Structure of Ti-40Nb Alloy Formed with High-Energy Methods

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

Introduction. Ti-40 wt. % Nb (Ti-40Nb) is a non-conventional material for medical applications as it has low modulus of elasticity (50-60 GPa) which is of great importance for the mechanical compatibility of an implant with bone tissue. The progressive methods productions of finished items on Ti-40Nb alloy are severe plastic deformation (SPD) and selective laser melting (SLM). These methods have different nature and influence on phase composition, structure and properties of finished item. Due to this fact rigorous structural researches are required. Aim of present study is evaluation of structural characteristics of Ti-40Nb alloy produced in conditions of high-energy influence via SPD and SLM methods, taking into account heterogeneity of elemental composition, which is caused by the structure formation conditions. Object of research. Alloy ingots were produced via electro-arc melting. SPD of quenched ingots was carried out via combined method including subsequent operations of pressing to symmetric channel, multiaxial forging and rolling. SLM of mechanically alloyed powder was carried out with VARISKAF-100MVS installation. Research methods. Specimens’; structure was studied with the methods of optical and scanning electron microscopy, energy-dispersive microanalysis, X-ray diffraction analysis. Elastic modulus and nanohardness were estimated via unrestored print method. Results. It is shown that in the process of ingot’;s crystallization dendritic structure, consisting of β-phase with intracrystalline segregation and Nb concentration’;s difference up to 6 wt. %, is formed. After ingot’;s quenching α''-phase’;s martensite structure is formed in Nb-depleted zones. Ingot’;s SPD leads to the elimination of segregation, to the reverse α'' → β + α transformation and to the formation of ultrafinegrained structure with the optimal complex of physical mechanical properties required for the implants production. SLM forms structure, consisting of β-phase grains of micron size with interlays of nonequilibrium α''-phase throughout the grains’; boundaries. It is proposed to remove the formed in the alloy intracrytalline segregation with the difference of Nb concentrations up to 27 wt. % via subsequent thermal treatment. Conclusion. Two considered high-energy methods of medical implants production, which are SPD and SLM, have significant influence on the structure of Ti-40Nb alloy. Character of the influence is defined with the method by itself and with the formed heterogeneity of elemental composition.

About the authors

Z. G. Kovalevskaya

Email: zhanna_kovalevskaya@mail.ru
Ph.D. (Engineering), Associate Professor, 1. Institute of Strength Physics ad Materials Sciences SB RAS, 2/4, pr. Akademicheskii, Tomsk, 634055, Russian Federation; 2. National Research Tomsk Polytechnic University, 30 Lenin Avenue, Tomsk, 634050, Russian Federation, zhanna_kovalevskaya@mail.ru

Y. P. Sharkeev

Email: sharkeev@ispms.tsc.ru
D.Sc. (Physics and Mathematics), Professor, 1. Institute of Strength Physics ad Materials Sciences SB RAS, 2/4, pr. Akademicheskii, Tomsk, 634055, Russian Federation; 2. National Research Tomsk Polytechnic University, 30 Lenin Avenue, Tomsk, 634050, Russian Federation, sharkeev@ispms.tsc.ru

M. A. Khimich

Email: makhimich@gmail.com
1. Institute of Strength Physics ad Materials Sciences SB RAS, 2/4, pr. Akademicheskii, Tomsk, 634055, Russian Federation; 2. National Research Tomsk State University, 36 Lenin Avenue, Tomsk, 634050, Russian Federation, makhimich@gmail.com

A. Yu. Eroshenko

Email: eroshenko@ispms.tsc.ru
Ph.D. (Engineering), Institute of Strength Physics ad Materials Sciences SB RAS, 2/4, pr. Akademicheskii, Tomsk, 634055, Russian Federation, eroshenko@ispms.tsc.ru

P. V. Uvarkin

Email: uvarkin@ispms.tsc.ru
Institute of Strength Physics ad Materials Sciences SB RAS, 2/4, pr. Akademicheskii, Tomsk, 634055, Russian Federation, uvarkin@ispms.tsc.ru

