Frontier Materials & TechnologiesFrontier Materials & TechnologiesFrontier Materials & Technologies2782-40392782-6074Togliatti State University21710.18323/2073-5073-2017-3-65-69Technical SciencesТехнические наукиSPECIAL ASPECTS OF FORMATION OF Ti-Nb SYSTEM β-ALLOYS BY THE MECHANICAL ALLOYING IN A HIGH-ENERGY BALL MILLОСОБЕННОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ β-СПЛАВОВ СИСТЕМЫ Ti-Nb МЕХАНИЧЕСКИМ СПЛАВЛЕНИЕМ В ВЫСОКОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ШАРОВОЙ МЕЛЬНИЦЕKovalevskayaZhanna GennadievnaКовалевскаяЖанна Геннадьевна
Russian Federation

PhD (Engineering), Associate Professor, leading engineer, assistant professor

кандидат технических наук, доцент, ведущий инженер, доцент

kovalevskaya@ispms.tsc.ruKhimichMargarita AndreevnaХимичМаргарита Андреевна
Russian Federation

engineer, postgraduate student

инженер, аспирант

khimich@ispms.tsc.ruKorchaginMikhail AlekseevichКорчагинМихаил Алексеевич
Russian Federation

Doctor of Sciences (Engineering), Professor, leading researcher

доктор технических наук, профессор, ведущий научный сотрудник

korchag@solid.nsc.ruSharkeevYuriy PetrovichШаркеевЮрий Петрович
Russian Federation

Doctor of Sciences (Physics and Mathematics), Professor, head of Laboratory of physics of nanostructured biocomposites

доктор физико-математических наук, профессор, заведующий лабораторией физики наноструктурных биокомпозитов

sharkeev@ispms.tsc.ruInstitute of Strength Physics and Materials Science of the Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences, Tomsk National Research Tomsk Polytechnic University, TomskИнститут физики прочности и материаловедения Сибирского отделения Российской академии наук, Томск Национальный исследовательский Томский политехнический университет, ТомскInstitute of Strength Physics and Materials Sciences of the Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences, TomskNational Research Tomsk State University, TomskИнститут физики прочности и материаловедения Сибирского отделения Российской академии наук, Томск Национальный исследовательский Томский государственный университет, ТомскInstitute of Solid State Chemistry and Mechanochemistry of the Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences, Novosibirsk National Research Tomsk State University, TomskИнститут химии твердого тела и механохимии Сибирского отделения Российской академии наук, Новосибирск Национальный исследовательский Томский государственный университет, ТомскInstitute of Strength Physics and Materials Sciences of the Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences, Tomsk National Research Tomsk Polytechnic University, TomskИнститут физики прочности и материаловедения Сибирского отделения Российской академии наук, Томск Национальный исследовательский Томский политехнический университет, Томск29092017365691403202214032022https://vektornaukitech.ru/jour/article/view/217

Using the scanning electron microscopy, energy-dispersive microanalysis, and the X-ray diffraction analysis methods, the authors studied the structure and phase composition of Ti-Nb system powders produced in the result of mechanical mixing and alloying of components in the AGO-2C high-energy planetary ball mill. Based on this study and the study of reference data about physical and mechanical properties of these powders, the authors developed the phenomenological model of Ti and Nb interaction in the process of mechanical alloying. The powders were mixed in the ratios of Ti-40 mas % Nb and Ti-50 mas % Nb during 5, 10, 15, 20 and 25 minutes in the mill water-cooled vial. Depending on the treatment time, the shape, size, particles surface morphology, and the powders phase composition are changed. When changing the mixing time from 5 to 20 minutes, the particles are formed, which size varies in the range of 2–100 µm. When mixing during 25 minutes, the powder is granulated. In the process of mixing and alloying, the mechanocomposite consisting of two phases’ grains – the supersaturated solid solution of α-Ti and β-TiNb is formed. When mixing during 20 minutes, Ti-40 mas % Nb alloy components dissolved completely into each other and one β-TiNb non-equilibrium phase is formed. When mixing Ti-45 mas % Nb powder, the single-phase state is achieved in 15 minutes. The proposed phenomenological model of the process of Ti and Nb mechanical alloying involves two stages of initial components interaction and the β-TiNb metastable solid solution formation. Producing of Ti-Nb system single-phase alloys using mechanical alloying and understanding the principles of their formation expands the feasibility of application of these materials for the production of medical implants.

