисунок 9. Изменение механических свойств Ti Grade 4 (усредненные значения) в зависимости от вида и условий деформации (температура, степень и скорость) после РКУП.

Глава 2. Особенности формирования ультрамелкозернистой структуры в сплавах Ti-6A1-4V комбинированными методами ИПД.

Полученные к настоящему времени результаты исследований сплава ВТб показали принципиальную возможность формирования в нем УМЗ структуры разными методами ИПД. Однако реализация деформации объемных заготовок из двухфазных титановых сплавов имеет определенные трудности, связанные с их низкой деформационной способностью, поэтому РКУП и всесторонняя ковка обычно проводилась в условиях теплой или горячей деформации. Это снижает возможности получения высоких механических характеристик, которые были реализованы ранее методом ИПДК при комнатной температуре. Вследствие этого рациональным может быть применение комбинации РКУП с последующей деформацией при более низких температурах традиционными методами, например, прокаткой или экструзией, для получения высокопрочного состояния. В этой связи данная глава посвящена исследованию влияния условий деформации при РКУП в комбинации с экструзией и прокаткой на характер измельчения структуры в двухфазных сплавах на примере Ti-6A1-4V (ВТ6) и Ti-6AL-4V ELI для технических и медицинских применений, соответственно.

РКУП

Задача оптимизации режимов РКУП заготовок из двухфазных титановых сплавов решалась путем повышения их деформируемости за счет применения штамповой оснастки с увеличенным углом пересечения каналов ф=120° (е,~0.7) и 135° (е;~0.5) по сравненшо с ранее использованным ср=90° (e^l), что позволило снизить интенсивность деформации за один проход. На основе экспериментальных исследований были выбраны температуры деформации ниже температуры рекристаллизации в интервале 600...700°С, обеспечивающие удовлетворительную технологическую пластичность.

При анализе влияния угла пересечения каналов (ф) в оснастке РКУП на характер измельчения структуры в заготовках на примере сплава ВТб было выявлено, что формирование наиболее однородной УМЗ структуры обеспечивается оснасткой с Ф=120° в отличие от развитой субструктуры, формирующейся в заготовке на оснастке с ф=135°, что, возможно, обусловлено разным напряженно-деформированным состоянием.

Было установлено влияние морфологии первичной а-фазы на механизмы измельчения структуры при РКУП. В случае глобулярной структуры (в сплаве ВТб размер глобулей а-фазы 3...5 мкм) при малых степенях деформации (е~0.7) большая часть глобулей разбивается на тонкие фрагменты за счет двойникования, при этом длина двойников может совпадать с размером частицы а-фазы (рисунок 106).

С ростом степени деформации на последующих проходах РКУП (е>2) дальнейшее измельчение глобулярных частиц а-фазы связано с развитием двойникования и дополнительного скольжения дислокаций. При больших степенях накопленной деформации (е>6) границы бывших двойников и субзерен трансформируются в болынеутловые (рисунок 10в). О появлении большеугловых разориентировок после 12 проходов РКУП свидетельствовало увеличение количество рефлексов и их более равномерное распределение по концентрическим окружностям на электронограммах, что является характерным для многих УМЗ

металлов после ИПД. Размер зерен/субзерен а-фазы в структуре после РКУП варьировался 300 до 600 нм; на отдельных участках между субграницами наблюдали высокую плотность решеточных дислокаций, которая достигала 1014 м"2.

Степень деформации, е

а б В

Рисунок 10. Влияние степени деформации (числа проходов) в процессе РКУП на механические свойства заготовок из сплава ВТ6 (а); микроструктура сплава ВТ6 после 1 прохода РКУП (б) и после 12 проходов РКУП (в). Т=700°С, ср= 135°. ПЭМ.

В исходном горячекатаном состоянии сплава ВТ6 Р-фаза (по результатам РСА j ее объемная доля не превышает 15%) расположена в виде прослоек, которые образуют связный каркас в структуре. В результате РКУП прослойки Р-фазы локализуются в обособленных участках, при этом по данным РСА ее доля уменьшается до 10% в результате распада Р-твердого раствора. Об этом свидетельствует также изменение параметров кристаллической решетки р- фазы с увеличением степени деформации в ходе РКУП, что, по-видимому, обусловлено диффузионным перераспределением алюминия и ванадия в а- и р- фазах.

На примере сплава Ti-6A1-4V ELI, имеющего в исходном горячекатаном состоянии смешанную глобулярно-пластинчатую структуру (размер первичных глобулей 10-15 мкм, толщина пластин отпущенного мартенсита около 2 мкм), было показано, что в данном случае РКУП приводит к неоднородному измельчению | структуры, связанному с различной морфологией а-фазы. В областях отпущенного мартенсита наблюдали УМЗ структуру с размером зерен а-фазы от 50 до 300 нм, а в слабофрагментированных крупных глобулях а-фазы - дислокационную субструктуру. С целью формирования тонкопластинчатой морфологии а-фазы и уменьшения размеров ее первичных глобулей была предложена термообработка (ТО): закалка в воду после нагрева на Ю...30°С ниже температуры полиморфного | превращения (Тпп) с последующим старением при температуре 675°С в течение 4 часов (рисунок 106). РКУП сплава Ti-6A1-4V ELI в термообработаином состоянии позволило сформировать более однородную УМЗ структуру, в которой средний размер зерен и субзерен а-фазы варьировался в диапазоне 400 ±50 нм (рисунок 11 j г,д).

Механические испытания сплавов Ti-6A1-4V (ВТ6) и Ti-6A1-4V ELI на растяжение при комнатной температуре показали заметное их упрочнение после РКУП. При этом наибольшее повышение прочности наблюдали в заготовках после РКУП при Т=600°С, ср=120°, е~4. Образцы с предварительной термообработкой (ТО) имели более высокие значения прочности по сравнению образцами после РКУП без ТО (1200 и 1100 МПа, соответственно), вероятно, за счет более высокой объемной доли УМЗ структуры в образцах.

Таким образом, прочность сплавов после РКУП увеличилась в среднем на 30%, что заметно ниже по сравнению с упрочнением после РКУП чистого титана (почти в 2 раза), поэтому для получения высокопрочного состояния в сплаве необходима дальнейшая деформация при более низких температурах. Данный подход был реализован путем комбинации РКУП с последующей экструзией и теплой прокаткой.

Комбинация РКУП с экструзией и отжигами.

Наиболее привлекательной с технологической точки зрения является экструзия при комнатной температуре. Вместе с тем, теплая деформация имеет преимущества, связанные с вовлечением термоактивируемых процессов возврата, что позволяет получать зерна с более равновесными границами и низкой плотностью дислокаций.

В этой связи последующую после РКУП экструзию проводили по 2-м вариантам: а) при комнатной температуре; б) при температуре 300°С, при которой сплав имеет удовлетворительную деформируемость, а с другой стороны, нагрев при этой температуре уже приводит к частичному возврату структуры и активизации диффузионных процессов, что было продемонстрировано в ранних работах для УМЗ сплава ВТ6 после ИПДК и отжига при 300°С. В обоих вариантах обработки были использованы промежуточные отжиги при 300°С в течение 1 часа с целью обеспечения технологической пластичности при повторной деформации, которая позволила достичь вытяжки заготовки до 70%.

Рисунок 11. Микроструктура сплава Ti-6A1-4V ELI в состоянии поставки (а), после термической обработки (б); после 4 проходов РКУП при Т=600°С, ср= 120° РКУП (в-д): в)оптическая микроскопия; г) светлопольное изображение. ПЭМ; д) электронограмма и темнопольное изображение в рефлексе а-фазы. ПЭМ.

Заготовки из сплава TÍ-6A1-4V ELI диаметром 40 мм и длиной 150 мм были подвергнуты РКУП по режиму (ср=120°, 600°С, 4 прохода). Исходные заготовки из сплава TÍ-6A1-4V ELI имели крупноглобулярную структуру (размер первичных глобулей а- фазы достигал 20 мкм), поэтому они были подвергнуты термообработке с целью формирования тонкопластинчатой a-фазы в объеме заготовки не менее 70%.

Было установлено, что после РКУП увеличение степени деформации в ходе экструзии при комнатной температуре до 68% в сплаве TÍ-6A1-4V ELI привело к дополнительному измельчению микроструктуры и повышению плотности дислокаций. Ввиду сильной искаженности структуры, определение размеров структурных элементов на светлопольных изображениях было затруднено. При этом на дифракционных картинах сильное азимутальное размытие рефлексов, а также их группировка вдоль отдельных кристаллографических направлений свидетельствовали о формировании развитой дислокационной субструктуры с преимущественно малоугловыми границами.

После экструзии при температуре 300°С в микроструктуре продольного сечения заготовки наблюдали вытягивание субзерен a-фазы вдоль направления деформации. При этом фрагментация a-фазы была неравномерна: были видны мелкие субзерна размером в среднем 200 нм и отдельные крупные зерна/субзерна

размером 500 нм с внутренней дислокационной субструктурой.

Равномерно расположенные по кольцам рефлексы на дифракционных картинах, снятых с этих участков, свидетельствовали о появлении болыдеугловых границ.

По результатам РСА экструзия оказывает существенное влияние на параметры кристаллической решетки а- и Р-фаз и значительно уменьшает размеры областей когерентного рассеяния (ОКР) в I а- фазе (до 90 нм после холодной и 150 нм - после теплой экструзии), что, 1 очевидно, связано с образованием субструктуры. При этом активно _ продолжается |3—ж+росх превращение, | инициированное деформацией. На уменьшение объемной доли Р-фазы в структуре указывает отсутствие пика на рентгеновских дифрактограммах

образцов после экструзии (рисунок 12в).

На основе результатов исследований режимов термической обработки, РКУП и последующей экструзии была разработана

принципиальная схема ИПД-обработки

1 Is Состояние поставки « 1 | 1« sel f i Д. i ¥ill ?

J РКУП

j 14

РКУП + экструзия

|

j| ........ ....... s/v* Vw.

30 40 Ü0 SO 70 50

Рисунок 12. Дифрактограммы сплава ВТ6 в состоянии поставки (а); после 8 проходов РКУП при 700°С (б); после РКУП и экструзии при 300°С (в).

двухфазных сплавов, которая представлена на рисунке 13.

Рисунок 13. Принципиальная схема получения прутков с УМЗ структурой из двухфазного титанового сплава Ti-6A1-4V.

Механические испытания показали, что экструзия приводит к дополнительному упрочнению и некоторому снижению пластичности, особенно равномерного удлинения. В частности, для сплава Ti-6A1-4V ELI прочность достигала 1370 МПа, для сплава ВТ6 - 1510 МПа при относительном удлинении не менее 10 и 8 %, соответственно. Полученные в УМЗ сплавах прочностные характеристики заметно превышают уровень механических свойств после упрочняющей термообработки сплава Ti-6A1-4V, когда предел прочности достигает 1200 МПа при относительном удлинении 9%. Таким образом, последующая после РКУП экструзия способствует дополнительному измельчению микроструктуры с образованием развитой субструктуры, увеличению плотности дислокаций, которые реализуют в совокупности зернограничный, субструктурный и дислокационный вклад в упрочнение сплава.

С целью повышения пластичности УМЗ сплава были проведены исследования влияния дополнительных отжигов на структуру и механические свойства медицинского сплава Ti-6A1-4V ELI, подвергнутого РКУП и теплой экструзии (последний цикл при комнатной температуре). Результаты измерения микротвердости и исследования структуры после нагрева в интервале 500...800°С в течение 1 часа показали, что сплав Ti-6A1-4V ELI сохраняет УМЗ состояние вплоть до температуры отжига 600°С.

Обнаружено, что отжиг при 500°С в течение 1 часа привел к заметным структурным изменениям. В частности, наряду с сохранением ультрамелкого размера зерна а-фазы (в среднем до 250 нм), в структуре наблюдали зерна равноосной формы с более тонкими равновесными границами (рисунок 146).

Размеры ОКР по результатам РСА практически не изменились и составляли в среднем около 95 нм. Возможно, это связано со стабилизацией структуры, т.е. закреплением дислокаций, например, атомами примесей в результате диффузии в твердом растворе в ходе процессов возврата. Структурные изменения в УМЗ сплаве при отжиге способствовали увеличению условного предела текучести с 1240 до 1320

МПа с сохранением относительного ; Wjm.iWM? удлинения в диапазоне 10... 12 %.

¿¿5 ^jf^^'J^^^illF Формирование преимущественно

I Vf^^X'^Ä ^ ' JÜ^I** равноосных ультрамелких зерен а- фазы с f -^^Шж^Щл Щ низкой плотностью решеточных дислокаций

rv Ж' & и большеугловыми границами привели к

у ''»^ЯД повышению пластичности, особенно

инк»;, ж.: ,, равномерного удлинения с 2 до 5 %

Теплая прокатка3 »IL t * На примере сплава ВТ6 было показано

ШЩШ&'ч. ' Цч*"% ЩшГЩ влияние РКУП на характер измельчения

' ' * ~ микроструктуры при последующей теплой

* Ч УУ ' прокатке по схеме овал - квадрат при

ФЩЬ температурах в интервале 450...650°С.

&JL. Ы W * - — Прутки прокатывали до появления первых

6 трещин. В результате вытяжка составила 70,

140,125 и 110% после прокатки при 450, 550, 625 и 650°С, соответственно. Для сравнения исходный горячекатаный пруток (с глобулярной структурой) также подвергали прокатке при 450°С.

Было установлено, что в структуре сплава в состоянии поставки после прокатки при 450°С формоизменение глобулярной ос-фазы идет преимущественно

множественным скольжением без значительного вклада двойникования, что обуславливает незначительное измельчение структуры. Фрагментация зерен ос-фазы сопровождается, в основном, образованием субзеренных дислокационных границ с малоугловыми разориентировками. ß-фаза сохраняет преимущественную морфологию в виде прослоек, но в результате деформации их толщина уменьшается. Формирование такого типа микроструктуры привело к повышению прочности до 1300 МПа с относительным удлинением 9%.

Деформация, %

В

Рисунок 14. Микроструктура УМЗ сплава Ti-6A1-4V ELI до (а) и после отжига (б). Продольное сечение заготовки. ПЭМ; кривые «напряжение - деформация» образцов УМЗ сплава (в) до (кривая

2) и после отжига при 500°С (кривая

3).

3 Исследование проведено совместно с УГТУ-УПИ, г. Екатеринбург.

Иная картина наблюдается, если перед прокаткой при 450°С проводили РКУП. При прокатке при 450°С аккомодация напряжений в а- фазе при деформации оказывается затрудненной, и она реализуется с помощью двойникования и скольжения. При этом наблюдается интенсивное перераспределение дислокаций с образованием характерной ячеистой структуры. fS-фаза остается локализованной в отдельных объемах, где протекает ее распад с образованием дисперсных частиц вторичной а-фазы. В целом, неравномерная проработка структуры при 450°С привела к небольшому выигрышу прочности (ств=1385 МПа), понижению пластичности и получению наименьшего значения вытяжки (70%) по сравнению с другими режимами прокатки.

Повышение температуры прокатки до 550°С способствовало развитию процессов возврата и полигонизации в деформированной структуре (после РКУП) за счет перераспределения дислокаций и формирования более совершенной субзеренной и зеренной структуры с тонкими границами с преимущественно болылеугловыми разориентировками. В результате повышается деформационная способность УМЗ сплава по сравнению с прокаткой при 450°С практически в 2 раза (значения коэффициента вытяжки составляли 70 до 140%, соответственно). Прочность сплава увеличивается до ств=Т430 МПа с относительным удлинением около 5=7%.

