RU2771150C1 - Method for obtaining porous material based on titanium nickelide by self-distributing high-temperature synthesis - Google Patents

Method for obtaining porous material based on titanium nickelide by self-distributing high-temperature synthesis Download PDF

Info

Publication number
RU2771150C1
RU2771150C1 RU2021136329A RU2021136329A RU2771150C1 RU 2771150 C1 RU2771150 C1 RU 2771150C1 RU 2021136329 A RU2021136329 A RU 2021136329A RU 2021136329 A RU2021136329 A RU 2021136329A RU 2771150 C1 RU2771150 C1 RU 2771150C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
reactor
titanium
porous
reaction
mixture
Prior art date
Application number
RU2021136329A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Екатерина Сергеевна Марченко
Юрий Феодосович Ясенчук
Гульшарат Аманболдыновна Байгонакова
Арина Андреевна Шишелова
Сергей Викторович Гюнтер
Original Assignee
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский государственный университет"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский государственный университет" filed Critical Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский государственный университет"
Priority to RU2021136329A priority Critical patent/RU2771150C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2771150C1 publication Critical patent/RU2771150C1/en

Links

Images

Classifications

    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22FWORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F3/00Manufacture of workpieces or articles from metallic powder characterised by the manner of compacting or sintering; Apparatus specially adapted therefor ; Presses and furnaces
    • B22F3/10Sintering only
    • B22F3/11Making porous workpieces or articles
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22FWORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F3/00Manufacture of workpieces or articles from metallic powder characterised by the manner of compacting or sintering; Apparatus specially adapted therefor ; Presses and furnaces
    • B22F3/10Sintering only
    • B22F3/11Making porous workpieces or articles
    • B22F3/1143Making porous workpieces or articles involving an oxidation, reduction or reaction step
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22FWORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F3/00Manufacture of workpieces or articles from metallic powder characterised by the manner of compacting or sintering; Apparatus specially adapted therefor ; Presses and furnaces
    • B22F3/23Manufacture of workpieces or articles from metallic powder characterised by the manner of compacting or sintering; Apparatus specially adapted therefor ; Presses and furnaces involving a self-propagating high-temperature synthesis or reaction sintering step
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C22METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22CALLOYS
    • C22C1/00Making non-ferrous alloys
    • C22C1/04Making non-ferrous alloys by powder metallurgy
    • C22C1/0433Nickel- or cobalt-based alloys
    • C22C1/0441Alloys based on intermetallic compounds of the type rare earth - Co, Ni
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C22METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22CALLOYS
    • C22C1/00Making non-ferrous alloys
    • C22C1/04Making non-ferrous alloys by powder metallurgy
    • C22C1/045Alloys based on refractory metals
    • C22C1/0458Alloys based on titanium, zirconium or hafnium
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C22METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22CALLOYS
    • C22C1/00Making non-ferrous alloys
    • C22C1/08Alloys with open or closed pores

Abstract

FIELD: powder metallurgy.
SUBSTANCE: invention relates to powder metallurgy, in particular to the production of porous material based on titanium nickelide by self-distributing high-temperature synthesis. It can be used in medicine, in particular for surgical implants. A quartz tube with a mixture of nickel and titanium powders is placed in a reactor, the volume of which exceeds the volume of a reaction mixture by 15-20%. The reactor is filled with a gas mixture consisting of 20-30% of nitrogen and 70-80% of argon, with an excess pressure of 0.15 ± 0.05 MPa, preheating is carried out, SHS reaction is initiated, and titanium nickelide synthesis, cooling and unloading of the target product is carried out.
EFFECT: fatigue strength of a porous alloy is increased in corrosive tissue fluids under cyclic loads from a living organism.
1 cl, 8 dwg

Description

Изобретение относится к получению изделий из титана и титановых сплавов самораспространяющимся высокотемпературным синтезом и может быть использовано в медицине, конкретно в области хирургических имплантатов и других отраслях.The invention relates to the production of products from titanium and titanium alloys by self-propagating high-temperature synthesis and can be used in medicine, specifically in the field of surgical implants and other industries.