References

  1.    Microstructure and mechanical behavior of metal injection molded Ti-Nb binary alloy as biomedical material / D. Zhao, K. Chang, T. Ebel, H. Nie, R. Willumeit, F. Pyczak // Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials. – 2013. – Vol. 28. – P. 71–182. – doi: 10.1016/j.jmbbm.2013.08.013.
  2.    Niinomi M., Nakai M., Hieda J. Development of new metallic alloys for biomedical applications // Acta Biomaterialia. – 2012. – Vol. 8, iss. 11. – P. 3888–3903. – doi: 10.1016/j.actbio.2012.06.037.
  3.    Microstructure and dry wear properties of Ti-Nb alloys for dental prostheses / L. Xu, S.L. Xiao, J. Tian, Y. Chen, Y. Huang // Transactions of Nonferrous Metals Society of China. – 2009. – Vol. 19, iss. 3. – P. 639–644. – doi: 10.1016/S1003-6326(10)60124-0.
  4.    Structure and properties of micro-arc calcium phosphate coatings on pure titanium and Ti-40Nb alloy / Yu. Sharkeev, E. Komarova, M. Sedelnikova, Z. Sun, Q. Zhu, J. Zhang, T.Tolkacheva, P. Uvarkin // Transactions of Nonferrous Metals Society of China. – 2017. – Vol. 27, iss. 1. – P. 125−133. – doi: 10.1016/S1003-6326(17)60014-1.
  5.    Electrochemical corrosion behavior of a Ti-35Nb alloy for medical prostheses / A. Cremasco, W.R. Osório, C.M.A. Freire, A. Garcia, R. Caram // Electrochimica Acta. – 2008. – Vol. 53, iss. 14. – P. 4867–4874. – doi: 10.1016/j.electacta.2008.02.011.
  6.    Beta Ti аlloys with low Young’;s modulus / T. Ozaki, H. Matsumoto, S. Watanabe, S. Hanada // Materials Transactions. – 2004. – Vol. 45, iss. 8. – P. 2776–2779. – doi: 10.2320/matertrans.45.2776.
  7.    Biomedical titanium alloys with Young’;s moduli close to that of cortical bone / M. Niinomi, Y. Liu, M. Nakai, H. Liu, H. Li // Regenerative Biomaterials. – 2016. – Vol. 3, iss. 3. – P. 173–185. – doi: 10.1093/rb/rbw016.
  8.    Moffat D.L., Kattner U.R. The stable and metastable Ti-Nb phase diagrams // Metallurgical Transactions A. – 1988. – Vol. 19, iss. 10. – P. 2389–2397. – doi: 10.1007/BF02645466.
  9.    Плавка и литье титановых сплавов / А.Л. Андреев, Н.Ф. Аношкин, Г.А. Бочвар и др. – М.: Металлургия, 1994. – 368 с. – (Титановые сплавы).
  10. Губкин И.Н. Заметки о технологии выплавки и переработки Nb-Ti слитков в прутки. – М.: ВНИИНМ, 2006. – 115 с.
  11. Enhancement of mechanical properties of biocompatible Ti–45Nb alloy by hydrostatic extrusion / K. Ozaltin, W. Chrominski, M. Kulczyk, A. Panigrahi, J. Horky, M. Zehetbauer, M. Lewandowska // Journal of Materials Science. – 2014. – Vol. 49, iss. 20. – P. 6930–6936. – doi: 10.1007/s10853-014-8397-7.
  12. Mechanical properties, structural and texture evolution of biocompatible Ti–45Nb alloy processed by severe plastic deformation / A. Panigrahia, B. Sulkowskia, T. Waitza, K. Ozaltinc, W. Chrominskic, A. Pukenasd, J. Horkya, M. Lewandowskac, W. Skrotzkid, M. Zehetbauera // Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials. – 2016. – Vol. 62. – P. 93–105. – doi: 10.1016/j.jmbbm.2016.04.042.
  13. Influence of testing orientation on mechanical properties of Ti45Nb deformed by high pressure torsion / B. Völker, N. Jäger, M. Calin, M. Zehetbauer, J. Eckert, A. Hohenwarter // Materials and Design. – 2017. – Vol. 114. – P. 40–46. – doi: 10.1016/j.matdes.2016.10.035.