Таким образом, проведенные структурные исследования показали, что особенности распределения Р- и а- фаз, их морфологическое строение во многом определяют характер структурных превращений в ходе РКУП и последующих деформационных обработок (экструзией, прокаткой). Эволюция УМЗ структуры в ходе комбинированной обработки связана с различными процессами, в том числе, дополнительной фрагментацией скольжением и двойникованием, возвратом и полигонизацией, распадом р- фазы. В зависимости от исходной структуры, температуры и степени деформации наблюдается развитие и реализация тех или иных процессов.

По результатам проведенных исследований определены маршрут и режимы комбинированной обработки, включающей РКУП, экструзию и отжиги, ведущие к формированию однородной УМЗ структуры, занимающей не менее 80% объема в заготовках диаметром от 12 до 25 мм, габариты которых пригодны для изготовления изделий, например, лопаток ГТД или крепежа в виде болтов, штифтов и др. (см. главу 5).

Глава 3. Сверхпластическая деформация УМЗ сплава Ti-6A1-4V, и ее влияние па микроструктуру и механические свойства сплава при комнатной температуре.

В данной главе представлены результаты исследования особенностей механического поведения УМЗ сплава Ti-6A1-4V ELI при повышенных температурах в условиях проявления сверхпластичности (СП), структурные изменения в ходе деформации и их влияние на механические свойства при комнатной температуре.

Известно, что формирование ультрамелкого размера зерна оказывает значительное влияние на сверхпластическое поведение металлов и сплавов и может привести к проявлению СП при относительно низких температурах и/или более

высоких скоростях деформации, что следует из уравнения состояния, описывающего механическое поведение металлов при повышенных температурах:

е = А

'ЬЛ р 'оЛ

yd j UJ

к-Т

где е - скорость деформации; D -коэффициент зернограничной диффузии, <7-модуль сдвига, b - вектор Бюргерса, к -постоянная Больцмана, Т - температура испытаний, d -размер зерна, р - показатель степени, указывающий на зависимость от размера зерна (обычно близок к 2), а- напряжение течения, п - показатель степени, указывающий на зависимость от напряжения течения и по величине равен Mm (m -скоростная чувствительность к напряжению течения).

Исследования механического поведения УМЗ сплава Ti-6A1-4V ELI продемонстрировали проявление СП в интервале температур Т= 500...800°С и скоростей деформации е=10"2...10"4 с'1 (рисунок 15). После механических испытаний на растяжение УМЗ образцы имели высокие удлинения (8=240 %) уже при 600°С и скорости деформации 10"4 с"1; при более высокой температуре 700°С и более высокой скорости деформации 10~2 с"1 удлинение образца из УМЗ сплава превышало удлинение образца из обычного сплава почти в 2,5 раза (286 и 110%, соответственно). Коэффициент скоростной чувствительности к напряжению течения при температуре 600°С в интервале скоростей деформации ю-1 и lGrV1 имел повышенные значения (от =0,26).

¡дат arv ШШШШШШ^и 62%

83%

«Г......*

»ОТ, «V

ЧВре» —

ШШгт f У .....

..... а) б)

Рисунок 15. Вид образцов из УМЗ сплава Ti-6A1-4V ELI после растяжения в интервале температур 500...800°С и скоростях деформации 10"4 и 10 2 с_1(а и б, соответственно)

Признаки СП поведения УМЗ сплава Ti-6A1-4V ELI наблюдали также в условиях деформации осадкой. Анализ зависимости напряжения течения от скорости деформации и температуры показал, что даже при 600°С образцы имели область установившейся стадии при относительно низком напряжении течения (200 МПа) и коэффициент скоростной чувствительности от=0.3. Структурные исследования образцов после СП деформации (осадкой) показали заметные изменения в УМЗ структуре. Например, после осадки при 550°С и скорости деформации 2-10"V в УМЗ структуре образцов на ПЭМ-изображениях наблюдали границы преимущественно зеренного типа без значительного роста зерен а-фазы, размер которых составлял около 250 нм (рисунок 16в). При этом присутствие отдельных зерен, свободных от решеточных дислокаций, свидетельствовало о протекании процессов динамической рекристаллизации. Кроме того, очевидно, имели место

процессы, типичные для СП течения, в частности, зернограничное проскальзывание, о чем свидетельствует повышенная скоростная чувствительность к напряжению течения при осадке (при Т=600°С, к=\ O'V т=0,35). Повышение температуры деформации до 800°С активизирует процессы динамической рекристаллизации и миграции границ зерен, что привело к неоднородному укрупнению зерен а-фазы, размер которых достигал 4 мкм. По данным РСА после СП деформации УМЗ сплава увеличивалась объемная доля (5-фазы с 7 до 11%.

Также как и в УМЗ Ti Grade 4 (см. главу 1), изменение морфологии зерен а-фазы в результате СП деформации УМЗ образцов оказывает заметное влияние на механические свойства сплава Ti-6A1-4V ELI при комнатной температуре. Дополнительная деформация осадкой УМЗ сплава при 550°С и скорости 2-10"4 с"' привела к значительному изменению его механического поведения. В частности, наряду с некоторым снижением прочности (с 1420 до 1300 МПа) наблюдали значительное увеличение относительного и равномерного удлинения (18 и 8%, по сравнению с 9 и 1,5 % в ИПД состоянии, соответственно) (рисунок 16 а). В данном случае это может быть обусловлено сохранением ультрамелкозернистой структуры после теплой деформации осадкой и трансформацией зеренных и субзеренных границ а-фазы в тонкие равновесные с низкой плотностью решеточных дислокаций.

400 —|—|—:—,—,—,—,—,—,—,—,—;—,—,—,—,—,—j—,—| 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 Деформация, X

Рисунок 16. Кривые «напряжение-деформация» (а) УМЗ сплава Ti-6A1-4V ELI до (кривая 1) и после (кривая 2) изотермической осадки в условиях, в) близких к сверхпластичности (Т=550°С; ё=2-10"4 с "'). Микроструктура сплава до (б) и после осадки (в). Продольное сечение. ПЭМ.

Таким образом, деформация в условиях проявления СП может быть использована не только для формообразования, но и для обеспечения повышенных механических свойств при комнатной температуре за счет сохранения УМЗ состояния в полуфабрикате и/или изделии. Данный подход был реализован при

изготовлении изделий типа лопатки ГТД с использованием изотермической штамповки при пониженных температурах (см. главу 5).

Глава 4. Исследование закономерностей влияния УМЗ структуры на усталостные свойства титана и его сплавов ТЬ6А1-4У.

Данная глава посвящена исследованию усталостных свойств образцов титана и сплавов Т1-6АЬ-4У в различных структурных состояниях, полученных с использованием разработанных режимов обработки. Предложены пути повышения усталостных свойств УМЗ титана и сплава Т1-6АЬ-4У, основанные на формировании УМЗ структур, обеспечивающих сочетание не только высокой прочности, но и повышенной пластичности, в частности, величины равномерного удлинения.

Как известно, процесс усталости разделяют на две основные области: малоцикловую и многоцикловую. Усталостная долговечность при нагружении с постоянной общей амплитудой деформации за цикл зависит от упругой (Аее/2) и пластической (А^/2) составляющих, которые определяются из параметров петли механического гистерезиса:

2 2 2 Л р Е 4 7

где 2№г число циклов до разрушения, £/ - коэффициент усталостной

пластичности, -коэффициент усталостной прочности, Ь и с- параметры процесса, характеризующие усталостную пластичность. Из данного соотношения следует, что повышение усталостной долговечности может зависеть не только от прочности материала, но и от его пластичности.

Исследования последних лет свидетельствуют о повышении усталостных свойств металлов и сплавов путем формирования УМЗ структуры методами ИПД. В большинстве случаев это связано, прежде всего, с увеличением статической прочности в результате измельчения структуры. Часто зависимость предела выносливости (од) от размера зерна выражают формулой, аналогичной зависимости Холла-Петча для предела текучести: а к = аКк ■ с1 ~1'2, где а щи Кк - константы для данного материала.

Результаты проведенных ранее исследований усталостных свойств наноструктурных материалов часто имели противоречивый характер, поскольку зависели от метода ИПД-обработки, типа испытательного оборудования, многообразия параметров усталостных испытаний. Во введении к данной главе проведен краткий анализ результатов усталостных испытаний технически чистого титана ВТ 1-0 и сплава ВТ6, полученных разными методами ИПД в работах А.Ю. Виноградова, Ю.Р. Колобова, Г.А. Салищева, В.В. Столярова и др. Было обнаружено, что предел выносливости не всегда увеличивается в той мере, как это можно было ожидать от значительного уменьшения размера зерна. Например, для УМЗ ВТ1-0, полученного РКУП в сочетании с холодной прокаткой, предел прочности увеличился более чем в 2,5 раза, тогда как предел выносливости не превышал 400 МПа (в крупнозернистом ВТ1-0 о1/=280 МПа). Исследователи связывали это с пониженным запасом пластичности, обусловленным низкой способностью к деформационному упрочнению и, как следствие, ранней локализацией деформации.

В этой связи, основной стратегией в достижении высоких усталостных свойств в полуфабрикатах и изделиях из УМЗ титана и его сплавов в данной работе явилось получение не только высокой прочности, но и пластичности.

В главе 4 рассмотрены результаты систематических исследований усталостных свойств титана и его сплавов системы Ti-6A1-4V с различными типами УМЗ структуры, и, как следствие, с разным уровнем механических свойств. Усталостные испытания проводили на гладких образцах и образцах с надрезом по ГОСТ 25.502-79 при разных схемах нагружения (растяжение-сжатие, изгиб с вращением) с контролируемым напряжением, частотой 20 и 50 Гц и с различной симметрией цикла (Ä=0.1 и -1), база испытаний составляла 10б и 107 циклов.

Ti Grade 2 и Ti Grade 4

Результаты усталостных испытаний показали, что достижение высокой прочности в УМЗ титановых прутках позволило увеличить предел выносливости fa.,) в условиях изгиба с вращением практически в 1,5 раза. В частности, для Ti Grade 4 - с 350 до 595 МПа (см. рисунок 17 а, кривые 1 и 2), а для Ti Grade 2-е 280 до 490 МПа на базе 107 циклов. Как было показано в главе 2, дополнительный отжиг при 350°С в течение 6 часов привел к одновременному повышению прочности и пластичности, в частности, равномерного удлинения почти в 2 раза, за счет увеличения доли БУГ и выделения сегрегации примесей на границах, что, в свою очередь, способствовало увеличению <Х; до 610 МПа (рисунок 17 а, кривая 3).

По результатам экспериментальных исследований было установлено, что в УМЗ Ti Grade 4 наиболее высокие значения предела выносливости (<х_;=640 МПа) наблюдались в образцах, имеющих наилучшее сочетание прочности и пластичности, которые были достигнуты формированием однородной УМЗ структуры с наименьшим размером зерна (120 нм) и высокой долей БУГ (до 74%) после обработки РКУП с последующей теплой прокаткой.

На основе анализа рельефа разрушения образцов из УМЗ и КЗ титана были выявлены различия в характере распространения усталостных трещин. Установлено, что рост трещины в КЗ титане был преимущественно транскристаллитный и проходил перпендикулярно направлению действующих напряжений, на что указывало «шевронное» строение рельефа и наличие параллельных усталостных бороздок, что является типичным для усталостного разрушения титана. В отличие от КЗ титана в УМЗ образце доминирующим является распространение трещины по границам зерен и/или субзерен, что значительно увеличивает протяженность трещины. В рельефе УМЗ образцов наблюдали чередование усталостных бороздок с ямочным рельефом, в котором размер ямок соизмерим с размером зерен и субзерен. Высокая протяженность границ зерен в УМЗ Ti и увеличение общей длины трещины способствовало повышению работы пластической деформации, и, как следствие, вязкости усталостного разрушения.

В работе были проведены также исследования влияния формы и глубины надреза на предел выносливости УМЗ Ti Grade 4. Усталостные испытания проводили на стандартных образцах с диаметром рабочей части 6 мм и радиусом выточки 0.1,0.2 и 0.3 мм, имитирующим резьбу.

ior li

Число цикл» Д9 разрушения, N

Рисунок 17. Влияние отжига УМЗ титана Grade 4 на предел выносливости в условиях изгиба с вращением на гладких образцах (а): в состоянии поставки (кривая 1), после РКУП+В (кривая 2), после отжига при 350°С, 6 часов (кривая 3); зависимость числа циклов до разрушения от амплитуды напряжений для образцов из УМЗ Ti Grade 4 с различной формой надреза: 1- гладкие образцы; 2 - образцы с надрезом av=4.4; 3- образцы с надрезом а, = 3.9 (б); 4 - образцы с надрезом а, =33.

Теоретические коэффициенты концентрации напряжений для каждого вида надреза составил 4.4, 3.9 и 3.3, соответственно. Используя результаты испытаний для гладких образцов и образцов с надрезом (рисунок 176), была проведена оценка параметров усталостной чувствительности к надрезу q согласно соотношениям:

^а ~ ^гладкие ^ ^-Хснадрезом

Чп

К-1

а, -1 '

где, о; и Ка - теоретический и эффективный коэффициенты концентрации напряжений, соответственно; <т.;гладкие и о-./снадре30м - пределы выносливости на базе 107 циклов.

Результаты испытаний показали, что на чувствительность к надрезу УМЗ титана сильное влияние оказывает его геометрия: с увеличением коэффициента (а,) от 3.3 до 4.4 повышается чувствительность к надрезу (q) от 0.39 до 0.52. При этом наблюдаемое повышение усталостной чувствительности к надрезу высокопрочного УМЗ титана, обусловленное снижением пластичности, не превышает значения данного параметра для сплава ВТ6 (<f=0,53...1,0) в отожженном состоянии, традиционно применяемого для изготовления медицинского крепежа.

TU6AI-4V

Исследования усталостных свойств медицинского сплава Ti-6A1-4V ELI с исходной глобулярно-пластинчатой структурой проводили на образцах в состоянии поставки (после горячей прокатки) и УМЗ состоянии, полученном РКУП в сочетании с экструзией (см. главу 2). Усталостные испытания с симметричным циклом «растяжение-сжатие» были проведены на сервогидравлической машине MTS

880 при комнатной температуре на воздухе4. Общая пластическая деформация при испытаниях контролировалась амплитудой пластической деформации в диапазоне АЕр/2 -5-10"3до 4-Ю'4 и скоростях деформации 10"3 с"1 и 10"4 с"1 (малоцикловый режим). Испытания с постоянным напряжением (многоцикловый режим) проводили в диапазоне напряжений Аа/2 = 500 до 670 МПа с частотойf=2 Гц.

Из рисунка 18а видно, что повышенная прочность УМЗ сплава значительно улучшает усталостную долговечность на классической диаграмме Велера для обоих режимов испытаний, как в малоцикловом так и в многоцикловом, по сравнению с обычным сплавом: предел выносливости сплава увеличился на 70 МПа. При этом усталостная прочность УМЗ сплава в малоцикловой области выше почти на 30%, что является его преимуществом для ряда важных инженерных применений.

Исследования микроструктуры образцов после усталостных испытаний показали, что в исходном образце сформировалась типичная ячеистая дислокационная структура внутри зерен. В то же время УМЗ образцы не показали значительных изменений в микроструктуре. Было обнаружено только незначительное укрупнение зерен. Вместе с тем на кривых циклической деформации наблюдали циклическое разупрочнение для обоих состояний. Очевидно, ультрамелкие зерна были слишком малы для образования в них ячеистой дислокационной структуры. Подобные явления наблюдали ранее в чистых металлах Ti и Си, где УМЗ структура была стабильной и границы зерен играли значительную роль в аннигиляции дислокаций в течение циклической деформации.