Титан и титановые сплавы успешно применяются в медицине благодаря хорошей биосовместимости и относительно высокой прочности при малом весе по сравнению с изделиями из сталей. Наряду с монолитными изделиями типа зажимов с памятью формы широко распространены имплантаты из пористого никелида титана, получаемого путем реакции самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС). Одним из недостатков, затрудняющих применение никелид-титановых сплавов, является высокая химическая активность, проявляющаяся в склонности к поверхностной коррозии. Распространенным приемом повышения коррозионной стойкости титановых сплавов, является азотирование поверхности. Традиционно ионно-плазменное азотирование деталей из титана и титановых сплавов осуществляется в промышленности с использованием тлеющего разряда при рабочих давлениях (0,5-10) мбар, как указано в источниках: [В.А. Белоус, Г.И. Носов, И.О. Клименко Упрочнение титановых сплавов ионно-плазменным азотированием. ISSN 1562-6016. ВАНТ. 2017. № 5(111); Ильин А.А., Скворцова С.В., Лукина Е.А., Карпов В.Н., Поляков О.А. Низкотемпературное ионное азотирование имплантатов из титанового сплава ВТ20 в различных структурных состояниях // Металлы. № 2. 2005, с. 38-44]. Titanium and titanium alloys are successfully used in medicine due to good biocompatibility and relatively high strength at low weight compared to steel products. Along with monolithic products such as shape memory clamps, implants made of porous titanium nickelide obtained by the reaction of self-propagating high-temperature synthesis (SHS) are widely used. One of the disadvantages that hinder the use of nickel-titanium alloys is the high chemical activity, which manifests itself in a tendency to surface corrosion. A common technique for increasing the corrosion resistance of titanium alloys is surface nitriding. Traditionally, ion-plasma nitriding of parts made of titanium and titanium alloys is carried out in industry using a glow discharge at operating pressures (0.5-10) mbar, as indicated in the sources: [V.A. Belous, G.I. Nosov, I.O. Klimenko Hardening of titanium alloys by ion-plasma nitriding. ISSN 1562-6016. VANT. 2017. No. 5(111); Ilyin A.A., Skvortsova S.V., Lukina E.A., Karpov V.N., Polyakov O.A. Low-temperature ion nitriding of implants from titanium alloy VT20 in various structural states // Metals. No. 2. 2005, p. 38-44].

В результате азотирования поверхностный слой титана обогащается нитридами титана, что увеличивает его твердость и износостойкость. Однако, такой метод, эффективный для изделий с открытой поверхностью, оказывается малоэффективным для пористых изделий ввиду недоступности большей части поверхности для ионной бомбардировки. Таким образом, проблема насыщения азотом поверхности пористых изделий из сплавов никелида титана нуждается в решении. As a result of nitriding, the surface layer of titanium is enriched with titanium nitrides, which increases its hardness and wear resistance. However, this method, which is effective for products with an open surface, turns out to be ineffective for porous products due to the inaccessibility of most of the surface for ion bombardment. Thus, the problem of nitrogen saturation of the surface of porous products made of titanium nickelide alloys needs to be solved.

В качестве аналога рассмотрим способ получения пористого никелида титана путем самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) [Итин В.И., Братчиков А.Д. СВС сплавов с памятью формы. // Самораспространяющийся высокотемпературный синтез. Томск, 1991, с.124-132]. Обладая основными признаками всех способов, разработанных позднее на его основе, он может быть принят за прототип изобретения.As an analogue, consider a method for producing porous titanium nickelide by self-propagating high-temperature synthesis (SHS) [Itin V.I., Bratchikov A.D. SHS alloys with shape memory. // Self-propagating high-temperature synthesis. Tomsk, 1991, pp. 124-132]. Possessing the main features of all the methods developed later on its basis, it can be taken as a prototype of the invention.

Известный способ получения пористого материала на основе никелида титана методом СВС, включает помещение кварцевой трубы со смесью порошков никеля и титана в реактор, продуваемый инертным газом, предварительный подогрев, инициирование реакции СВС, последующее охлаждение и выгрузку целевого продукта (фиг. 1). A well-known method for producing a porous material based on titanium nickelide by the SHS method includes placing a quartz tube with a mixture of nickel and titanium powders into a reactor purged with an inert gas, preheating, initiating the SHS reaction, subsequent cooling and unloading the target product (Fig. 1).

При осуществлении известного способа реактором служит, как правило, стальная труба. Кварцевая труба защищает смесь порошков от загрязнения при контакте с реактором. Как правило, для продувки реактора используют азотно-аргоновую смесь, предварительный нагрев проводят до температуры 350°C ÷850°C, инициирование реакции СВС осуществляют при помощи электрической спирали, в процессе синтеза давление инертного газа поддерживают в пределах 0,1÷0,2 МПа. Из рисунка видно, что во время протекания реакции инертный газ 1 поступает в реактор, а смесь реакционных газов 2 истекает из него.When implementing the known method, the reactor is, as a rule, a steel pipe. The quartz tube protects the powder mixture from contamination when in contact with the reactor. As a rule, a nitrogen-argon mixture is used to purge the reactor, preheating is carried out to a temperature of 350°C ÷ 850°C, the SHS reaction is initiated using an electric spiral, in the process of synthesis, the inert gas pressure is maintained within 0.1 ÷ 0.2 MPa. It can be seen from the figure that during the course of the reaction, inert gas 1 enters the reactor, and the mixture of reaction gases 2 flows out of it.