На основе исследований методами растровой электронной микроскопии, энергодисперсионного микроанализа, рентгеноструктурного анализа строения и фазового состава порошков системы Ti-Nb, полученных механическим смешиванием и сплавлением компонентов в высокоэнергетической планетарной шаровой мельнице АГО-2С, а также справочных данных об их физических и механических свойствах разработана феноменологическая модель взаимодействия Ti и Nb в процессе механического сплавления. Порошки смешивались в соотношениях Ti-40 мас. % Nb и Ti-50 мас. % Nb в течение 5, 10, 15, 20 и 25 минут в водоохлаждаемой камере мельницы. В зависимости от времени обработки, форма, размер, морфология поверхности частиц и фазовый состав порошков меняются. При изменении времени смешивания от 5 до 20 минут формируются частицы, размер которых меняется в интервале 2–100 мкм. При 25 минутах смешивания порошок измельчается. В процессе смешивания и сплавления формируется механокомпозит, состоящий из зерен двух фаз – пересыщенного твердого раствора α-Ti и β-TiNb. При смешивании в течение 20 минут порошка Ti-40 мас. % Nb компоненты полностью растворяются друг в друге, и формируется одна неравновесная фаза – β-TiNb. При перемешивании порошка Ti-45 мас. % Nb однофазное состояние достигается за 15 минут. Предложенная феноменологическая модель процесса механического сплавления Ti и Nb предполагает два этапа взаимодействия исходных компонент и формирования метастабильного твердого раствора β-TiNb. Получение механическим сплавлением однофазных сплавов системы Ti-Nb, а также понимание закономерностей их образования расширяет возможности применения данных материалов для производства медицинских имплантатов.