1200

ь 800

г

I

I 600

I 400

200 1

а) б)

Рисунок 18. Кривые Велера (циклическое растяжение-сжатие, й=-1, У=2 Гц) для гладких образцов из медицинского сплава "П-6А1-4У ЕЫ после горячей прокатки и УМЗ состояниях (а); зависимость числа циклов до разрушения от амплитуды напряжений (изгиб с вращением, Л=-1,/=50 Гц) для гладких образцов из обычного и УМЗ сплава Ть6А1-4У (б).

Усталостные испытания образцов из сплава Ть6А1-4У (ВТ6) проводили по ГОСТ 25.502-79 в условиях изгиба с вращением с контролируемым напряжением, частотой 50 Гц и симметричным циклом нагружения (/?=-!), база испытаний составляла 107 циклов. Установлено, что высокая прочность и пластичность сплава

4 Исследования проводились совместно с Университетом г. Ерлангена (Германия).

(1550 МПа и 12 %), полученные в результате обработки РКУП в сочетании с экструзией и отжигом в течение 1 часа при 500°С, привели к увеличению предела выносливости с 600 до 740 МПа (рисунок 186). Анализ особенностей усталостного разрушения в исходном и УМЗ сплаве ВТ6 выявил некоторые отличительные особенности. В изломах образцов из обычного сплава наблюдали типичное для титановых сплавов хрупкое разрушение сколом по отдельным фасеткам, соизмеримым с размером глобулей а-фазы (около 10 мкм), на поверхности некоторых из них присутствовали усталостные бороздки, а между ними - вторичные микротрещины. В рельефе УМЗ образцов были видны усталостные бороздки, которые чередовались с ямочным рельефом (размер ямок был менее 1 мкм). Наблюдали также отдельные микротрещины, расположенные перпендикулярно направлению распространения трещины. В целом, это свидетельствовало о более вязком характере усталостного разрушения УМЗ образцов по сравнению с обычным сплавом.

Для сопоставления данных по усталостным свойствам УМЗ титана Grade 2 и Grade 4, сплавов ВТ6 и Ti-6A1-4V ELI, полученных в этой работе, с обобщенными данными по сопротивлению усталости целого ряда известных титановых сплавов5, на основе регрессионного анализа методом наименьших квадратов была проведена корреляция соотношения предела прочности и предела выносливости. Установлено, что зависимость предела выносливости от предела прочности титана в УМЗ состояниях, также как и для большинства отожженных титановых сплавов, подчиняется линейному закону с соотношением ег_/егв=0,5 с коэффициентом корреляции 0,90 в отличие от термических упрочненных титановых сплавов, у которых соотношение a.j/<je, как известно, может колебаться в очень широких пределах (0.43-0,57) с коэффициентом корреляции всего 0.49.

По результатам проведенных исследований были сформулированы основные требования к УМЗ структуре для повышения сопротивления усталости в титане и его сплавах, основанные на достижении в них высокой прочности и пластичности:

- размер зерна является критическим параметром УМЗ структуры и его уменьшение до 0.1...0.2 мкм обеспечивает повышение прочности материала и работы зарождения трещин за счет увеличения протяженности границ;

-важным параметром УМЗ структуры является также формирование болыпеугловых границ (не менее 70%), которые способствуют повышению пластичности за счет вовлечения в деформацию зернограничных процессов, в частности, накопления дислокаций на границах зерен;

-увеличение доли зерен равноосной формы способствует однородности пластического течения и снижению вероятности ранней локализации деформации, что позволяет достичь равномерного удлинения при растяжении УМЗ сплава Sp не менее 5%.

Глава 5. Разработка технологических процессов получения прутков-полуфабрикатов и изделий из УМЗ титановых материалов.

В пятой главе исследованы возможности применения технически чистого титана и малолегированных титановых сплавов с УМЗ структурой, проведена оценка их эксплуатационных свойств на примере медицинского крепежа и лопатки ГТД.

5Б.А. Колачев, И.С. Полышн, В.Д. Талалаев. Титановые сплавы разных стран -М.: Изд. ВИЛС, 2000-315с. ил.

Ti Grade 2 и Ti Grade 4

Разработанные принципы повышения прочности и пластичности за счет формирования однородной УМЗ структуры с повышенной долей БУГ были реализованы в технологическом процессе получения прутков-полуфабрикатов из технически чистого титана марок Grade 2 и Grade 4 диаметром 6...8 мм и 3 метра длиной, используя сочетание РКУП с волочением и/или теплой прокаткой. В длинномерных прутках из УМЗ титана впервые были получены механические свойства, значительно превышающие достигнутые к настоящему времени (таблица 1). Технологические режимы, описанные в главе 1, защищены патентами.

В работе проведена оценка однородности механических свойств по длине в соответствии с российскими и международными стандартами. Установлено, что коэффициент вариации CV по прочности и пластичности не превышает 1,3 % и 5,4 %, соответственно, что удовлетворяет требования международного стандарта ASTM Е8-95а.

Таблица 1 - Сравнительные данные механических свойств прутков-полуфабрикатов из титана Grade 2 и Grade 4 после различных видов обработки.

Материал прутка сгв, МПа сто.2, МПа 8,% a_i на базе 107 циклов, МПа

Ti Grade 2, 0 25 мм Производство DYNAMET, USA 440 370 38 60 220

Ti Grade 2, 0 7 мм (РКУП+ ТП) 1120± 20 1080± 20 12+2 56 490

Ti Grade 4, 0 25 мм Производство DYNAMET, USA 726 510 29 52 350

Ti Grade 4,0 7 мм РКУП+ТП 1310120 1290 + 20 11 ± 2 51 640

Принципиальная возможность применения УМЗ титана в качестве резьбовых изделий была реализована при изготовлении дентальных имплантатов. Прутки из УМЗ титана Grade 4 диаметром 6 мм были использованы в Чешской компании Tim plant для изготовления стоматологических имплантатов улучшенной конструкции с меньшим диаметром 2.4 мм, получившие марку Nanoiraplant® (рисунок 19).

- новый имплантат 0 2,4 мм, изготовленный из ультрамелкозернистого титана;

- классический имплантат Timplant 0 3,5 мм, изготовленный из обычного титана.

Рисунок 19. Внешний вид стоматологических имплантатов, изготовленных в фирме Timplant (г. Пльзень, Чешская республика) из обычного и УМЗ титана Grade 4.

Эти имплантаты рассчитаны на ту же самую максимальную нагрузку, как и изделия диаметром 3.5 мм из обычного титана ВТ1-0. Исследования поведения живых фибробластовых клеток на поверхностях титановых образцов, подвергнутых

травлению в плавиковой кислоте, показали, что их колонизация на поверхности титана существенно возрастает на образцах с УМЗ структурой. Повышенная адгезия клеток на УМЗ титане значительно выше, чем на исходном титане, что указывает на более высокую скорость остеоинтеграции в сравнении с материалом в исходном состоянии, и свидетельствует об его повышенной биосовместимости. УМЗ титан для биомедицинских целей и способ его получения защищены патентом.

Большинство болтов из титановых материалов (свыше 80 %), применяемых в авиации в качестве крепежных элементов, имеют диаметр 5...6 мм. В связи с этим | диаметр прутка 7 мм, получаемого по разработанной в данной работе технологии, является наиболее оптимальным с точки зрения изготовления крепежных элементов данного вида. В главе 4 было показано, что предел выносливости УМЗ титана в условиях многоцикловой усталости повышается практически в 1,5 раза, при этом было установлено, что фактор усталостной чувствительности высокопрочного титана не превышает данный коэффициент для сплава ВТ6.

С целью оценки принципиальной возможности применения УМЗ титана в качестве болтового соединения были изготовлены экспериментальные образцы болтов с резьбой Мб, которые были подвергнуты циклическим нагрузкам с частотой /=0.3 Гц. Объектом сравнения был взят сплав ВТ6 (Ть6А1-4У), который является одним из титановых сплавов, применяемых для получения деталей крепления. Результаты малоцикловых усталостных испытаний представлены на рисунке 20.

Было установлено, что в области высоких максимальных напряжений цикла (725 МПа) образцы из УМЗ титана и сплава ВТ6 имели близкие значения долговечности (-3,1- 103 циклов), в области более низких значений максимальных напряжений (500..600 МПа) разница в долговечности составляла в среднем не более 20%. Вместе с тем, высокая статическая прочность, более низкая усталостная чувствительность к концентратору напряжений в сравнении со сплавом ВТ6, как _ отмечалось выше, позволяет рассматривать УМЗ титан весьма перспективным материалом для применения в качестве крепежных изделий в технике.

Еще одним из преимуществ УМЗ титана для изготовления авиационного крепежа, является высокая коррозионная стойкость, которая характеризовалась изменением потенциала коррозии УМЗ титана и его смещением в сторону менее электроотрицательных значений, что свидетельствует об образовании защитной поверхностной оксидной пленки, снижающей скорость коррозии. Повышенная коррозионная устойчивость УМЗ титана по сравнению с его КЗ

л к

НТ6 * * *

УМЗ И СИ4 ч

♦

1.2x11? 2x11? Зх1Р 5х1£Р 7х1(? 10х1С 20x10* №№ 5ЕГХ 1Е?70х|[р

Чигло циклов до разрушения

Рисунок 20. Результаты испытаний по долговечности резьбовых соединений (а); образцы болта после испытаний (б).

аналогом объясняется, возможно, более быстрым образованием пассивационной пленки на поверхности материала, что обусловлено наличием большего числа активационных центров для образования окислов в УМЗ титане, как было показано в совместных работах с кафедрой химии УГАТУ.

П-6А1-4У

В результате проведенных исследований были получены заготовки из | малолегированных двухфазных сплавов Тл-6А1-4УЕЫ и ВТ6 с УМЗ структурой по разработанным технологическим режимам, обеспечивающим формирование I объемной УМЗ структуры в прутках диаметром 18...25 мм и длиной 300 мм, размеры которых пригодны для получения изделий типа лопатки ГТД (рисунок 21). В таблице 2 приведены механические свойства сплавов, полученных горячей прокаткой и последующей упрочняющей термообработкой в сравнении с ИПД-) технологией.

Таблица 2 - Механические свойства полуфабрикатов из сплавов ТьбАМУЕЫ и ВТ6, полученные по разработанным технологическим режимам (ТО+РКУП+эктрузия)._____

Сплав Ов, ® 0.2, й, V,

МПа МПа % %

закалка с 950°С в воду + старение 450°С, 4 часа)

Ть6А1-4У 1100 1040 10 42

ТО+РКУП+экструзия

-П-6А1-4У ЕЫ 1390 1320 12 32

ВТ6 1510 1380 10 40

Применение УМЗ титановых сплавов представляет значительный интерес для изготовления таких ответственных изделий, для которых критическими свойствами, определяющими ресурс и надежность, являются прочность, выносливость и износостойкость. Лопатки газотурбинных двигателей (ГТД) являются наиболее массовыми и дорогостоящими деталями. Проявление сверхпластичности УМЗ сплавов при более низких температурах и более высоких скоростях деформации является технологически привлекательным для ее формообразования, так как распространенной технологией получения заготовок лопаток из титановых сплавов, имеющих достаточно сложную поверхностную конфигурацию, является объемная штамповка. В этой связи в данной работе были проведены исследования потенциальной возможности повышения усталостных свойств лопаток ГТД на примере лопатки компрессора низкого давления (КНД) из сплава ВТ6 за счет формирования в ней УМЗ структуры путем ИПД и последующей изотермической штамповки (ИЗШ) заготовок при пониженных температурах.

На основе результатов исследования температурно-скоростных условий проявления сверхпластичности в УМЗ сплаве Ть6А1-4У (см. главу 3) и теоретического моделирования температурных и силовых режимов деформирования УМЗ заготовки из сплава ВТ6, были предложены режимы объемной изотермической штамповки (ИЗШ) лопаток при пониженных температурах, которые обеспечивают сохранение УМЗ структуры в заготовках.

Данный способ был реализован на Уфимском моторостроительном производственном объединении (УМПО) для изготовления опытных лопаток компрессора ГТД. Разработаны технологические рекомендации по термообработке штамповок и механически обработанных лопаток.

Были проведены исследования ударной вязкости КСУ, КС11 и КСТ (ГОСТ 9454-78) на образцах-имитаторах, полученных по серийньм и опытным режимам изотермической штамповки. Установлено, что формирование ультрамелкого зерна равносной формы в структуре способствует некоторому снижению ударной вязкости сплава (КСи=0.50 и 0.42 МДж/м2 для серийной и опытной лопатки, соответственно), в том числе с наведенной усталостной трещиной (КСТ=0.23 и 0.21 МДж/м2, соответственно), однако их значения удовлетворяют технические требования к сплаву ВТ6 для изделий ГТД. Показано, что длительная прочность при температуре 300°С (является максимальной в компрессоре низкого давления) образцов из УМЗ сплава ВТ6 (после опытной ИЗШ) имеет более высокие значения по сравнению с глобулярно-пластинчатой, полученной по серийной технологии примерно на 15%. При этом УМЗ структура была термостабильна в условиях одновременного воздействия температуры (Т=300°С) и напряжений (а=800 МПа) в течение более 260 часов.

а)

б)

Рисунок 21. Сравнительные результаты усталостных испытаний на вибростенде ВЭДС в соответствии с ОСТ 100303-79 опытных и серийных лопаток (а); внешний вид лопатки компрессора, изготовленной по опытной Число циклов, п технологии (б).

Исследование опытных образцов лопаток показали, что сохранение однородной УМЗ структуры с размером зерен а-фазы менее 1 мкм, имеющих преимущественно равноосную форму, обеспечило повышение их усталостной прочности почти на 30 % (рисунок 21). К настоящему времени на ОАО «УМПО» разработан технологический процесс изготовления опытной партии лопаток из УМЗ сплава ВТ6. Акты апробации и аттестации опытных лопаток ГТД представлены в соответствующих приложениях к диссертации.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ: В результате выполненных исследований выявлены критические параметры УМЗ структур (размеры и форма зерен, структура границ зерен), ведущие к достижению высоких механических свойств в титане и сплаве Т1-6А1-4У. На основе полученных закономерностей разработаны технологические маршруты и режимы получения прутковых полуфабрикатов из УМЗ титана и сплава Т1-6А1-4У с

использованием интенсивной пластической деформации методом РКУП. Показано, что повышение механических свойств и качества прутков-полуфабрикатов из исследованных титановых материалов за счет формирования в них УМЗ структуры весьма перспективно для изготовления из них изделий с качественно новым уровнем эксплуатационных свойств, что показано на примере медицинских имплантатов и лопаток ГТД.

1. По результатам исследований влияния режимов комбинированной обработки, включающей РКУП, деформационные и термические обработки, на структуру и механические свойства прутков из титана Grade 2 и Grade 4 выявлены условия (температура, степень и скорость деформации), приводящие не только к измельчению зерен, но и формированию разных типов границ зерен (малоугловых и болыпеугловых), различной формы зерен и/или частиц фаз (равноосной, удлиненной фрагментированной).

2. Установлено, что комбинация РКУП с деформационными обработками (волочением или теплой прокаткой), отжигами позволяет получить в технически чистом титане зерна размером 120...150 нм, увеличить долю болыпеугловых границ до 80%, изменить состояние границ за счет выделения сегрегации, обеспечить формирование около 60% зерен с коэффициентом вытянутости не более ~2. Данные параметры УМЗ структуры оказывают значительное влияние на прочность и пластичность титана, позволяя достичь рекордный уровень механических свойств (ств=1340 МПа и 5=12% для Ti Grade 4; gb=1 120 МПа и 5=13% для Ti Grade 2).