  14. Phase transformations and mechanical properties of biocompatible Ti-16.1Nb processed by severe plastic deformation / A. Panigrahi, M. Bönisch, T. Waitz, E. Schafler, M. Calin, J. Eckert, W. Skrotzki, M. Zehetbauer // Journal of Alloys and Compounds. – 2015. – Vol. 628. – P. 434–441. – doi: 10.1016/j.jallcom.2014.12.159.
  15. Severe plastic deformation of Ti74Nb26 shape memory alloys / J. Ma, I. Karaman, B. Kockar, H.J. Maier, Y.I. Chumlyakov // Materials Science and Engineering: A. – 2011. – Vol. 528, iss. 25–26. – P. 7628–7635. – doi: 10.1016/j.msea.2011.06.051.
  16. Texture evolution in a Ti-Ta-Nb alloy processed by severe plastic deformation / V.D. Cojocaru, D. Raducanu, T. Gloriant, I. Cinca // JOM. – 2012. – Vol. 64, iss. 5. – P. 572–581. – doi: 10.1007/s11837-012-0312-6.
  17. New developments of Ti-based alloys for biomedical applications / Y. Li, C. Yang, H. Zhao, S. Qu, X. Li, Y. Li // Materials. – 2014. – vol. 7, iss. 3. – p. 1709–1800. – doi: 10.3390/ma7031709.
  18. Shahali H., Jaggessar A., Yarlagadda P. Kdv. Recent advances in manufacturing and surface modification of titanium orthopaedic applications // Procedia Engineering. – 2017. – Vol. 174. – P. 1067–1076. – doi: 10.1016/j.proeng.2017.01.259.
  19. Production of porous β-type Ti-40Nb alloy for biomedical applications: comparison of selective laser melting and hot pressing / K. Zhuravleva, M. Bönisch, K.G. Prashanth, U. Hempel, A. Helth, T. Gemming, M. Calin, S. Scudino, L. Schultz, J. Eckert, A. Gebert // Materials. – 2013. –Vol. 6, iss. 12. – P. 5700–5712. – doi: 10.3390/ma6125700.
  20. Selective laser melting of Ti-45Nb alloy / H. Schwab, K.G. Prashanth, L. Lober, U. Kuhn, J. Eckert // Materials. – 2015. – Vol. 5, iss. 2. – P. 686–694. – doi: 10.3390/met5020686.
  21. Numerical study of mechanical properties of nanoparticlesof β-type Ti-Nb alloy under conditions identical to laser sintering. Multilevel approach / A.Yu. Nikonov, A.M. Zharmukhambetova, A.V. Ponomareva, A.I. Dmitriev // Physical Mesomechanics. – 2018. – Vol. 21, N 1. – P. 43–51.
  22. Rationally designed meta-implants: a combination of auxetic and conventional meta-biomaterials / H.M.A. Kolken, Sh. Janbaz, S.M.A. Leeflang, K. Lietaert, H.H. Weinans, A.A. Zadpoor // Materials Horizons. – 2018. – Vol. 5, iss. 1. – P. 28–35. – doi: 10.1039/c7mh00699c.
  23. The biomimetic design and 3D printing of customized mechanical properties porous Ti6Al4V scaffold for load-bearing bone reconstruction / B. Zhang, X. Pei, C. Zhou, Y. Fan, Q. Jiang, A. Ronca, U. D'Amora, Y. Chen, H. Li, Y. Sun, X. Zhang // Materials and Design. – 2018. – Vol. 152. – P. 30–39. – doi: 10.1016/j.matdes.2018.04.065.
  24. Evaluation of physical and mechanical properties of structural components of Ti-Nb alloy / Zh.G. Kovalevskaya, M.A. Khimich, A.V. Belyakov, I.A. Shulepov // Advanced Materials Research. – 2014. – Vol. 1040. – P. 39–42. – doi: 10.4028/ href='www.scientific.net/AMR.1040.39' target='_blank'>www.scientific.net/AMR.1040.39.
  25. Structural and phase state of Ti-Nb alloy at selective laser melting of the composite powder / Yu.P. Sharkeev, A.Yu. Eroshenko, Zh.G. Kovalevskaya, A.A. Saprykin, E.A. Ibragimov, I.A. Glukhov, M.A. Khimich, P.V. Uvarkin, E.V. Babakova // Russian Physics Journal. – 2016. – Vol. 59, iss. 3. – P. 430–434. – doi: 10.1007/s11182-016-0790-z.