mechanical alloyingball millTi-Nb β-alloymedical implantsмеханическое сплавлениешаровая мельницаβ-сплав Ti-Nbмедицинские имплантатыРабота выполнена при поддержке Российского научного фонда, грант № 15-19-00191. Статья подготовлена по материалам докладов участников VIII Международной школы «Физическое материаловедение» с элементами научной школы для молодежи, Тольятти, 3–12 сентября 2017 г.Suryanarayana C. Mechanical alloying and Milling. Progress in Materials Science, 2001, vol. 46, pp. 1–184.Suryanarayana C. Mechanical alloying and Milling // Progress in Materials Science. 2001. Vol. 46. P. 1−184.Boldyrev V.V. Mechanochemistry and mechanical activation of solids. Russian Chemical Reviews, 2006, vol. 75, no. 3, pp. 177–189.Болдырев В.В. Механохимия и механическая активация твердых веществ // Успехи химии. 2006. Т. 75. № 3. С. 203–216.Butyagin P.Yu. Problems and perspectives of mechanochemistry development. Uspekhi khimii, 1994, vol. 63, no. 12, pp. 1031–1043.Бутягин П.Ю. Проблемы и перспективы развития механохимии // Успехи химии. 1994. Т. 63. № 12. С. 1031–1043.Kuzmich Yu.V., Kolesnikova I.T., Serba V.I., Freydin B.M. Mekhanicheskoe legirovanie [Mechanical alloying]. Moscow, Nauka Publ., 2005. 213 p.Кузьмич Ю.В., Колесникова И.Т., Серба В.И., Фрейдин Б.М. Механическое легирование. М.: Наука, 2005. 213 с.Grigoreva T.F., Barinova A.P., Lyakhov N.Z. Mekhanokhimicheskiy sintez v metallicheskikh sistemakh [Mechanochemical synthesis in metallic systems]. Novosibirsk, Parallel Publ., 2008. 309 p.Григорьева Т.Ф., Баринова А.П., Ляхов Н.З. Механохимический синтез в металлических системах. Новосибирск: Параллель, 2008. 309 с.Zhuravleva K., Scudino S., Khoshkhoo M.S., Gebert A., Calin M., Schultz L., Eckert J. Mechanical Alloying of β-Type Ti-Nb for Biomedical Applications. Advanced Engineering Materials, 2013, vol. 15, no. 4, pp. 262–268.Zhuravleva K., Scudino S., Khoshkhoo M.S., Gebert A., Calin M., Schultz L., Eckert J. Mechanical Alloying of β-Type Ti-Nb for Biomedical Applications // Advanced Engineering Materials. 2013. Vol. 15. № 4. P. 262–268.Dutkiewicz J., Maziarz W., Jaworska L. Structure of nanocrystalline structure Ti-base alloys obtained by mechanical alloying and ultra-high pressure sintering. Reviews on Advanced Materials Science, 2008, vol. 18, pp. 264–268.Dutkiewicz J., Maziarz W., Jaworska L. Structure of nanocrystalline structure Ti-base alloys obtained by mechanical alloying and ultra-high pressure sintering // Reviews on Advanced Materials Science. 2008. Vol. 18. P. 264–268.Mohammed M.T., Khan Z.A., Siddiquee A.N. Beta Titanium Alloys: The Lowest Elastic Modulus for Biomedical Applications: A Review. International Journal of Chemical, Molecular, Nuclear, Materials and Metallurgical Engineering, 2014, vol. 8, pp. 820–825.Mohammed M.T., Khan Z.A., Siddiquee A.N. Beta Titanium Alloys: The Lowest Elastic Modulus for Biomedical Applications: A Review // International Journal of Chemical, Molecular, Nuclear, Materials and Metallurgical Engineering. 2014. Vol. 8. P. 820–825.Ozaki T., Matsumoto H., Watanabe S., Hanada S. Beta Ti Alloys with Low Young’s Modulus. Materials Transactions, 2004, vol. 45, pp. 2776–2779.Ozaki T., Matsumoto H., Watanabe S., Hanada S. Beta Ti Alloys with Low Young’s Modulus // Materials Transactions. 2004. Vol. 45. P. 2776–2779.Maziarz W., Lejkowska M., Mchalski A., Dutkiewicz J. Transmission electron microscopy of microstructure of Ti-Nb and Ti-Ta alloys ater ball milling ad hot consolidation. Journal of microscopy, 2006, vol. 224, pp. 42–45.Maziarz W., Lejkowska M., Mchalski A., Dutkiewicz J. Transmission electron microscopy of microstructure of Ti-Nb and Ti-Ta alloys ater ball milling ad hot consolidation // Journal of microscopy. 2006. Vol. 224. P. 42–45.Giffoni Y.A., Ramos E.C.T., Sandim H.R.Z., Pacheco M.T.T., Silva G., Ramos A.S. Structural evaluation of mechanically alloyed Ti-Nb powders. Materials Science Forum, 2008, vol. 591-593, pp. 141–146.Giffoni Y.A., Ramos E.C.T., Sandim H.R.Z., Pacheco M.T.T., Silva G., Ramos A.S. Structural evaluation of mechanically alloyed Ti-Nb powders // Materials Science Forum. 