3. Показаны особенности измельчения микроструктуры в двухфазных сплавах системы Ti-6A1-4V в ходе РКУП в зависимости от исходной морфологии фаз, геометрии оснастки, температуры, степени деформации. Определены маршрут и режимы РКУП сплавов системы Ti-6A1-4V, обеспечивающие однородное измельчение структуры в оснастке с диаметром каналов 20 и 40 мм при Т=600...700°С; угле пересечения каналов (р=120° и достижении накопленной степени деформации е~3...6. Предложенный режим предварительной термообработки сплава, заключающийся в закалке в воду (температура нагрева ниже Тпп на 10...30°С) и последующим старением при температуре 675...775°С в течение 4 часов, который в результате р-»сс превращения приводит к образованию исходной а- фазы тонкопластинчатой морфологии, позволяет сформировать после РКУП УМЗ структуру с очень малым размером зерен ос- фазы (0.3 мкм) в 80% объема заготовки.

4. Выявлено, что проводимая после РКУП экструзия и последующий отжиг сплавов Ti-6A1-4V привели к трансформации дислокационной субструктуры в УМЗ структуру, характеризующейся высокой долей болыпеугловых границ и размером зерен а- фазы менее 300 нм при некотором их удлинении. Данная обработка сплава позволила достичь высоких механических свойств (<тв =1510 МПа и 5=10% - для сплава ВТ6).

5. Установлены закономерности влияния УМЗ структуры на усталостные свойства титана и его сплава Ti-6A1-4V, сформировавшейся в ходе комбинации РКУП и последующих деформаций при различных температурах. Показано, что повышение усталостной долговечности образцов из УМЗ титана и сплава Ti-6A1-4V обусловлено достижением не только высокой прочности, но и повышенной пластичности, в частности, равномерного удлинения при растяжении (с 2 до 5 %) за

счет формирования УМЗ структуры с размером зерна в диапазоне 0.1...0.3 мкм, долей БУГ не менее 70%, равноосной формой зерен. В результате последовательного применения РКУП, термических и термомеханических обработок, в титановых материалах достигнуто повышение предела выносливости в условиях изгиба с вращением не менее чем на 40% (в Ti Grade 4 - 640 МПа и сплаве TÍ-6A1-4V - 740 МПа на базе 107 циклов).

6.Сформулированы основные принципы повышения предела выносливости УМЗ титановых материалов, которые были реализованы в технологических процессах изготовления крепежа из титана Grade 4 с повышенными эксплуатационными свойствами для применения в медицине и авиации. На примере стоматологических имплантатов продемонстрированы преимущества УМЗ титана Grade 4 для изготовления изделий улучшенной конструкции с высокой биосовместимостью. Показано, что повышенное сопротивление в многоцикловой и малоцикловой области УМЗ Ti Grade 4, высокая коррозионная стойкость позволяют рассматривать УМЗ титан Grade 4 весьма перспективным материалом для применения в качестве крепежных изделий в технике.

7. Показано, что деформационно-термическая обработка заготовок из сплава TÍ-6A1-4V с УМЗ структурой приводит к проявлению сверхпластичности уже при относительно низких температурах 600...650°С и скорости деформации 10"4 с"', которые характеризуются повышенной скоростной чувствительностью к напряжению течения (/и=0.26) и низкими напряжениями на установившейся стадии течения материала (200 МПа для 600°С и 120 МПа для 650°С). Предложены режимы изотермической штамповки при пониженных температурах (650...750°С), реализованные при изготовлении лопатки компрессора ГТД из сплава ВТ6 с УМЗ структурой, которые были положены в основу опытного технологического процесса изготовления лопаток КНД изделия AJI-31CT на УМПО. Усталостные испытания натурных лопаток, изготовленных по опытной технологии, показали повышение предела выносливости при комнатной температуре на 30% в сравнении с серийной лопаткой за счет сохранения в структуре ультрамелкого зерна а- фазы.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах.

В российских и зарубежных изданиях, рекомендованных ВАК.

1.Саитова Л.Р., Семенова И.П., Александров И.В. Исследование однородности структуры заготовок из сплава ВТ6, подвергнутого равноканальному угловому прессованию // Вестник СамГУ, Самара, 2004, вып. 27 - С. 164-168.

2. Semenova I.P., Saitova L.R., Raab G.I., Valiev R.Z. Equal channel angular pressing influence on the TÍ-6A1-4V alloy structure and mechanical behavior // Materials Science and Engineering, A 387-389 (2004) 805-808.

3 Саитова Л.Р, Семенова И.П., Рааб Г.И., Валиев Р.З. Влияние интенсивной пластической деформации на механическое поведение и структуру сплава TÍ-6A1-4V // Деформация и разрушение материалов, 2005, №3- С. 27-30.

4. Семенова И.П., Саитова JI.P., Исламгалиев Р.К., Доценко Т.В., Кильмаметов А.Р., Демаков СЛ., Валиев Р.З. Эволюция структуры сплава ВТ6, подвергнутого равноканально-угловому прессованию // Физика металлов и металловедение, 2005, том 100, №1-С. 1-8.

5. Садикова Г.Х., Латыш В.В., Семенова И.П., Валиев Р.З. Влияние интенсивной пластической деформации и термомеханической обработки на структуру и свойства титана // Металловедение и термическая обработка металлов, 2005, №11 (605) - С. 31-34.

6. Валиев Р.З., Рааб Г.И, Гундеров Д.В., Семенова И.П., Мурашкин М.Ю. Развитие методов интенсивной пластической деформации для получения объемных наноструктурных материалов с уникальными механическими свойствами // Нанотехника, 2006, № 2 - С. 32-43.

7. Валиев Р.З., Гундеров Д.В., Семенова И.П., Мурашкин М.Ю. Объемные наноструктурные металлы и сплавы с уникальными механическими свойствами для перспективных применений // Вестник УГАТУ, 2006, т.7, №3(16)- С. 23-35.

8. Valiev R.Z., Islamgaliev R.K., Semenova LP. Superplasticity in nanostructured materials: New challenges// Materials Science and Engineering A, Vol. 463 (2007), P. 2-7.

9. Семенова И.П., Коршунов А.И., Салимгареева Г.Х., Латыш В.В., Якушина Е.И., Валиев Р.З. Механическое поведение ультрамелкозернистых титановых прутков, полученных с использованием интенсивной пластической деформации // Физика металлов и металловедение, 2008, Т.106, № 2 - С.1-9.

10. Семенова И.П., Салимгареева Г.Х., Латыш В.В. Кунавин С.А., Валиев Р.З., Исследование сопротивления усталости титана с ультрамелкозернистой структурой // Металловедение и термическая обработка металлов, 2009, № 2 - С. 34-39.

11. Демаков С.Л., Елкина O.A., Илларионов А.Г., Карабаналов М.С., Попов A.A., Семенова И.П., Саитова Л.Р., Щетников Н.В. Влияние условий деформации прокаткой на формирование ультрамелкозернистой структуры в двухфазном сплаве, полученном интенсивной пластической деформацией // Физика металлов и металловедение, 2008, т. 105, №6 - С. 638-646.

12. Semenova I.P., Salimgareeva G.Kh., Latysh V.V., Lowe Т., Valiev R.Z. Enhanced fatigue strength of commercially pure Ti processed by severe plastic deformation // Materials Science and Engineering, A 503 (2009), P. 92-95.

13. Валиев P.3., Семенова И.П., Латыш B.B., Щербаков A.B., Якушина Е.Б., Наноструктурный титан для биомедицинских применений: новые разработки и перспективы коммерциализации // Российские нанотехнологии, 2008, т.З, № 9 -10 -С. 80-89.

14. Нургалеева В.В., Семенова И.П., Рааб Г.И., Валиев Р.З. Влияние равноканального углового прессования на формирование ультрамелкозернистой структуры и механические свойства сплава Ti-6Al-7Nb, применяемого в медицине // Кузнечно-штамповочное производство. ОМД. 2008, № 11- С. 28-34.

15. Якушина Е.Б., Семенова И.П., Валиев Р.З. Влияние интенсивной пластической деформации на усталостные свойства длинномерных титановых прутков с ультрамелкозернистой структурой // Кузнечно-штамповочное производство. ОМД. 2008, № 11 - С. 34-39.

16. Боткин AB., Шаяхметов А, Семенова И.П., Рааб Г.И., Валиев Р.З., Павлинич С.П. Моделирование и аналитическая оценка силовых параметров изотермической штамповки лопатки из наноструктурного сплава ВТ6 // Кузнечно-штамповочное производство. ОМД, 2008, № 11 -С. 43-48.

17.Valiev R.Z., Semenova I.P., Latysh V.V., Rack H., Lowe T.C., Petruzelka J., Dluhos L., Hrusak D., Sochova J. Nanostructured titanium for biomedical applications //Advance Engineering Materials № 8 (2008), P.B15-B17.

18. Saitova L.R., Hoeppel H.W., Goeken M., Semenova I.P., Raab G.I., Valiev R.Z., Fatigue behavior of ultrafine-grained Ti-6A1-4V 'ELI' alloy for medical applications // Materials Science and Engineering A, Vol. 503 (2009), P. 145-147.

19. Жернаков B.C., Семенова И.П., Ермоленко A.H. Влияние напряженно-деформированного состояния деталей из объемных наноматериалов на усталостную прочность // Вестник УГАТУ, 2009, т. 12, № 1 (30) - С. 76-82.

20.Tabachnikova E.D., Podolskiy A.V., Bengus V.Z., Smirnov S.N., Bidylo M.I., Csach K., Miskuf J., Saitova L.R., Semenova I.P., Valiev R.Z., Mechanical characteristics, fatigue regularities and dimple structures on failure surfaces of Ti-6A1-4V ELI ultrafine-grained alloy at temperatures from 300 to 4.2 К // Materials Science and Engineering A, Vol. 503 (2009), P. 106-109.

21. Плехов О., Наймарк О., Семёнова И, Валиев Р., Сайнтиер Н., Пален-Лук Т. Экспериментальное исследование аномалий диссипации энергии в наноструктурном титане при циклическом нагружении // ПЖТФ, 2008, т.34 - С. 33-40.

22. Амирханова Н.А., Валиев Р.З., Черняева Е.Ю., Якушина Е.Б., Семенова И.П. Коррозионное поведение титановых материалов с ультрамелкозернистой структурой // Металлы, 2010, №3 - С.101-107.

23. Якушина Е.Б., Семенова И.П., Валиев Р.З. Наноструктурный титан для биомедицинских применений // Цветные металлы, 2010, №7 - С.81-83.

24.1.P. Semenova, G.H. Salimgareeva, G. Da Costa, W. Lefebvre, R.Z. Valiev, Enhanced strength and ductility of ultra-fine grained Ti processed by severe plastic deformation, Advanced Engeneering Materials V.12, No 8, (2010), P.803-807.

25. Семенова И.П. Прочность и повышенные усталостные свойства ультрамелкозернистых титановых полуфабрикатов, полученных интенсивной пластической деформацией //Металлы, 2010, №5 - С.87-94.

Патенты.

26.Патент РФ №2285738. Способ термомеханической обработки двухфазных титановых сплавов / Рааб Г.И., Баушев Н.Г., Саитова JI.P., Семенова И.П., Валиев Р.З.; заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО «УГАТУ». - № 2005113117; заявл. 29.04.2005; опубл. 20.10.2006. 3 с.

27. Патент РФ №2285740. Способ термомеханической обработки двухфазных титановых сплавов / Саитова JI.P., Семенова И.П., Рааб Г.И., Баушев Н.Г., Валиев Р.З.; заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО «УГАТУ». - № 2005113116; заявл. 29.04.2005; опубл. 20.10.2006.4 с.

28. Патент РФ 2285737. Способ термомеханической обработки татановых заготовок / Латыш В.В., Салимгареева Г.Х., Семенова И.П., Кандаров И.В., Половников В.М., Валиев Р.З.; заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО «УГАТУ». - № 2005113115; заявл. 29.04.2005; опубл. 20.10.2006.3 с.

29. Патент РФ №23882686. Способ штамповки заготовок из наноструктурных титановых сплавов /Шаяхметов А.Ф., Боткин А.В., Семенова И.П., Валиев Р.З., Рааб Г.И., Арттохин Ю.В., Павлинич С.П., заявители и патентообладатели ГОУ ВПО «УГАТУ» и ОАО «УМПО» - № 2008105266; заявл. 12.02.2008; опубл. 27.02.2010.3 с.

30. Патент №2383654. Наноструктурный технически чистый титан для биомедицины и способ получения прутка из него / Семенова И.П., Валиев Р.З., Якушина Е. Б., Салимгареева Г.Х. заявители и патентообладатели ГОУ ВПО «УГАТУ» и ООО «Наномет» - № 2008141956; заявл. 22.10.2008; опубл. 10.03.2010.4 с.

Другие журналы и периодические издания:

31.Саитова Л.Р., Семенова И.П., Рааб Г.И., Валиев Р.З. Повышение механических свойств сплава Ti-6A1-4V, используя равноканальное угловое прессование и последующую пластическую деформацию // Физика и техника высоких давлений, Донецк, 2004,т.14, №4 - С. 19-24.

32. Семенова И.П., Латыш В.В., Садикова Г.Х., Валиев Р.З. Структура и механические свойства титановых длинномерных полуфабрикатов, полученных интенсивной пластической деформацией // Физика техника высоких давлений, 2005, т.15,№ 1-С. 81-85.

33. Semenova LP., Saitova L.R., Raab G.I., Korshunov A.I., Zhu Y.T., Lowe T.C., Valiev R.Z., Microstructural Features and Mechanical Properties of the Ti-6A1-4V ELI Alloy Processed by Severe Plastic Deformation // Materials Science Forum, Vol. 503-504 (2006), P.757-762.

34. Latysh V.V., Salimgareeva G.H., Semenova I.P., Kandarov I.V., Zhu Y.T., Lowe T.C., Valiev R.Z. Microstructure and properties of Ti rods produced by multi-step SPD // Materials Science Forum, Vol. 503-504 (2006), P. 763-768.

35. Salimgareeva G.H., Semenova I.P., Latysh V.V., Kandarov I.V., Valiev R.Z. Combined SPD techniques to fabricate nanostructured Ti rods for medical application / Solid State Phenomena. Vol. 114 (2005), P. 183-188

36.Семенова И.П, Саитова Л.Р., Рааб Г.И., Валиев Р.З. Сверхпластическое поведение ультрамелкозернистого сплава Ti-6A1-4V ELI, полученного интенсивной пластической деформацией // Физика и техника высоких давлений, Донецк, 2006,т. 16, №4 - С. 84-89.

37. Valiev R., Islamgaliev R., Semenova I., Yunusova N. New trends in superplasticity in SPD-processed nanostructured materials// International Joint Materials Research (formerly Z. Metallkd.) Vol. 98, No. 4 (2007), P. 314-319.

38. Подольский A.B., Табачникова Е.Д., Бенгус B.3., Смирнов С.Н., Чах К., Мишкуф Й., Саитова Л.Р., Семенова И.П., Валиев Р.З. Механические свойства, пластичность и особенности разрушения улмрамелкозернистого сплава Ti-6A1-4V ELI при температурах 300-4,2 К // Журнал функциональных материалов, 2007, п.1.№6 -С.235-239.

39. Semenova I.P., Salimgareeva G.Kh, Latysh V.V., Valiev R.Z. Enhanced Fatigue Properties of Ultrafine-grained Titanium Rods Produced Using Severe Plastic Deformation // Trans Tech Publications, Solid State Phenomena, Vol.140 (2008) P.167-172.

40. Semenova I.P., Valiev R.Z., Yakushina E.B., Salimgareeva G.H., Lowe T.C. Strength and fatigue properties enhancement in ultrafine-grained Ti produced by severe plastic deformation // Joint Materials Science, DOI 10.1007/s, 10853-008-2984-4 ISSN 00222461 (Print) (2209)1573-4803 (on-line).