  26. Исследование строения и фазового состава порошков Ti и Nb после механической активации / Ю.П. Шаркеев, Ж.Г. Ковалевская, М.А. Химич, Е.А. Ибрагимов, А.А. Сапрыкин, В.И. Яковлев, В.А. Батаев // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2016. – № 1 (70). – С. 42–51. – doi: 10.17212/1994-6309-2016-1-42-51.
  27. Microstructure and mechanical properties of Ti40Nb alloy after severe plastic deformation / Yu.P. Sharkeev, A.Yu. Eroshenko, I.A. Glukhov, Q. Zhu, A.I. Tolmachev // AIP Conference Proceedings. – 2014. – Vol. 1623, iss. 1. – P. 567–570. – doi: 10.1063/1.4899008.
  28. Strength and ductility-related properties of ultrafine grained two-phase titanium alloy produced by warm multiaxial forging / S. Zherebtsova, E. Kudryavtseva, S. Kostjuchenkoa, S. Malyshevab, G. Salishcheva // Materials Science and Engineering A. – 2012. – Vol. 536. – P. 190–196. – doi: 10.1016/j.msea.2011.12.102.
  29. Особенности структурно-фазового состояния сплава Ti-6Al-4V при формировании изделий с использованием электронно-лучевой проволочной аддитивной технологии / Н.Л. СавченкоБ А.В. Воронцов, В.Р. Утяганова, А.А. Елисеев, В.Е. Рубцов, Е.А. Колубаев // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2018. – Т. 20, № 4. – С. 60–71. – doi: 10.17212/1994-6309-2018-20.4-60-71.
  30. Cantor B. Rapidly quenched metals III. – Brighton: Metals Society, 1978. – 470 p.
  31. Anisotropy of mechanical properties in high-strength ultra-fine-grained pure Ti processed via a complex severe plastic deformation route / I. Sabirov, M.T. Perez-Prado, J.M. Molina-Aldareguia, I.P. Semenova, G.Kh. Salimgareeva, R.Z. Valiev // Scripta Materialia. – 2011. – Vol. 64, iss. 1. – P. 69–72. – doi: 10.1016/j.scriptamat.2010.09.006.
  32. Meredith C.S., Khan A.S. Texture evolution and anisotropy in the thermo-mechanical response of UFG Ti processed via equal channel angular pressing // International Journal of Plasticity. – 2012. – Vol. 30. – P. 202–217. – doi: 10.1016/j.ijplas.2011.10.006.
  33. Martensitic transformation, shape memory effect and superelasticity of Ti-Nb binary alloys / Y. Kim, Y. Ikehara, J.I. Kim, H. Yosoda, S. Miyazaaki // Acta Materialia. – 2006. – Vol. 54, iss. 9. – P. 2419–2429. – doi: 10.1016/j.actamat.2006.01.019.
  34. Influence of cooling rate on microstructure of Ti-Nb alloy for orthopedic implants / C.R.M. Afonso, G.T. Aleixo, A.J. Ramirez, R. Caram // Materials Science and Engineering: C. – 2007. – Vol. 27, iss. 4. – P. 908–913. – doi: 10.1016/j.msec.2006.11.001.
  35. Effects of thermomechanical history and environment on the fatigue behavior of (β)-Ti-Nb implant alloys / A. Reck, S. Pilz, U. Thormann, V. Alt, A. Gebert, M. Calin, C. Heiss, M. Zimmermann // MATEC Web of Conferences. – 2018. – Vol. 165. – P. 06001. – doi: 10.1051/matecconf/201816506001.
  36.            Brandon D., Kaplan W.D. Microstructural characterization of materials. – New York: John Wiley and Sons, 2013. – 552 p.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download


Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».