Nanokrystaliczny tytan i jego stopy

Nanokrystaliczny tytan i jego stopy
– wytwarzanie i wáasnoĞci
Nanocrystalline titanium and its alloys – manufacturing and properties
JAN DUTKIEWICZ1*, WOJCIECH MAZIARZ1, JAN KUŚNIERZ1, LUCYNA JAWORSKA*
1
Instytut Metalurgii i Inżynierii Materiałowej Polskiej Akademii Nauk w Krakowie
Dyrektor Instytutu: prof. dr hab. inż. Bogusław Major
*Instytut Techniki Akademii Pedagogicznej w Krakowie
Dyrektor Instytutu: prof. dr hab. inż. Stanisław Mirosław Warkocki
PRACA RECENZOWANA
Streszczenie
Nanokrystaliczny czysty tytan można uzyskać kilkoma metodami. Jedną z nich jest przeciskanie w kanale kątowym (ECAP – Equal-Channel Angular Pressing) w wyniku, którego uzyskano około 50% podwyższenia wytrzymałości i plastyczności w porównaniu do materiału
wyjściowego. Metodą TEM określono wielkość ziaren na poziomie ok. 200 nm i ich dezorientację (większość granic wysokiego kąta) metodą mikrodyfrakcji i linii Kikuchi’ego. Proces wysokoenergetycznego mielenia czystych proszków tytanu i jego stopów w młynkach kulowych prowadził: w przypadku czystego α−Ti do silnego rozdrobnienia ziaren do zakresu nanometrycznego, stopy podwójne z dodatkiem
jednego składnika stabilizującego fazę β (Ta, Nb) w ilości do 10 %at. tworzą nanokrystaliczne roztwory α-Ti, a przypadku stopów Ti-10Ta10Nb obserwuje się mieszaninę nanokrystalicznych roztworów α + β z przewagą fazy α. Impulsowe spiekanie plazmowe mielonych proszków prowadziło do uzyskania gęstości pomiędzy 92 a 99% gęstości teoretycznej i wielkości ziarna w granicach od 200 do 250 nm dla fazy
α−Ti. Prasowanie na gorąco pod dużymi ciśnieniami 4-7 GPa prowadziło do uzyskania krystalitów o wielkości 50 nm i 98% gęstości teoretycznej. Pomiary twardości prasowanych materiałów różnymi technikami wykazały, że dodatki stopowe Nb i Ta powodują zmniejszenie wielkości ziarna i wzrost twardości zgodnie z zależnością Halla-Petcha. Badania własności mechanicznych próbek po impulsowo plazmowym spiekaniu wykazały, że zarówno Ta jak i Nb powodują wzrost wytrzymałości stopów tytanu α, a szczególnie interesujące są stopy
o strukturze β-Ti o niskim module Younga zbliżonym do modułu Younga kości.
Abstract
Nanocrystalline titanium can be produced using several methods. The first one is ECAP – Equal-Channel Angular Pressing which was
performed for commercial Ti. As a result of this treatment about 50% higher Yield Strength and Ultimate Tensile Strength were obtained.
TEM studies performed using microdiffraction method and Kikuchi line analysis allowed to assess 200 nm grain size and a large fraction of
the high misorientation grain boundaries. Process of high energy ball milling of elemental powders was performed for pure Ti. It caused grain
refinement of α-Ti to nanometric size. The binary alloys with additions of elements stabilizing β-phase in amount of 10 %at. (Ti-10Ta and Ti10Nb) form nanocrystalline solutions α-Ti(Ta,Nb); while in the case of ternary alloys Ti-10Ta-10Nb shows α + β phases with higher fraction
of the α phase.
Pulse plasma sintering of milled powders led to a final density of 92 to 99% of the theoretical density and the grain size of the Ti-α phase
between 200 and 250 nm. Hot pressing under ultra high pressure led to a final crystallite size of 50 nm and 98% of the theoretical density.
Hardness measurements of sintered materials using various routes have shown that Nb and Ti cause decrease of the hardness of β−Ti
alloys. Decrease of the grain size cause increase of the strength according to Hall-Petch relationship. The mechanical properties of Ti−α
alloys increase with Ta and Nb additions. Particularly interesting are β-Ti alloys with Young Modulus slightly higher than that of the human
bone.
Słowa kluczowe: nanokrystaliczne stopy tytanu, przeciskanie w kanale kątowym, mechaniczna synteza, prasowanie na gorąco, struktura,
właściwości
Key words: nanocrystalline titanium alloys, ECAP, ball milling, high temperature pressing, structure, mechanical properties