41. Tabachnikova E.D., Podolskiy A.V., Bengus V.Z., Smirnov S.N., Csach K., Miskuf J., Saitova L.R., Semenova I.P., Valiev R.Z. Microstructure features of failure surfaces and

Low-temperature mechanical properties of ultra-fine grained Ti-4AL-6V ELI alloy / Strength of Materials. Vol 40 No 1, (2008), P.71-74.

42. Saitova L., Semenova I., Hoppel H.V., Valiev R., Goken M. Enhanced superplasti behavior of ultra-fine grained H-4AL-6V ELI alloy// Mat.- wiss.u. Werkstofiftech, Vol. 39 No 4-5, (2008), P.367-370.

43. Valiev R Z., Semenova I.P., Jakushina E.B., Latysh V.V., Rack H., Lowe T.C Petruielka J., DIuhoS L., HruSAk D., Sochovi J. Nanostructured SPD Processed Titaniu for Medical Implants //Materials Science Forum Vol. 584-586 (2008) P. 49-54.

44. Saitova L.R., Hoeppel H.W., Goeken M., Semenova I.P., Valiev R.Z. Cycli deformation behavior and fatigue lives of ultrafine-grained Ti-6A1-4V ELI alloy fo medical use // International Journal of Fatigue, 31 (2009), P. 322-331.

45.Semenova I.P,, Yakushina E. B., Nurgaleeva V.V., Valiev R.Z. Nanostructuring of Ti alloys by SPD processing to achieve superior fatigue properties // International Join Materials Research (formerly Z. Metallk.), Vol. 100 (2009), 12, P.1691-1696.

46. Sabirov, R.Z. Valiev, LP. Semenova, R. Pippan, Effect of equal channel angul pressing on the fracture behavior of commercially pure titanium, Metall. Mater. Trans. A 2010, published online, DOI: 10.1007/sll661-009-0111-z..

47.R.Z. Valiev, M.Yu. Murashkin, I.P. Semenova, Grain boundaries and mechanica properties of ultrafine-grained metals, Metall. Mater. Trans. A, Vol. 41, issue 4 (2010), p 816. DOI: 10.1007/s 11661-009-0083-z.

48. R.Z. Valiev, I.V.Alexandrov, N.A.Enikeev, M.Yu. Murashkin, I.P. Semenov Towards enhancement of properties of UFG metals and alloys by grain bounda engeneering using SPD processing, Rev. Adv.Mater.Sci. 25 (2010) P.l-10.

49. J.M. Molina-Aldareguia, M.T. Perez-Prado, R.Z. Valiev, I.P. Semenova, I. Sabirov, High strength ultra-fine grained titanium produced via a novel SPD processing route, Int J Mater Form, Vol. 3 Suppl 1 (2010), P. 407-410 (doi: 10.1007/sl2289-010-0793-l).

Подписано в печать 26.04.11 г. Формат 60x84 1/16. Бумага офсетная. Печать ризографическая. Тираж 120 экз. Заказ 502. Гарнитура «TimesNewRoman». Отпечатано в типографии ПЕЧАТНЫЙ ДОМЪ» ИП ВЕРКО. Объем 2 п.л. Уфа, Карла Маркса 12 корп. 4, т/ф: 27-27-600, 27-29-123

Список условных обозначений

Введение

Глава 1. Влияние режимов комбинированной ИПД-обработки на структурообразование и механические свойства технически- чистого титана.

1.1 Особенности формирования УМЗ структуры методом РКУП в технически чистом титане Ti Grade 2 и Ti Grade 4.

1.1.1 Влияние режимов РКУП на микроструктуру заготовок из Ti Grade 2.

1.1.2. Влияние режимов РКУП на микроструктуру заготовок из Ti Grade 4.

1.1.3 Механические свойства заготовок из титана Ti Grade 2 и Ti Grade 4, полученных по разным режимам РКУП.

1.2 Влияние последующего после РКУП волочения при комнатной температуре на микроструктуру и механические свойства титана.

1.2.1 Эволюция УМЗ структуры в Ti Grade 2 в ходе последующей деформации волочением.

1.2.2. Эволюция структуры в Ti Grade 4 в ходе последующей деформации волочением

1.2.3 Механические свойства прутков, полученных РКУП в комбинации с волочением.

1.3 Влияние отжига УМЗ титановых прутков, полученных РКУП в сочетании с волочением, на структуру и механические свойства.

1.4 Влияние теплой прокатки после РКУП на микроструктуру и механические свойства Ti Grade 2 и Grade 4.

1.4.1 Микроструктура

1.4.2. Текстура.

1.4.3 .Механические свойства.

1.5 Механическое поведение УМЗ титана Grade 4 при температурах в интервале 400.550°С.

1.5.1 Механические свойства в условиях растяжения.

1.5.2. Механические свойства в условиях изотермической осадки.

1.5.3 Влияние дополнительной изотермической осадки УМЗ титана Grade на структуру и механические свойства при комнатной температуре.

Выводы по главе 1.

Глава 2. Особенности формирования ультрамелкозернистой структуры в сплавах Ti-6AI-4V комбинированными методами ИПД.

2.1 Влияние технических параметров РКУП на измельчение структуры и механические свойства сплавов Ti-6A1-4V. 2.1.1 Особенности формирования структуры в сплаве ВТ6 в зависимости от степени деформации (числа проходов РКУП). 2.1.2 Влияние угла пересечения каналов в штамповой оснастке на структуру и свойства сплава ВТ6.

2.2 Особенности микроструктуры и механические свойства медицинского сплава Ti-6A1-4V ELI, полученного методом РКУП.

2.3 Влияние последующей экструзии на микроструктуру и механические свойства сплава Ti-6AL-4V ELI. 2.3.1 Особенности эволюции микроструктуры в заготовках из сплава Ti-6A1-4V ELI в процессе РКУП и экструзии. 2.3.2 Микроструктура и механические свойства сплава Ti-6A1-4V ELI после комбинированной ИПД-обработки.

2.4 Влияние отжига на прочность и пластичность УМЗ сплава Ti-6A1-4V ELI.

2.5 Анализ природы высокой прочности УМЗ сплава Ti-6A1-4V, полученного комбинированной ИПД-обработкой

2.6 Влияние условий прокатки на структурообразование и механические свойства сплава ВТ6, подвергнутого РКУП.

Выводы по главе 2.

Глава 3. Сверхпластическая деформация УМЗ сплава, и ее влияние на микроструктуру и механические свойства при комнатной температуре.

3.1 Феноменология сверхпластичности титановых сплавов.

3.2 Особенности сверхпластичности УМЗ Ti-6A1-4V ELI в условиях растяжения.

3.3 Механическое поведение УМЗ сплава Ti-6A1-4V ELI в условиях изотермической осадки.

3.4 Влияние сверхпластической деформации на структуру и механические свойства УМЗ сплава Ti-6A1-4V ELI при комнатной температуре.

Выводы по главе 3.

Глава 4. Исследование закономерностей влияния УМЗ структуры на усталостные свойства титана и его сплавов Ti-6A1-4V.

4.1 Пути повышения усталостной прочности титана и титановых сплавов.

4.2 Усталостные свойства УМЗ титановых прутков, полученных РКУП в сочетании с волочением и теплой прокаткой.

4.2.1 Усталостные свойства длинномерных УМЗ прутков из Ti Grade 4, полученных РКУП в сочетании с волочением.

4.2.2 Исследование особенностей усталостного разрушения образцов из КЗ и

УМЗ титана Grade 4.

4.2.3 Влияние отжига на усталостные свойства УМЗ Ti Grade 4.

4.2.4 Влияние теплой прокатки на усталостные свойства УМЗ титана.

4.3 Исследование усталостной чувствительности к надрезу УМЗ титановых материалов.

4.3.1 Влияние надреза на усталостную прочность УМЗ Ti Grade 4.

4.3.2 Влияние формы надреза на усталостную чувствительность УМЗ титана.

4.4 Усталостные свойства сплавов Ti-6A1-4V ELI и Ti-6A1-4V.

4.4.1. Усталостное поведение и механизмы разрушения при циклической деформации УМЗ сплава Ti-6A1-4V ELI для медицинского применения.

4.4.2. Усталостные свойства УМЗ сплава Ti-6A1-4V для технических применений.

4.4.3. Сопоставление титановых сплавов разных стран с УМЗ титановыми материалами по сопротивлению многоцикловой усталости.

Выводы по главе 4.

5 ГЛАВА 5. Разработка технологических процессов получения прутков-полуфабрикатов и изделий из УМЗ титановых материалов.

5.1 Исследование параметров качества ультрамелкозернистых титановых прутков-полуфабрикатов.

5.2 Анализ преимуществ УМЗ титана для изготовления крепежа и имплантатов в медицине.

5.1.1. Медико-биологические свойства УМЗ титана.

5.1.2. Малоцикловые свойства УМЗ титана для применения резьбового крепежа в остеосинтезе.

5.1.3. Исследование коррозионной стойкости титана в крупнозернистом и ультрамелкозернистом состоянии.

5.3 Исследование принципиальной возможности получения сложных изделий типа лопатки ГТД изотермической штамповкой из УМЗ титанового сплава

ВТ 6. 5.3.1. Моделирование и аналитическая оценка силовых параметров изотермической штамповки лопатки из УМЗ сплава. 5.3.2. Результаты опытной штамповки лопатки ГТД из УМЗ сплава ВТ-6. 5.3.3. Исследование микроструктуры опытных штамповок двухзамковых лопаток. 5.3.41 Механические свойства опытных лопаток, полученных из УМЗ сплава ВТб.

Развитие современных отраслей машиностроения' предъявляет все более высокие требования к качеству и эксплуатационным свойствам конструкционных материалов и изделий, изготовленных из них. При этом, во многих случаях, весьма важным является обеспечение комплекса свойств, например, сочетание при малом удельном весе высокой механической и> усталостной прочности, коррозионной стойкости ряда таких изделий; как высоконагруженные детали энергетических установок, газоперекачивающих станций и авиационной техники, имплантаты и устройства медицинского назначения. Для этой цели в практике широко используются титановые сплавы, которые обладают более высокой удельной прочностью по сравнению с жаропрочными сталями и никелевыми сплавами[1-4].

Исследования последних двух десятилетий показали, что эффективным способом повышения физико-механических свойств промышленных металлов и сплавов является создание в них ультрамелкозернистых (УМЗ) структур с использованием методов интенсивной пластической деформации (ИГТД), которые позволяют достигать очень больших пластических деформаций при относительно низких температурах (обычно 0,3.0,4 Тпл, К) в условиях высоких приложенных давлений [5-12].

Значительный вклад в разработку технологических основ получения титановых материалов с УМЗ структурой и исследование их свойств внесли Р.З. Валиев, Ю. Р. Колобов, А. А. Попов, В.Г. Пушин, Г.И. Рааб, Г. А. Салищев, В. В. Столяров и др., а также ряд зарубежных исследователей. Формирование объемной УМЗ структуры в титановых сплавах и, как следствие, увеличение их удельной прочности, сопротивления усталости, долговечности создает возможность повышения эксплуатационных свойств изделий, изготовленных из них [5,14-25].

До недавнего времени для формирования УМЗ структуры в титане и его сплавах были использованы различные методы ИПД: интенсивная пластическая деформация кручением (ИПДК), равноканальное угловое прессование (РКУП), всесторонняя многоступенчатая ковка. Первые наноструктурные образцы из коммерчески чистого титана были получены методом ИПДК [14-16] и они имели форму тонких дисков толщиной 0.3 мм, диаметром 10 мм. ИПД кручением при давлении 5 ГПа с истинной логарифмической деформацией е=7 при комнатной температуре привела к сильному измельчению структуры до наноразмеров (размер зерна около 80 нм). [15]. Для измельчения структуры в титане был использован также метод многоступенчатой свободной ковки с последовательным снижением температуры в интервале 800-400°С [17-22]. В результате такой обработки в1 титане формируется равноосная УМЗ структура с размером зерен около 200 нм с большой долей большеугловых границ. Процесс равноканального углового прессования (РКУП) в результате деформации простого сдвига позволяет формировать УМЗ структуру в объемных заготовках из титана [5,23-25]. В результате многопроходной обработки РКУП (до 8 циклов) в титане ВТ 1-0 была получена структура с равноосными зернами размером около 260 нм [24].

Вместе с тем УМЗ заготовки, получаемые ИПД, имеют небольшие габариты, что ограничивает их применение в промышленности. Одним из новых технических подходов, позволяющих получать длинномерные прутки с УМЗ структурой в широком размерном диапазоне является комбинация РКУП с известными методами деформации прокатки, волочения, экструзии и др. [26-28]. В настоящей работе данный подход был использован применительно к титановым материалам, так как титановые прутки являются одними из наиболее распространенных полуфабрикатов, используемых в промышленности. Вместе с тем создание комбинированной ИПД-технологии получения полуфабрикатов с УМЗ структурой требует оптимизации технологических режимов обработки как на стадии проведения РКУП, так и последующей стадии термомеханической обработки с целью обеспечения заданных размеров заготовок, однородности микроструктуры и стабильности получаемых свойств. Материаловедческим аспектом достижения высокого уровня механических характеристик полуфабрикатов является выявление общих закономерностей и особенностей формирования УМЗ структуры в зависимости от режимов обработки, и установление влияния основных параметров формирующейся структуры (размер, форма зерна, субструктура, состояние границ зерен и др.) на физико-механические свойства сплавов. Особый интерес вызывают исследования, направленные на повышение усталостной долговечности УМЗ титановых сплавов.

Кроме того, важным является оценка инновационного потенциала УМЗ титановых сплавов, которая требует проведения комплекса исследований эксплуатационных свойств образцов на стадиях изготовления полуфабрикатов и изделий, полученных из них, на примере медицинского крепежа и лопаток ГТД.

Решение этих проблем определяет актуальность настоящей диссертационной работы, связанной с разработкой научных основ и режимов обработки титановых материалов с использованием комбинированных способов интенсивной пластической деформации для изготовления прутков-полуфабрикатов и изделий с повышенными свойствами путем формирования в них УМЗ структуры.

Целью диссертационной работы является установление закономерностей влияния условий комбинированной обработки, включающей РКУП, деформационные и термические воздействия, на особенности УМЗ структур и механические свойства прутков из титана и сплавов системы ТьбАМУ, направленное на решение важной научнотехнической задачи определения режимов обработки и создания инновационных технологических процессов получения полуфабрикатов и изделий с повышенными прочностными и усталостными свойствами.

В качестве объектов исследований были выбраны две марки технического титана различной чистоты (Ti Grade 2 и Grade 4), предназначенные для изготовления медицинских имплантатов и малолегированные сплавы Ti-6A1-4V (ВТб) и H-6A1-4V ELI; которые также широко используются для изготовления различных изделий и конструкций в медицине, машиностроении, авиации и космической технике как в России, так и за рубежом; При выполнении работы решались следующие задачи:

1. Исследование закономерностей влияния' режимов (температуры, скорости и степени деформации) комбинированной обработки, включающей сочетание РКУП с волочением, прокаткой, отжигами, на параметры формирующейся' УМЗ структуры и уровень механических свойств технически чистого титана Grade 2 и Grade 4.

2. Установление особенностей формирования УМЗ структуры в сплавах Ti-6A1-4V и Ti-6A1-4V ELI в зависимости от режимов РКУП в комбинации с последующими термомеханическими обработками.

3. Исследование сверхпластичности УМЗ сплава Ti-6A1-4V, полученного комбинированной обработкой, и влияния деформации в режиме сверхпластичности на структуру и механические свойства при комнатной температуре.

4. Определение закономерностей влияния УМЗ структуры на усталостные свойства титана и его сплавов Ti-6A1-4V, полученных комбинированными методами ИПД, и выявление ее ключевых параметров, приводящих к повышению предела выносливости материала.