2008. Vol. 591-593. P. 141–146.Giffoni Y.A., Ramos E.C.T., Sandim H.R.Z., Pacheco M.T.T., Silva G., Ramos A.S. Preparation of Ti-40Nb powders by high-energy milling. Materials Science Forum, 2005, vol. 498-499, pp. 146–151.Giffoni Y.A., Ramos E.C.T., Sandim H.R.Z., Pacheco M.T.T., Silva G., Ramos A.S. Preparation of Ti-40Nb powders by high-energy milling // Materials Science Forum. 2005. Vol. 498-499. P. 146–151.Zhuravleva K., Bönisch M., Scudino S., Calin M., Schults L., Eckert J., Gebert A. Phase transformations in ball-milled Ti-40Nb and Ti-45Nb powders upon quenching from the β-phase region. Powder Technology, 2014, vol. 253, pp. 166–171.Zhuravleva K., Bönisch M., Scudino S., Calin M., Schults L., Eckert J., Gebert A. Phase transformations in ball-milled Ti-40Nb and Ti-45Nb powders upon quenching from the β-phase region // Powder Technology. 2014. Vol. 253. P. 166–171.Kovalevskaya Zh.G., Sharkeev Yu.P., Korchagin M.A., Khimich M.A., Ibragimov E.A., Saprykin A.A., Bataev V.A. Investigation of the structure of Ti-40Nb powder alloy obtained with mechanical activation. Obrabotka metallov (tekhnologiya, oborudovanie, instrumenty), 2016, no. 4, pp. 34–42.Ковалевская Ж.Г., Шаркеев Ю.П., Корчагин М.А., Химич М.А., Ибрагимов Е.А., Сапрыкин А.А., Батаев В.А. Исследование строения порошкового сплава Ti-40Nb, полученного механической активацией // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). 2016. № 4. С. 34−42.Ditenberg I.A., Tyumentsev A.N., Denisov K.I., Korchagin M.A. Peculiarities of the formation of high-defect states in mechanocomposites and powders of niobium and aluminum under severe deformation in planetary ball mills. Physical Mesomechanics, 2013, vol. 16, pp. 84–92.Ditenberg I.A., Tyumentsev A.N., Denisov K.I., Korchagin M.A. Peculiarities of the formation of high-defect states in mechanocomposites and powders of niobium and aluminum under severe deformation in planetary ball mills // Physical Mesomechanics. 2013. Vol. 16. P. 84–92.Ditenberg I.A., Denisov K.I., Tyumentsev A.N., Korchagin M.A., Korznikov A.V. Features of microstructure and hardening of Nb after mechanical activation and subsequent consolidation by torsion under pressure. Russian Physics Journal, 2014, vol. 57, no. 7, pp. 937–944.Дитенберг И.А., Денисов К.И., Тюменцев А.Н., Корчагин М.А., Корзников А.В. Особенности микроструктуры и упрочнения Nb после механической активации и последующей консолидации кручением под давлением // Известия ВУЗов. Физика. 2014. Т. 57. № 7. С. 68–75.Elsukov E.P., Dorofeev G.A. Mechanical alloying of binary Fe-M (M = C, Si, Ge, Sn) systems. Kinetics, thermodynamics and mechanism of atomic mixing. Khimiya v interesakh ustoychivogo razvitiya, 2002, vol. 10, no. 1-2, pp. 59–68.Елсуков Е.П., Дорофеев Г.А. Механическое сплавление бинарных систем Fе-M (M = C, Si, Ge, Sn). Кинетика, термодинамика и механизм атомного перемешивания // Химия в интересах устойчивого развития. 2002. Т. 10. № 1-2. С. 59–68.Butyagin P.Yu., Povstugar I.V. About reactivity of solids in the processes of mechanochemical synthesis. Doklady Chemistry, 2004, vol. 398, no. 4-6, pp. 196–199.Бутягин П.Ю., Повстугар И.В. О реакционной способности твердых тел в процессах механохимического синтеза // Доклады академии наук. 2004. Т. 398. № 5. С. 635–638.Moffat D.L., Kattner U.R. The Stable and Metastable Ti-Nb Phase Diagrams. Metallurgical Transactions A, 1988, vol. 19A, pp. 2389–2397.Moffat D.L., Kattner U.R. The Stable and Metastable Ti-Nb Phase Diagrams // Metallurgical Transactions A. 1988. Vol. 19A. P. 2389–2397.Grigoreva I.S., Meylikhova E.Z. Fizicheskie velichiny [Physical values]. Moscow, Energoatomizdat Publ., 1991. 1232 p.Григорьева И.С., Мейлихова Е.З. Физические величины. М.: Энергоатомиздат, 1991. 1232 с.