Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ», Москва, Россия:

М. М. Зарипова, аспирант, инженер, эл. почта: MMZaripova@mephi.ru
А. В. Осинцев, исполняющий обязанности заведующего кафедрой, канд. техн. наук
М. Г. Исаенкова, профессор, докт. физ.-мат. наук
В. А. Фесенко, ведущий инженер

В настоящее время низкомодульные биосовместимые сплавы на основе Ti – Zr – Nb рассматривают как перспективные для медицинского применения. Свойство сверхупругости существенно зависит от кристаллографического направления в монокристаллах, а значит от преимущественной ориентации зерен в поликристаллических объектах. Для управления кристаллографической текстурой в изделиях (фольгах) необходимо располагать информацией о закономерностях и механизмах ее формирования на разных этапах термомеханической обработки. Проведено сравнение механизмов образования кристаллографической текстуры нескольких сплавов: Ti – 15 Nb – 18 Zr (15–18), Ti – 22 Nb – 6 Zr (22–6), Ti – 22 Nb – (1–1,5)O (1 O и 1,5 O) (% (ат.)). Состав сплава влияет на стабильность исходной β-фазы, которая снижается при увеличении содержания Zr, замещающего Nb. Понижение стабильности приводит к активизации мартенситных превращений в процессе прокатки и формированию слабой размытой текстуры {112}<011>, как это наблюдается при деформации сплава 15-18. Пластическая деформация стабильной β-фазы обусловливает формирование острой двухкомпонентной текстуры, типичной для ОЦК сплавов: {110}<001> и {112}<011>, которая развивается при прокатке сплавов с кислородом и 22-6. Рекристаллизация прокатанных фольг (ε = 92 %) при 650 oC в течение 0,5 ч приводит к усилению текстурных компонент в образцах с острой текстурой деформации (22-6, 1O, 1,5O) и к ее изменению в образцах с первоначально размытой текстурой деформации (15-18). Циклические испытания на растяжение по трем разным направлениям показали наличие анизотропии в фольгах всех составов, однако в сплаве 15-18 она наименьшая. Увеличение содержания Zr положительно сказывается на максимальной обратимой деформации в процессе реализации сверхупругости при комнатной температуре.

Работа выполнена при финансовой поддержке Российской Федерации в лице Министерства науки и высшего образования РФ (Соглашение № 075-15-2021-1352).