5. Оценка инновационного потенциала применения УМЗ титана и его сплава Ti-6A1-4V в качестве конструкционных материалов при изготовлении прутков-полуфабрикатов и изделий на примере медицинских имплантатов и лопатки ГТД.

Научная новизна работы:

1. Изучены закономерности влияния режимов РКУП в сочетании с деформационными и термическими воздействиями на особенности формирования УМЗ структур в технически чистом титане (размер и форма зерен, дислокационная субструктура, состояние границ и др.). Впервые определены параметры УМЗ структуры - размер зерен 100. 120 нм, доля большеугловых границ не менее 70%, наличие зернограничных сегрегаций примесей, позволяющие обеспечить в титане Grade 4 не только очень высокую прочность (ств>1250МПа), но и значительную пластичность (8> 12%).

2. Установлены режимы комбинированной ИПД-обработки титана Grade 2 и Grade 4 (температура, скорость и степень деформации), включающей РКУП и последующие термомеханические обработки (прокатка, волочение, отжиги), обеспечивающие формообразование длинномерных прутков и формирование в них однородной УМЗ структуры, приводящей к повышенным механическим свойствам, которые значительно превосходят достигнутые ранее.

3. Впервые изучены особенности измельчения микроструктуры в двухфазном сплаве Ti-6A1-4V в ходе РКУП в зависимости от исходной морфологии а- и р- фаз (глобулярной и пластинчатой), геометрии оснастки, температуры, степени деформации. Показано, что комбинация РКУП с последующей экструзией и отжигами обеспечивает формирование в сплаве УМЗ структуры, характеризующейся высокой протяженностью преимущественно болыпеугловых границ а- зерен размером менее 300 нм с равномерно распределенными частицами (3- фазы, что ведет к достижению высокого уровня прочности и пластичности.

4. Определены условия деформационно-термической обработки УМЗ сплавов системы Ti-6A1-4V, полученных РКУП в сочетании с экструзией, которые позволяют реализовать их сверхпластическое поведение при относительно низких температурах (ниже температуры рекристаллизации); установлено, что данная обработка приводит к дальнейшей трансформации малоугловых субзеренных границ в болыпеугловые границы зерен а- фазы без значительного их роста и, как следствие, к дополнительному повышению пластичности с сохранением высокой прочности при комнатной температуре.

5. Впервые предложены принципы повышения усталостных свойств в УМЗ титановых материалах, основанные на достижении не только высокой прочности, но и повышенной пластичности. Данные принципы были реализованы в технологических процессах изготовления прутков-полуфабрикатов и промышленных изделий с УМЗ структурой из титана и сплава Ti-6A1-4V (на примере стоматологического имплантата и лопатки ГТД), в которых достигнуто значительное повышение предела выносливости при комнатной температуре.

Практическая значимость и реализация ее результатов. В результате проведенных исследований были разработаны технологические режимы получения титановых прутков-полуфабрикатов с УМЗ структурой, обеспечивающие достижение повышенных прочностных и усталостных свойств в Ti Grade 2, Grade 4 (патенты РФ №2285737, 2383654) и сплавах Ti-6A1-4V (ВТ6) и Ti-6A1-4V ELI (патенты РФ №2285738, 2285740,). В прутках из титановых материалов с УМЗ структурой получены усталостные свойства, которые превышают достигнутый к настоящему времени предел выносливости a.j почти в 1,5 раза (для титана Grade 4 до 640 МПа и сплава Ti-6A1-4V до 740 МПа на базе 107 циклов). Разработанные режимы были использованы при создании опытно-промышленного технологического процесса производства УМЗ титановых прутков в ООО «Наномет» (г. Уфа).

Результаты исследований влияния структуры на эксплуатационные свойства УМЗ титана (сопротивление усталости на образцах с надрезом, малоцикловой усталости, коррозионной стойкости) явились основой для разработки технологических процессов изготовления крепежа медицинского назначения. В частности, продемонстрирована возможность практического применения длинномерных прутков из титана с УМЗ структурой для изготовления опытных дентальных имплантатов с повышенным комплексом механических и биосовместимых свойств. Стоматологические имплантаты улучшенной конструкции, изготовленные из УМЗ титана, аттестованы в ООО «Витадент» (г. Уфа), а также в фирме «ПтрЫпЬ) (Чешская республика). К настоящему времени они имплантированы более чем 1000 пациентам для опытных клинических наблюдений и получения медицинских сертификатов для их широкого применения.

Разработаны технологические рекомендации для получения изделий сложной формы из УМЗ титанового сплава ВТ6 методом изотермической штамповки при пониженных температурах с целью повышения усталостных свойств изделий (патент РФ №2382686). Данный способ реализован на Уфимском моторостроительном производственном объединении (УМПО) для изготовления опытных лопаток компрессора низкого давления ГТД. Усталостные испытания опытных лопаток на вибростенде ВЭДС-400А показали увеличение предела выносливости на 30 %.

Результаты диссертационной работы использованы в учебном процессе и вошлиг в учебные программы дисциплин для подготовки инженеров по специальности «Наноматериалы» на кафедре нанотехнологий ГОУ ВПО «УГАТУ».

Основные положения и научные результаты, выносимые на защиту. Систематические ■ исследования влияния условий обработки в процессе РКУГТ, термических , и* деформационных воздействий позволили установить основные закономерности формирования УМЗ структуры в прутках-полуфабрикатах из титана и сплавов системы Т1-6А1-4У. Выявлены критические структурные параметры (размеры и форма зерен, структура границ), ведущие к достижению высокой прочности и пластичности, повышенной усталостной долговечности в Т1 материалах. Результаты выполненных исследований позволили сформулировать ряд положений, которые являются новыми и выносятся на защиту:

1.Комбинирование равноканального углового прессования с деформационными (прокатка, экструзия, волочение) и термическими обработками позволяет эффективно проводить формообразование прутковых полуфабрикатов из малолегированных сплавов с

УМЗ структурой, а также, дополнительно измельчать микроструктуру, изменять форму зерен и состояние их границ.

2.Высокий уровень прочности и пластичности, достигнутый в прутках-полуфабрикатах из технически чистого титана (св=1340 МПа, 5=12% для Ti Grade 4) и сплавах H-6A1-4V (ав =1500 МПа и 5=10% - для сплава ВТ6) после комбинированной обработки обусловлен не только формированием однородной УМЗ структуры с размером зерен 120.300 нм, но и образованием преимущественно большеугловых границ зерен а-фазы (более 60%).

3.Повышение усталостной прочности в условиях изгиба с вращением в Ti Grade 4 - до 640 МПа и сплаве Ti-6A1-4V - до 740 МПа на базе 107 циклов связано как с высокой прочностью, так и значительной пластичностью УМЗ титановых материалов. При этом распространение трещин происходит по границам зерен/субзерен, способствуя, в силу увеличения пути разрушения, повышению работы пластической деформации и, как следствие, вязкости разрушения.

4.УМЗ титановые сплавы в полученных прутковых полуфабрикатах демонстрируют типичные признаки сверхпластического течения - значительную пластичность, повышенную скоростную чувствительность напряжения течения, отсутствие упрочнения в условиях деформации осадкой или растяжения при относительно низких температурах (Т=450°С для Ti Grade 4 и Т=650°С для сплава ВТ6). При этом в микроструктуре происходит трансформация субзеренных границ в зеренные с увеличением общей доли большеугловых разориентировок.

5. Разработанные структурные принципы повышения механических свойств использованы в технологических режимах изготовления прутков и изделий из ультрамелкозернистых титановых материалов (Ti Grade 2, Grade 4, Ti-6A1-4V ELI, BT6). Степень обоснованности полученных результатов обеспечивается использованием современных и апробированных методов исследования структуры, включая различные методики просвечивающей и растровой электронной микроскопии, рентгеноструктурного анализа, стандартных методов механических и усталостных испытаний, их статистической обработкой, воспроизводимостью результатов экспериментов и сравнением с имеющимися . литературными данными. Достоверность полученных результатов подтверждается использованием взаимодополняющих, комплексных методов исследований, а также публикацией в реферируемых журналах и обсуждением на всероссийских и международных конференциях.

Личный« вклад соискателя состоит в научной постановке задач исследования, получении, обсуждении и интерпретации экспериментальных результатов, подготовке и написании статей. Диссертант осуществлял научное руководство группой аспирантов и сотрудников.

Были защищены 3 кандидатских диссертации, направленные на повышение свойств в титане и титановых сплавах путем формирования объемной УМЗ структуры с использованием ИПД. Реализация научных разработок проводилась в тесном сотрудничестве автора с ОАО ИНТЦ «Искра» (г. Уфа), ООО «Наномет» (г. Уфа), с ОАО «Уфимское моторостроительное производственное объединение», а также со специалистами стоматологических компаний «Timplant» (Чешская республика), ООО «Витадент» (г. Уфа).

Тематика диссертации явилась частью комплексных исследований с непосредственным участием автора как руководителя тематических разделов в проектах международного научно-технического центра (МНТЦ) #2398 «Получение наноструктурных сплавов TÍ-6A1-4V и TiNi с эффектом памяти формы для медицинского применения» (20022005гг); #3208р «Развитие новых методов интенсивной пластической деформации для практического использования объемных наноструктурных материалов» (2005-2007гг); государственных контрактов № 02.438.11.7052 на выполнение научно-исследовательских работ «Современные технологии получения и обработки объемных наноструктурных материалов» (2006г.), № 02.527.11.9019 «Разработка методов получениям объемных металлических наноструктурных материалов для инновационного применения» (20072008гг.) в рамках ФЦНТП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники», а также в проектах Российского фонда фундаментальных исследований.

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались и обсуждались на следующих конференциях: на VIII, IX и X международных конференциях «Высокие давления. Фундаментальные и прикладные аспекты» (Украина, г. Донецк, 2004г.; г. Судак, 2006 и 2008г., соответственно); на VIII международной конференции ESAFORM (г. Клуж-Напока, Румыния, 2005г.); на X международном семинаре «Дислокационная структура и механические свойства металлов и сплавов-2005» «Нанотехнология и физика функциональных нанокристаллических материалов» (г. Екатеринбург, 2005г.); на III международной конференции «Наноматериалы, полученные интенсивной пластической деформацией» (Япония, г. Фукуока, 2005г.); на III и IV конференциях в рамках международного симпозиума TMS «Ультрамелкозернистые материалы» (США, г. Шарлотта, 2004г. и г. Сан Антонио, 2006г.); на международном симпозиуме BNM2007 «Объемные наноструктурные материалы - от науки к инновациям» (г. Уфа, 2007 г.); III и IV-й Евразийских Научно-Практических конференциях «Прочность Неоднородных Структур» (ПРОСТ) г. Москва, 2006 и 2008 г.; на IV международной конференции по наноматериалам NanoSPD4 (Германия, г.Гослар, 2008 г.); на Третьей всероссийской конференции по наноматериалам НАНО-2009 (г. Екатеринбург, 2009г.), на международном симпозиуме

ВЫМ2009 «Объемные наноструктурные материалы - от науки к инновациям» (г. Уфа, 2009г.).

Публикации. Основные научные и практические результаты работы опубликованы в 49 статьях, в том числе 25 в журналах, рекомендованных ВАК, 5 патентах РФ на изобретение, а также 19 статьях в других журналах российской и международной центральной печати, в коллективной монографии «Объемные наноструктурные металлические материалы: получение, структура, свойства»-М.:ИКЦ «Академкнига», 2007-398с.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав, выводов и списка литературы, который включает 162 наименования. Работа изложена на 269 страницах, содержит 9 приложений, 191 рисунок и 45 таблиц.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ:

В результате выполненных исследований выявлены критические параметры УМЗ структур (размеры и форма зерен, структура границ зерен), ведущие к достижению» высоких механических свойств в титане и сплаве Ti-6A1-4V. На основе полученных закономерностей разработаны технологические маршруты и режимы получения прутковых полуфабрикатов из УМЗ титана и сплава Ti-6A1-4V с использованием интенсивной пластической деформации методом РКУП. Показано, что повышение механических свойств и качества прутков-полуфабрикатов из исследованных титановых материалов за счет формирования в них УМЗ структуры весьма перспективно для изготовления из них изделий с качественно новым уровнем эксплуатационных свойств, что показано на примере медицинских имплантатов и лопаток ГТД.

1. По результатам исследований влияния режимов комбинированной обработки, включающей РКУП, деформационные и термические обработки, на структуру и механические свойства прутков из титана Grade 2 и Grade 4 выявлены условия (температура, степень и скорость деформации), приводящие не только к измельчению зерен, но и формированию разных типов границ зерен (малоугловых и большеугловых), различной формы зерен и/или частиц фаз (равноосной, удлиненной фрагментированной).

2. Установлено, что комбинация РКУП с деформационными обработками (волочением или теплой прокаткой), отжигами позволяет получить в технически чистом титане зерна размером 120.150 нм, увеличить долю большеугловых границ до 80%, изменить состояние границ за счет выделения сегрегации, обеспечить формирование около 60% зерен с коэффициентом вытянутости не более ~2. Данные параметры УМЗ структуры оказывают значительное влияние на прочность и пластичность титана, позволяя достичь рекордный уровень механических свойств (ав=1340 МПа и 5=12% для Ti Grade 4; сгв=1120 МПа и 5=13% для Ti Grade 2).

3. Показаны особенности измельчения микроструктуры в двухфазных сплавах системы Ti-6A1-4V в ходе РКУП в зависимости от исходной морфологии фаз, геометрии оснастки, температуры, степени деформации. Определены маршрут и режимы РКУП сплавов системы Ti-6A1-4V, обеспечивающие однородное измельчение структуры в оснастке с диаметром каналов 20 и 40 мм при Т=600.700°С; угле пересечения каналов ф=120° и достижении накопленной степени деформации е~3.6. Предложенный режим предварительной термообработки сплава, заключающийся в закалке в воду (температура нагрева ниже Тпп на Ю.30°С) и последующим старением при температуре 675.775°С в течение 4 часов, который в результате р—>а превращения приводит к образованию исходной а- фазы тонкопластинчатой морфологии, позволяет сформировать после РКУП УМЗ структуру с очень малым размером зерен а- фазы (0.3 мкм) в 80% объема заготовки

4. Выявлено, что проводимая после РКУП экструзия и последующий отжиг сплавов T1-6A1-4V привели к трансформации дислокационной субструктуры в УМЗ структуру, характеризующейся высокой долей болынеугловых границ и размером-зерен а- фазы менее 300 нм при некотором их удлинении. Данная обработка сплава позволила ДОСТИЧЬ высоких механических свойств (ст. =1510 МПа и 6=10% - для сплава ВТ6).

5. Установлены закономерности влияния УМЗ структуры на усталостные свойства ■ттана и его сплава Ti-6A1-4V, сформировавшейся в ходе комбинации РКУП и последующих деформаций при различных температурах. Показано, что повышение усталостной долговечности образцов из УМЗ титана и сплава Ti-6A1-4V обусловлено достижением не только высокой прочности, но и повышенной пластичности, в частности равномерного удлинения при растяжении (с 2 до 5 %) за счет формирования УМЗ структуры с размером зерна в диапазоне 0.1.0.3 мкм, долей БУГ не менее 70% равноосной формой зерен. В результате последовательного применения РКУП термических и термомеханических обработок, в титановых материалах достигнуто' повышение предела выносливости в условиях изгиба с вращением не менее чем на 40% (в Ti Grade 4 - 640 МПа и сплаве Ti-6A1-4V - 740 МПа на базе 107 циклов).

6.Сформулированы основные принципы повышения предела выносливости УМЗ титановых материалов, которые были реализованы в технологических процессах изготовления крепежа из титана Grade 4 с повышенными эксплуатационными свойствами для применения в медицине и авиации. На примере стоматологических имплантатов продемонстрированы преимущества УМЗ титана Grade 4 для изготовления изделий улучшенной конструкции с высокой биосовместимостью. Показано, что повышенное сопротивление в многоцикловой и малоцикловой области УМЗ Ti Grade 4 выс коррозионная стойкость позволяют рассматривать УМЗ титан Grade 4 TeTZ перспективным материалом для применения в качестве крепежных изделий в технике.

7. Показано, что деформационно-термическая обработка заготовок из сплава Ti 6A1-4V с УМЗ структурой приводит к проявлению сверхпластичности уже при относительно низких температурах 600.650°С и скорости деформации Ю"4 с"1, которые характеризуются повышенной скоростной чувствительностью к напряжению течения (ш-0.26) и низкими напряжениями на установившейся стадии течения материала (200 МПа для 600°С и 120 МПа для 650°С). Предложены режимы изотермической штамповки при пониженных температурах (650.750°С), реализованные при изготовлении лопатки компрессора ГТД из сплава ВТ6 с УМЗ структурой, которые были положены в основу опытного технологического процесса изготовления лопаток КНД изделия АЛ-31СТ на УМПО. Усталостные испытания натурных лопаток, изготовленных по опытной технологии, показали повышение предела выносливости при комнатной температуре на 30% в сравнении с серийной лопаткой за счет сохранения в структуре ультрамелкого зерна а- фазы.

Заключение и краткие выводы по Главе 5.

Таким образом, полученные результаты исследований продемонстрировали принципиальную возможность повышения эксплуатационных свойств в ответственных изделиях для медицины и авиадвигателестроения путем использования титановых прутков-полуфабрикатов с УМЗ структурой:

- на примере стоматологических имплантатов продемонстрированы преимущества УМЗ титана Grade 4 для изготовления изделий улучшенной конструкции и повышенной биосовместимостью. Показано, что повышенное сопротивление в многоцикловой и малоцокловой области УМЗ Ti Grade 4, высокая коррозионная стойкость позволяет считать УМЗ титан Grade 4 весьма перспективным материалом для применения в качестве крепежных изделий в авиационной технике.

- разработаны технологические рекомендации по изотермической штамповке при пониженных температурах (650.750°С), реализованные при изготовлении лопатки компрессора ГТД из сплава ВТб с УМЗ структурой, которые были положены в основу опытного технологического процесса изготовления лопаток КНД изделия AJI-31CT на УМПО. Усталостные испытания натурных лопаток, изготовленных по опытной технологии, показали повышение предела выносливости при комнатной температуре на 30% в сравнении серийной лопаткой за счет сохранения в структуре ультрамелкого зерна а-фазы.

1. Колачев Б.А., Елагин В.И., Ливанов В.А. Металловедение и термическая обработка цветных металлов и сплавов. // М.: МИСИС. 2001.416 с

2. Иголкин А.И. Титан в медицине. //Титан.1993. №1, С.86.

3. Brunette D.M., Tengvall P., Textor M., Thomsen P. Titanium in medicine.// Springer. 2001. P. 1019.

4. Глазунов С.Г., Важенин С.Ф., Зюков-Батырев Г.Д., Ратнер Я.Л. Применение титана в народном хозяйстве.// Киев: Техника, 1975.-2009с.

5. Валиев Р.З., Александров И.В. Наноструктурные материалы, полученные интенсивной пластической деформацией.// М.: Логос, 2000. 272с.

6. Gleiter Н. Nanocrystalline Materials // Progress Materials Science. 1989. V. 33. P. 223315.

7. Гусев А.И., Ремпель A.A. Нанокристаллические материалы.//М.: Физматлит, 2000. 224с.

8. Андриевский Р.А., Рагуля А.В., Наноструктурные материалы.//М.: Academia, 2005. 192с.

9. Носкова Н.Й., Мулюков Р.Р. Субмикрокристаллические и нанокристаллические металлы и сплавы.// Екатеринбург: Уральское отделение РАН, 2003. 279с.

10. C.B. Добаткин, П.Д.Одесский, P. Пиппан, Г.И. Рааб, Н.А. Красильников, А.М.Арсенкин. Теплое и горячее РКУ прессование низкоуглеродистых сталей.// М.:Металлы, №1,2004, с. 110-119.

11. С.В. Добаткин, Р.З.Валиев, Н.А. Красильников, Г.И. Рааб, В.Н.Коненкова. Структура и свойства стали Ст.З после теплого равноканального углового прессования. // Металловедение и термическая обработка, №9, 2000, с.31-35.

12. Valiev R.Z., Alexandrov I.V., Zhu Y.T., Lowe T.C. Paradox of strength and ductility in metals processed by severe plastic deformation. // Joint Materials Research. 2002. V 1. № 17.pp. 58.

13. Popov A.A., Pyshmintsev I.Yu., Demakov S.L, Illarionov A.G., Lowe T.C., and Valiev R.Z. Structural and mechanical properties of nanocristalline titanium processed by severe deformation processing.//Scripta Materialia. 1997. V.37.pp. 1089-1094.

14. Sergueeva A.V., Stolyarov V.V., Valiev R.Z., Mukheijee A.K. Advanced mechanical properties of pure titanium with ultrafine grained structure. // Scripta Materialia. 2001. №45. pp.747-752.

15. Valiev R.Z. Approach to nanostructured solids through the studies of submicron grained polycrystals. //Nanostructured Materials. 1995. V. 6. pp. 73.

16. Салищев Г. А., Галеев P. M., Валиахметов О. P. Динамическая рекристаллизация титана.// Известия АН СССР. Металлы. 1994. №1. с.125-129.

17. Салищев Г.А., Валиахметов О.Р., Галеев P.M., Малышева С.П. Формирование субмикрокристаллической структуры в титане при пластической деформации и ее влияние на механические свойства.// Металлы. 1996. № 4. с. 86.

18. Zherebtsov S.V., Salishchev G.A., Galeyev R.M. Formation of submicrocrystalline structure in titanium and its alloy under severe plastic deformation // Defect and Diffusion Forum. 2002. V.208-209. pp.237-240.

19. Жеребцов С.В., Галлеев P.M., Валиахметов О.Р., и др. Формирование субмикрокристаллической структуры в титановых сплавах интенсивной пластической деформацией // Кузнечно-штамповочное производство. 1999. № 7. с. 17-22

20. Stolyarov V.V., Zhu Y.T., Alexandrov I.V., Lowe T.C., Valiev R.Z. Influence of ECAP routes on the microstructure and properties of pure Ti/// Mater. Sci. Eng. 2001. V. A 299. P. 59.

21. G.I. Raab, E.P. Soshnikova, R.Z. Valiev. Influence of temperature and hydrostatic pressure during equal channel angular on the microstructures of commercial-purity Ti. // Materials Science Engineering. 2004. A 387-389. pp. 674-677.

22. V.V. Stolyarov, Y.T.Zhu, T.C. Lowe, R.Z. Valiev. Microstructure and properties of pure Ti processed by ECAP and cold extrusion // Materials Science Engineering. 2001. A 303. pp. 82-89.

23. V.V. Stolyarov, Y.T.Zhu, I.V. Alexandrov, T.C. Lowe, R.Z. Valiev. Grain refinement and properties of pure Ti processed by warm ECAP and cold rolling // Materials Science Engineering. 2003. A343.pp. 43-50.

24. Рааб Г.И., Валиев Р.З. Равноканальное угловое прессование по схеме «Конформ» длинномерных наноструктурных полуфабрикатов из титана. // Кузнечно-штамповочное производство. Обработка металлов давлением. 2008. №1.с. 21-27.

25. Сегал В.М., Резников В.И., Копылов В.И. и др. Процессы пластического структурообразования металлов. // Минск: Навука i техшка.1994. 250с.

26. Сегал В.М., Резников В.И., Дробышевский А.Е. и др. Пластическая обработка металлов простым сдвигом // Известия АН СССР, Металлы, 1981, №1, с.115.

27. Ахмадеев Н.А., Валиев Р.З., Копылов В.И., Мулюков P.P. Формирование субмикрозернистой структуры в меди и никеле с использованием интенсивного сдвигового деформирования // Металлы. 1992. № 5. с. 96—101.

28. Valiev R.Z., Krasilnikov N.A.,Tsenev N.K. Plastic deformation of alloys with submicron-grained structure// Materials Science Engineering. 1991, A137, pp.35-40.

29. Ferrase S., Segal V.M., Hartwig K.T., Goforth R.E. Microstructure and properties of copper and aluminum alloy 3003 heavily worked by equal channel angular extrusion. // Metallurgical and Materials Transactions. 1997. V. 28A. № 4. pp. 1047-1057.

30. Iwahashi Y., Horita Z., Nemoto M., Langdon T.G. An investigation of microstructural evolution during equal-channel angular pressing. //Acta Materialia. 1997.V.45. №11. pp.4733 -4741.

31. Iwahashi Y., Furukawa M., Horita Z., Nemoto M., Langdon T.G. Microstructural characteristics of ultrafine-grained aluminum produced using equal-channel angular pressing. // Metallurgical and Materials Transactions. 1998. V.29A. №9. pp. 2245-2252.

32. Iwahashi Y., Horita Z., Nemoto M., Langdon T.G. The process of grain refinement in equal-channel angular pressing. // Acta Materialia. 1998. V.46.№ 9. pp. 3317-3331.

33. Iwahashi Y., Furukawa M., Horita Z., Nemoto M., Langdon T.G. Microstructural characteristics of ultrafine-grained aluminum produced using equal-channel angular pressing. // Metallurgical and Materials Transactions. 1998. V.29A. №9. pp. 2245-2252.

34. Segal V.M. Materials processing by simple shear. // Materials Science and Engineering. 1995.V.A197. № 2. pp. 157-164.

35. Utyashev F.Z., Enikeev F.U., Latysh V.V. Comparison of deformation methods for ultrafine-grained structure formation. // Annales de Chimie, Science des Materiaux. 1996. V.21. № 6-7. pp. 379-389.

36. Shin D.H., Kim W.-J., Choo W.Y. Grain Refinement of a Commercial 0.15%C Steel by Equal-Channel Angular Pressing // Scripta Materialia. 1999.V. 41. pp. 259-262.

37. Shin D.H., Kim B.C., Park K.T., Choo W.Y. Microstructural Changes in Equal Channel Angular Pressed Low Carbon Steel by Static Annealing. // Acta Materialia. 2000. 48(12). pp.32453252.

38. P.B. Berbon, N.K. Tsenev, R.Z. Valiev, M. Furukawa, Z. Horita, M. Nemoto, T.G. Langdon. Fabrication of bulk ultrafine-grained materials through intense plastic straining.// Metallurgical and Materials Transactions A. 1998. Vol. 29. pp. 2237-2243.

39. Nemoto M., Horita Z., Furukawa M., Langdon T.G. // Metals Mater. 1998. V. 4. pp. 1181.

40. M. M. Бородкина, Э. H. Спектор, Рентгенографический анализ текстуры металлов ^ сплавов.// М. ¡Металлургия. 1981. 272 с.

41. Горелик С.С., Скаков Ю.А., Расторгуев JI.H. "Рентгенографический и электроннооптический анализ"//М., МиСиС. 1994. 327с.

42. D. Н. Shin, I. Kim, J. Kim, Y. S. Kim, S. L. Semiatinet al. Microstructure development during equal-channel angular pressing of titanium // Acta Materialia. 2003. V.51. pp. 983-996.

43. Kim I, Kim J, Shin DH, Lee CS and Hwang SK, Effects of equal channel angular pressing temperature on deformation structures of pure Ti. // Mater. Sci. Eng. 2003. A342(l-2). pp.302-310.

44. Колачев Б.А. Физическое металловедение титана. М. Металлургия, 1976, 184 с.

45. H.Van Swygenhoven.// Nature Materials.2004.V.3 .pp.400.

46. Зернограничная диффузия и свойства наноструктурных матералов. Колобов Ю.Р., Валиев Р.З., Грабовецкая Г.П. и др. Новосибирск: Наука, 2001. с.232

47. V. Yamakov, D.Wolf, S.R. Phillpot, A.K. Mukherjee, and H. Gleiter.// Nature Materials. 2004.3. P.43.

48. Г.А. Салищев, P.M. Галеев, С.П. Малышева, С.Б. Михайлов, М.М. Мышляев. Влияние отжига на демпфирование и упругость субмикрокристаллического титана и его сплава ВТ8 // Физика металлов и металловедение. 1999. т. 87, №4, с. 60-65.

49. Г.А. Салищев, P.M. Галеев, С.П. Малышева, С.Б. Михайлов, М.М.' Мышляев. Изменение модуля упругости при отжиге субмикрокристаллического титана // Физика металлов и металловедение. 1998, т. 83. №3. с. 178-181.

50. Крюков И.И., Нестерова Е.В., Рыбин В.В., Рыбников А.И. Межзеренные выделения в технически чистом титане.// Физика металлов и металловедение. 1981, Т.52, В. 4. с. 880-882.

51. Ушков С.С., Власова И.Г., Киевская Н.Х., Колодкина Г.И. Особенности микросегрегаций примесных и легирующих элементов в сплавах а-титана. // Физика металлов и металловедение. 1984, Т.57. В.1. с. 194-197.

52. О.А. Кайбышев Пластичность и сверхпластичность металлов. М.: Металлургия, 1975. 280с.

53. Новиков И.И. Теория термической обработки металлов. М.:Металлургия. 1984. 480с.

54. R.Z. Valiev, Nanostructuring of metals by severe plastic deformation for advanced properties. //Nature Materials, 2004, V. 3, pp. 511-516.

55. Ко Y.G., Jung W.S., Shin D.H., Lee C.S. Effects of temperature and initial microstructure on the equal channel angular pressing of Ti-6Al-4V alloy // Scripta Materialia. 2003. V. 48. pp. 197-202.

56. Kim S.M., Kim J., Shin D.II., Ко Y.G., Lee C.S., Semiatin S.L. Microstructure development and segment formation during ECA pressing of Ti-6A1-4V alloy //Scripta Mater. 2004. V. 50. pp. 927-930.

57. Исламгалиев P.K., Юнусова Н.Ф., Валиев Р.З. Влияние режимов равноканального углового прессования на сверхпластичность алюминиевого сплава 1420. //Физика металлов и металловедение. 2002. Т.94, Вып.6. с.88-92.

58. Zhilyaev А.Р., Nurislamova G.V., Kim В.К. et al. Experimental parameters influencing grain refinement and microstructural evolution during high-pressure torsion .// Acta Material. 2003. V.51. pp.753-765.

59. Y.G. Ко, W.S. Jung, D.H. Shin, C.S. Lee, Effects of temperature and initial microstructure on the equal channel angular pressing of Ti-6A1-4V alloy // Scripta Mater. 2003. V.48. pp. 197-202.

60. Борисова E.A., Бочвар, Г.А., Брун М.Я. Титановые сплавы. Металлография-титановых сплавов. М.:Металлургия, 1980. 464с.

61. Н. J. Rack, J. Qazi, L. Allard, R. Valiev.Thermal Stability of Severe Plasically Deformed VT-6(Ti-6Al-4V). // Materials Science Forum. 2008.Y.584-586. pp.893-898.

62. Металловедение титана и его сплавов /под. ред. Колачева Б.А., Глазунова С.Г.// М.: Металлургия, 1992 г., 352с.

63. Williams J.C., Baggery R.G., Paton N.E. Deformation behavior of HCP Ti-Al alloy single crystals// Met. and Mat. Trans. 2002.V.33A. No3.pp.837-850.