1. Yoneyama T., Miyazaki S. Shape memory alloys for biomedical applications. England : Woodhead Publishing, 2008. 337 p.
2. Nordberg G. F., Gerhardsson L., Broberg K., Mumtaz M. Interactions in metal toxicology. Handbook on the Toxicology of Metals. 2007. pp. 117–145.
3. Biocompatibility and tissue reaction to biomaterials. Craig’s Restorative Dental Materials. 2012. pp. 109–133.
4. Kоster R., Vieluf D., Sommerauer M., Kiehn M. et al. Nickel and molybdenum contact allergies in patients with coronary instent restenosis. Lancet. 2000. Vol. 356, No. 9245. pp. 1895–1897.
5. Morgan E. F., Unnikrisnan G. U., Hussein A. I. Annual review of biomedical engineering bone mechanical properties in healthy and diseased states. Annual Review of Biomedical Engineering. 2018. pp. 119–143.
6. Kim K. M., Zain Y. A., Yamamoto A., Mansour A. T. et al. Synthesis and characterization of a Ti – Zr-based alloy with ultralow young’s modulus and excellent biocompatibility. Advanced Engineering Materials. 2021. Vol. 24.
7. Wang X., Zhang L., Guo Z., Jiang Y. et al. Study of low-modulus biomedical β Ti – Nb – Zr alloys based on single-crystal elastic constants modeling. Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials. 2016. Vol. 62. pp. 310–318.
8. Zhang J., Sun F., Hao Y. L., Gozdecki N. Influence of equiatomic Zr/Nb substitution on superelastic behavior of Ti – Nb – Zr alloy. Materials Science and Engineering A. 2013. Vol. 563. pp. 78–85.
9. Miyazaki S., Kim H. Y., Hosoda H. Development and characterization of Ni-free Ti-base shape memory and superelastic alloys. Ibid. 2006. Vol. 438-440, No. SPEC. ISS. pp. 18–24.
10. Ramarolahy A., Castany P., Prima P., Laheurte P. et al. Microstructure and mechanical behavior of superelastic Ti – 24Nb – 0.5O and Ti – 24Nb – 0.5N biomedical alloys. Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials. 2012. Vol. 9 pp. 83–90.
11. Zaripova M. M., Perlovich Yu. A., Osintsev A. V. et al. Effect of crystallographic texture and phase composition on the superelasticity of Ti – Nb alloy foils. Chelyabinskiy Fiziko-Matematicheskiy Zhurnal. 2019. Vol. 4, No. 1. pp. 94–107.
12. Kim H. Y., Miyazaki S. Several issues in the development of Ti – Nb-based shape memory alloys. Shape Memory and Superelasticity. 2016. Vol. 2, No. 4. pp. 380–390.
13. Cai S., Daymond M., Ren Y., Schaffer J. et al. Evolution of lattice strain and phase transformation of β III Ti alloy during room temperature cyclic tension. Acta Materialia. 2013. Vol. 61, No. 18. pp. 6830–6842.
14. Inamura T., Shimizu R., Kim H. Y., Miyazaki S. et al. Optimum rolling ratio for obtaining {001}<110 > recrystallization texture in Ti – Nb – Al biomedical shape memory alloy. Materials Science and Engineering: C. 2016. Vol. 61. pp. 499–505.
15. Zaripova M., Fesenko V., Krymskaya O., Kozlov I. et al. Change in the crystallographic texture of the martensitic phase in superelastic Ti – Zr – Nb alloys with increasing tensile strain. Shape Memory and Superelasticity. DOI: 10.1007/s840830-022-00383-0.
16. Fu J., Yamamoto A., Kim H. Y., Hosoda H. et al. Novel Ti-base superelastic alloys with large recovery strain and excellent biocompatibility. Acta Biomaterialia. 2015. Vol. 17. pp. 56–67.
17. Isaenkova M. G., Perlovich M. G., Fesenko V. A., Zaripova M. M. Orientation dependences of the functional properties of shape memory and superelasticity alloys. Chelyabinskiy Fiziko-Matematicheskiy Zhurnal. 2019. Vol. 4, No. 2. pp. 221–240.
18. Inamura T., Shimizu R., Kim H. Y., Miyazaki S. et al. Optimum rolling ratio for obtaining {001}<110 > recrystallization texture in Ti – Nb – Al biomedical shape memory alloy. Materials Science and Engineering: C. 2016. Vol. 61 pp. 499–505.
19. Kim H. Y., Sasaki T., Okutsu K., Kim J. I. et al. Texture and shape memory behavior of Ti – 22Nb – 6Ta alloy. Acta Materialia. 2006. Vol. 54, No. 2. pp. 423–433.
20. Tobe H., Kim H. Y., Miyazaki S. Effect of Nb content on deformation textures and mechanical properties of Ti – 18Zr – Nb biomedical alloys. Materials Transactions. 2009. Vol. 50, No. 12. pp. 2721–2725.
21. Kim J. I., Kim H. Y., Inamura T., Hosoda H. et al. Effect of annealing temperature on microstructure and shape memory characteristics of Ti – 22Nb – 6Zr(at%) biomedical alloy. Materials Transactions. 2006. Vol. 47, No. 3. pp. 505–512.
22. Kim H. Y., Jie F., Tobe H., Kim J. I. Crystal structure, transformation strain, and superelastic property of Ti – Nb – Zr and Ti – Nb – Ta alloys. Shape Memory and Superelasticity. 2015. Vol. 1, No. 2. pp. 107–116.
23. Tahara M., Kanaya T., Kim H. Y., Inamura T., Hosoda H. et al. Heating-induced martensitic transformation and time-dependent shape memory behavior of Ti – Nb – O alloy. Acta Materialia. 2014. Vol. 80. pp. 317–326.
24. Dubinskiy S. M., Prokoshkin S., Brailovski V., Korotitskiy A. et al. Structure formation during thermomechanical processing of Ti – Nb – (Zr, Ta) alloys and the manifestation of the shape-memory effect. Physics of Metals and Metallography. 2011. Vol. 112, No. 5. pp. 503–516.
25. Sheremetyev V., Brailovski V., Prokoshkin S., Inaekyan K. et al. Functional fatigue behavior of superelastic beta Ti – 22Nb – 6Zr(at%) alloy for load-bearing biomedical applications. Materials Science and Engineering: C. 2016. Vol. 58. pp. 935–944.
26. Zaripova M. M., Isaenkova M., Fesenko V., Osintsev A. The influence of the crystallographic texture and phase composition of Ti – Nb – Zr alloys with shape memory and superelasticity on their functional properties. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2021. Vol. 1121, No. 1. 12032.
27. Isaenkova M., Perlovich Y., Fesenko V. Modern methods of experimental construction of texture complete direct pole figures by using X-ray data. Ibid. 2016. Vol. 130, No. 1. 12055.
28. Isaenkova M., Perlovich Yu., Fesenko V., Babich Y. Features of structure formation in the low modulus quasi-single crystal from Zr – 25%Nb alloy at cold rolling. AIP Conference Proceedings. 2018. Vol. 1960, Iss. 1.040008.
29. Sutton M. A., Orteu J. J., Schreier H. W. Image correlation for shape, motion and deformation measurements: basic concepts, theory and applications. Springer, 2009. 321 p.
30. The digital image correlation system VIC-3D. Available at: https://www.correlatedsolutions.com/vic-3d/ (Accessed: 13.07.2022).
31. Pecharsky V. K., Zavalij P. Y. Fundamentals of powder diffraction and structural characterization of Materials. Springer, 2008. 744 p.
32. Kim H. Y., Miyazaki S. Chapter 4. Thermomechanical treatment and microstructure control. Ni-free Ti-based shape memory alloys. Ed. Kim H. Y., Miyazaki S. Butterworth-Heinemann. 2018. pp. 111–145.
33. Kim K. M., Kim H. Y., Miyazaki S. Effect of Zr content on phase stability, deformation behavior, and young’s modulus in Ti – Nb – Zr alloys. Materials (Basel). 2020. Vol. 13, No. 2. pp. 1–14.
34. Fu J., Kim H. Y., Miyazaki S. Effect of annealing temperature on microstructure and superelastic properties of a Ti – 18Zr – 4.5Nb – 3Sn – 2Mo alloy. Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials. 2017. Vol. 65. pp. 716–723.
35. Ijaz M. F., Kim H. Y., Hosoda H., Miyazaki S. Superelastic properties of biomedical (Ti – Zr) – Mo – Sn alloys. Materials Science and Engineering: C. 2015. Vol. 48. pp. 11–20.
36. Perlovich Yu. A., Isaenkova M. G. The structural inhomogeneity of textured metallic materials. Moscow : NIYaU MIFI, 2015. 398 p.
37. Fesenko V., Perlovich Y., Isaenkova M. The increased shape memory effect in rolled Ti – 48%Ni – 2%Fe single crystals. Materials Today: Proceedings. 2015. Vol. 2. pp. S751–S754.