64. Захарченко И.Г., Немошкаленко B.B., Кшнякин B.C. Влияние V и Zr на текстуру прокатки, рекристаллизацию и анизотропию модуля Юнга в сплавах Ti-V и Ti-Zr// Физика металлов и металловедение.1983.Т.55.№3. с.533-536.

65. Гольдштейн М.И., Литвинов B.C., Бронфин Б.М. Металлофизика высокопрочных сплавов: учебное пособие для вузов.// М.:Металлургия, 1986. 312с

66. Штремель М.А. Прочность сплавов. 4.2. М.:МИСиС, 1997. 652с.

67. Попов А.А., Пышминцев И.Ю., Демаков С.Л. и др. Формирование структуры и, свойств технически чистого титана с нанокристаллической структурой после деформации и последующего нагрева// Физика металлов и металловедение.1997.Т.83.№5.с.127-133.

68. Е.Н.Чумаченко, О.М.Смирнов, М.А.Цепин. Сверпластичность: материалы, теория, технологии.//М.: Комкнига. 2005. 319с.

69. О. Kaibyshev, Superplasticity of alloys, intermetallides and ceramics, Berlin, Springer, 1992,317 р.

70. Грабский M.B. Структурная сверхпластичность металлов: Пер. с польск.// М.: Металлургия, 1975.270с.

71. А.К. Mukherjee, in: R.W. Cahn, P. Haasen, E.J. Kramer (Eds.). // Materials Science and Technology, 1993 .Vol. 6. Plastic Deformation and Fracture of Materials, Weinheim, New York, USA. pp. 407-460.

72. R.S. Mishra, T.R.Bieler, A.K. Mukheijee. Superplasticity in powder metallurgy aluminium alloys and composites // Acta Metall.Mater. 1995. V.43. pp.877-891.

73. R.Z. Valiev, D.A.Salimonenko, N.K.Tsenev, P.B.Berton, T.G.Langdon. Observations of high strain rate superplasticity in commercial aluminium alloys with ultrafine grain sizes // Scripta Materialia. 1997. Y.37 (12). pp. 1945-1959.

74. D.W.Kum, W.J.Kim, G.Frommeeyer. High strain rate superplasticity of an ultra-fine grained Al-Ti-Fe alloy // Scripta Materialia. 1998.V.40 (2). P. 223.

75. P.B. Berbon, М. Furukawa, Z. Horita, M. Nemoto, N.K. Tsenev, R.Z. Valiev, T.G. Langdon. Processing of aluminum alloys for high strain rate superplasticity// The Minerals, Metals & Materials Society. 1998. pp. 111-124.

76. R.S. Mishra, R.Z. Valiev, S.X. McFadden, A.K. Mukherjee. Tensile superplasticity in a nanosrystalline nickel aluminide. // Materials Science and Engineering. 1998. A252. pp. 174-178.

77. R.S. Mishra, R.Z. Valiev, S.X. McFadden, R.K. Islamgaliev and A.K. Mukheijee. Highstrain-rate superplasticity from nanocrystalline A1 alloy at low temperatures// Phil. Mag. A, 2001, Vol.81, No.l,pp.37-48.

78. R.S. Mishra, V.V. Stolyarov, C. Echer, R.Z. Valiev, A.K. Mukherjee. Mechanical behavior and superplasticity of a severe plastic deformation processed nanocrystalline Ti-6A1-4V alloy. // Materials Science and Engineering. 2001.A298. pp. 44-50.

79. A.V. Sergueeva, V.V. Stolyarov, R.Z. Valiev, A.K. Mukherjee, Enchanced superplasticity in a Ti-6A1-4V alloy processed by severe plactic deformation. // Scripta Materialia. 2000.№43. pp. 819-824.

80. A.V. Sergueeva, V.V. Stolyarov, R.Z. Valiev, A.K. Mukherjee. Superplastic behavior of ulyrafine-grained a Ti-6A1-4V alloys // Materials Science and Engineering. 2002. A323. pp. 318325.

81. S.N. Patankar, J.P. Escobedo, D.P. Field, G. Salishchev, R.M. Galeyev, O.R. Valiakhmetov, F.H. (Sam) Froes, Superior superplastic behavior in fine-grained Ti-6A1-4V sheet. // Journal of alloys and compounds. 2002. V. 345. pp. 221-227.

82. Y.G. Ко, W.G. Kim, C.S. Lee, D.H. Shin, Microstructural influence on low-temperature superplasticity of ultrafine-grained Ti-6A1-4V alloy. // Materials Science and Engineering. 2005. V. 410-411. pp. 156-159.

83. Колачев Б.А.,Полькин И.С., Талалаев, В.Д. Титановые сплавы разных стран: Справочник. // М.:ВИЛС. 2000, 316с.

84. Терентьев В.Ф. Усталостная прочность металлов и сплавов. // М.: Интермет Инжиниринг, 2002.248с.

85. S.R. Agnew, J.R. Weetman, Cyclic softening of ultra fine grained copper.// Materials Science and Engineering A. 1998; V. 244. pp. 145-152.

86. S.R. Agnew, A. Vinogradov, S. Hashimoto, J.R. Weetman, Overview of fatigue performance of Cu processed by severe plastic deformation. //Journal Electronic Mateiials. 1999. V. 28. pp. 1038-1044.

87. H. Mughrabi, H.W. Höppel, M. Kautz, Fatigue and microstructure of uitrafine-grained metals produced by seveie plastic deformation.// Scripta Materialia 2004; V. 51(8): 807-812.

88. H.W. Hdppel, Z.M. Zhou, H. Mughrabi, R.Z. Valiev, Microstructural study of the parameters governing coarsening and cyclic softening in fatigued uitrafine-grained copper.// Philosophy Magazine A 2002; V. 82(9). pp. 1781-1794.

89. H.W. Höppel, M. Kautz, С. Xu, M. Murashkin, T.G. Langdon, R.Z. Valiev, H. Mughrabi, An overview: Fatigue behaviour of uitrafine-grained metals and alloys.// International Journal of Fatigue. 2005; V. 28.pp. 1-10.

90. E. Thiele, С. Holste, R. Klemm, Influence of size effect on microstructural changes in cyclically deformed polycrystalline nickel. // Zeitung Metallkunde. 2002; V. 93(7).pp. 730-736.

91. E. Thiele, J. Bretschneider, L. Hollang, N. Schell, С. Holste, Internal strains in single grains of fatigued polycrystalline nickel. //Materials Science Forum. 2002; V. 404-407. pp. 823828.

92. H.W.Hoppel, R.Z.Valiev // Zeitung Metallkunde. 2002. V.93 (7). pp.641-648.

93. A. Vinogradov, S. Hashimoto, Multiscale phenomena in fatigue of ultra-fine grain materials an overview.// Materials Transactions. 2001. V. 42(1). pp.74-84.

94. A.Yu. Vinogradov, S.R. Agnew, Nanocrystalline materials: fatigue. // Dekker Encyclopedia of nanoscience and nanotechnology. 2003. pp2269-2288.

95. Виноградов А.Ю., Хасимото С. Усталость ультрамелкозернистых материалов, полученных равноканальным угловым прессованием // Металлы, 2004. №1. с.51-62.

96. A. Vinogradov, S. Hashimoto, Fatigue of severely deformed materials. In: Nanomaterials by severe plastic deformation, // eds. M.J. Zehetbauer and R.Z. Valiev, Wiley-VCH, Weinheim, 2004. pp. 663-676.

97. H. Mughrabi, H.W. Höppel, M. Kautz, Microstructural mechanisms governing the fatigue perfomance of uitrafine-grained metals and alloys.// Proceeding of TMS Annual Meeting. 2006. pp. 47-54.

98. N.G. Turner, W.T. Roberts, Fatigue behaviour of titanium. // Transitions of the metallurgical society of AIME. 1968; V. 242. pp. 1223-1230.

99. A.Y. Vinogradov, V.V. Stolyarov, S. Hashimoto, R.Z. Valiev, Cyclic behavior of ultrafine-grain titanium produced by severe plastic deformation. // Materials Science Engeneering A 2001. V. 318. pp. 163-173;

100. Fatigue properties in engineering, inA Fatigue and Fracture.eds,. Cameron D.W., Allegany N.Y, Hoepner D.W. // ASM Handbook. ASM International. 1996/V. 19. 1057 p.

101. Materials Properties Handbook: Titanium Alloys, ed. R.Boyer, G.Welsch, E. Collings.// ASM International. 1998.1048 р.

102. G.K. Haritos, T. Nichols, D. Lanning. Notch size effects in HCF behavior of Ti-6A1-4V.// International Journal of Fatigue. 1999. V.21.pp. 643-652.

103. S. Zherebtsov, G. Salishchev, R. Galeyev, K. Maekawa, Mechanical properties of Ti-6A1-4V titanium alloy with submicrocrystalline structure produced by severe plastic deformation: .// Materials Transactions. 2005; V. 46(9): 2020-2025.

104. M. Klesnil, P. Lukas. Fatigue of metallic materials. // Elsevier .1980; 240 p.

105. S.R. Mediratta, V. Ramaswamy, P. Rama Rao, Two stage cyclic work hardening and two-, slope Coffin-Manson relationship in dual phase steels. // Scripta Materialia. 1986; V. 20.pp. 555558.

106. B. Vittemant, G. Thauvin, Low-cycle fatigue in a Ti6A14V alloy with equaxed or acicular structure.// In Proceeding of 6th World Conference on Titanium. 1988. V. l .pp.319-324.

107. Y. Mahajan, H. Margolin, Low cycle fatigue behaviour of Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo: Part II: Cyclic deformation behaviour and low cycle fatigue.// Met Trans A. 1982. V. 1 ЗА. pp.269-274.

108. Y. Saleh, H. Margolin, Low cycle fatigue behaviour of Ti-Mn alloys: fatigue life: //Met Trans A. 1982; V.13A. pp. 1275-1281.

109. D. Moitow, Cyclic plastic strain energy and fatigue of metals, In: Internal Friction, Damping and Cyclic Plasticity.//ASTM STP 378. 1965. p. 45.

110. Williams J.C., Liitjering. The effect of slip length and slip character on' the properties of titanium alloys.// In: Titanium'80: Science and Technology. 1985. pp.67-81.

111. R.W. Langraf, The resistance of metals to cyclic deformation, In: Achievement of High. Fracture Resistance in Metals and Alloys. // ASTM STP 467. 1970. p. 3.

112. May J., Amberger D, Dinkel- M., Hoppel HW, Gokcn M. Monotonia: and cyclic deformation behavior of ultra-fine grained aluminium. // Materials Science Engineering A 2008. V.483-484. pp. 481-490.

113. L. Kunz, P. Lukas, M. Sloboda, Fatigue strength, microstructural stability and strain localization in ultrafine-grained copper.// Materials Science Engineering A 2006. V. 424(1-2). pp.97-104.

114. D.F. Neal, P.A. Blenkinsop, Internal fatigue origins in a-P titanium alloys.// Acta Materialia .1976. V. 24. pp 59-63.

115. Гецов, Л.Б. Материалы и прочность деталей*газовых турбин.//Л.: Машиностроение. Ленинградскоеотделение. 1973. 296с.

116. Электронный ресурс http://www. impl ants.ru.

117. Л. Т. Тимошук. Механические испытания металлов.// Изд-во «Металлургия». 1971. с.224.

118. ГОСТ 1497-84 Металлы. Методы испытаний на растяжение.

119. ASTM Е8-95а Standard Test Methods for Tension Testing of Metallic Materials. Материалы металлические. Испытание на растяжение.

120. ГОСТ Р ИСО 5725-2002 Точность (правильность и прецизионность) методов и результатов измерений.

121. Вернидуб О.Д., Назарова И.Г. Оценка качества результатов испытаний металлопродукции // "Партнеры и конкуренты" 2005. № 8.

122. ГОСТ 1497-84 Металлы. Методы испытаний на растяжение.

123. Колемаев В.А. Теория вероятностей и математическая статистика.//М.: Высш. шк., 1991.399 с.

124. ГОСТ 26492-85 на титановые прутки. Титановые прутки катаные из титана и титановых сплавов Технические условия на титановые прутки.

125. Е. Eisenbarth, D. Velten, К. Schenk-Meuser, P. Linez, V. Biehl, H. Duschner, J. Breme, H. Hildebrand, Interactions between cells and titanium surfaces.// Biomol. Eng. 2002: Vol. 19. p. 243.

126. M.A. Meyers, C.N. Elias, J.H.C. Lima, and R. Valiev. Biomedical Applications of Titanium and its Alloys.// JOM, March 2008 (in press).

127. Yao C., Slamovich E. В., Qazi J., Rack H. J. and Webster T. J. Improved Bone Cell Adhesion on Ultrafine Grained Titanium and Ti-6A1-4V.// Ceramic Trans. 2005. Vol.l59. P.239.

128. Petruzelka J., Dluhos L., Hrusák D., and Sochová J. // Nanostructured Titanium Application in Dental Implants. Sborník vëdeckych prací vysoké skoly bánské Technické univerzity Ostrava, roc. LU. c. 1. 61. 1517. ISSN1210-0471. 2006. pp.177-185.

129. Свидетельство на полезную модель.РФ №.14009, МКИ7 A61F5/00. Устройство для-коррекции позвоночника. // Мухаметов Ф.Ф., Мухаметов У.Ф., Латьпп В.В., Половников

130. B.М., Валиев Р.З.-Опубл. 27.06.2000. Бюл. № 18.

131. Руководство по внутреннему остеосинтезу.// Мюллер М.Е., Алльговер М., Шнейдер Р., Виллингер X. // M.: Ad Marginem, 1996,- 750 с.

132. Вильяме Д.Ф., Роуф Р. Имплантаты в хирургии.//М.: Медицина, 1978. 552 с.

133. Патент РФ. № 2065732// Опубл. 27.08.96.

134. Н.А.Амирханова, Р.З. Валиев, И.В. Александров, Р.К. Исламгалиев, Ю.Б. Кутнякова,

135. Липкин Я.Н., Бершадская Т.М. Химическое полирование металлов.//М. Машиностроение, 1988. 112 с.

136. Грилихес С.Я. Электрохимическое и химическое полирование: Теориями практика. Влияние на свойства металлов/ /2-е изд., перераб. и доп. Л.: Машиностроение, Ленингр. отд-е, 1987.232 с.

137. Поляризационные исследования в коррозионных исследованиях, М., 1989

138. Пат. 2260634 Российская федерация МПК7 С 23 F 3/03. Раствор для химического полирования титана /Донцов М. Г., Котов В. Л., Невский О. И., Балмасов А. В.; заявл. 12.07.04; опубл. 20.09.05, Бюл. № 26. -4 с.

139. Кабанов, Б.Н. Электрохимия металлов и адсорбция. // М.: Наука, 1966. 225 с.

140. Лицензия. P.C. SFTS. Key #9190/ Ufa, Russia.

141. Металлография титановых сплавов.// Москва, Металлургия, 1980,480с.

142. Брун М.Я.//Металловедение и термическая обработка. 1979. №11. с.18-21.

143. Моисеев Н.В., Глазунов С.Г. Конструкционные титановые сплавы.//М.: Металлургия. 1974. 368с.

144. Солонина О.П., Глазунов С.Г. Жаропрочные титановые сплавы.//М.: Металлургия, 1976. 447с.

145. Полуфабрикаты из титановых сплавов. //М.: Металлургия. 1979. 512с. Авт. В.К.Александров, Н.Ф. Аношкин, Г.А.Бочвар, М.Я. Брун. и др.

146. Greenfield М.А., Margolin H. Interrelationship of Fracture Tbughness and Microstructure in a Ti-5.25A1-5.5V- 0.9Fe-0.5Cu Alloy // Metallurgical Transactions, Vol 2. p.841-847.