В соответствии с этим способом получают широко применяемый для эндопротезирования пористый никелид титана, обладающий эффектом памяти формы, с общей пористостью 30-70% и долей открытой пористости до 90%, придающей ему высокую степень проницаемости.In accordance with this method, a porous titanium nickelide widely used for endoprosthetics is obtained, which has a shape memory effect, with a total porosity of 30-70% and an open porosity of up to 90%, giving it a high degree of permeability.

В процессе СВС большую роль играет фаза Ti2Ni, обладающая наименьшей температурой плавления в сравнении с другими фазами. Отличительной особенностью соединения Ti2Ni является повышенная хемосорбция газовых примесей, таких как кислород, азот и углерод. Именно их присутствие способствует формированию защитного оксикарбонитридного слоя на поверхности фазы Ti2Ni [Известия высших учебных заведений, физика. № 10, с. 98–107, 2017].The Ti2Ni phase, which has the lowest melting temperature compared to other phases, plays an important role in the SHS process. A distinctive feature of the Ti2Ni compound is the increased chemisorption of gaseous impurities such as oxygen, nitrogen, and carbon. It is their presence that contributes to the formation of a protective oxycarbonitride layer on the surface of the Ti2Ni phase [News of higher educational institutions, physics. No. 10, p. 98–107, 2017].

Недостатком способа является низкая усталостная прочность пористого сплава в коррозионно-активных тканевых жидкостях в условиях циклических нагрузок со стороны живого организма. Этот недостаток обусловлен структурой перитектического слоя вблизи поверхности пористого сплава. Зона перитектической кристаллизации показана на фиг. 2: а – в приповерхностном слое, б – вокруг поры. Указанная зона характеризуется тем, что в ней дендриты, образованные пластичными зернами интерметаллического соединения TiNi, окружены хрупкой межзеренной перитектической фазой интерметаллического соединения Ti2Ni. Занимающая межзеренное пространство сплошная хрупкая фаза является источником возникновения большого количества трещин на межфазной границе TiNi– Ti2Ni при воздействии внешней нагрузки. Типичный вид трещин показан на фиг. 3.The disadvantage of this method is the low fatigue strength of the porous alloy in corrosive tissue fluids under cyclic loads from a living organism. This disadvantage is due to the structure of the peritectic layer near the surface of the porous alloy. The zone of peritectic crystallization is shown in Fig. 2: a – in the near-surface layer, b – around the pore. This zone is characterized by the fact that in it the dendrites formed by plastic grains of the TiNi intermetallic compound are surrounded by a brittle intergranular peritectic phase of the Ti2Ni intermetallic compound. The continuous brittle phase occupying the intergranular space is the source of a large number of cracks at the TiNi–Ti2Ni interphase boundary under the action of an external load. A typical crack pattern is shown in Fig. 3.

Для выявления особенностей и путей преодоления указанного недостатка было проведено экспериментальное исследование коррозионной усталости пористого сплава СВС TiNi путем циклического изгиба до разрушения в различных средах, после чего установлена ее связь со структурными особенностями поверхностных слоев указанного сплава. Исследования проводились на установке, изображенной на фиг. 4. To identify the features and ways to overcome this drawback, an experimental study of the corrosion fatigue of the porous SHS TiNi alloy was carried out by cyclic bending to failure in various media, after which its relationship with the structural features of the surface layers of the specified alloy was established. The studies were carried out on the setup shown in Fig. 4.

При циклическом изгибе на воздухе образцов, полученных в проточном реакторе, 72% из них выдерживают более 1 млн циклов нагружения. Остальные 28% образцов разрушаются после 0,1–0,3 млн циклов. При испытании в дистиллированной воде количество образцов, выдержавших более 1 млн циклов нагружения, сократилось до 43%. Остальные 57% образцов разрушились после 0,1–0,5 млн циклов изгиба. Такой результат трактуется как снижение энергии активации процесса разрушения сплава под влиянием воды. При испытании в 1% растворе HCl ни один образец не достиг 1 млн циклов изгиба. Из всех образцов 14% разрушились при 0,6 млн циклов, 43% – при 0,1–0,3 млн циклов, 43% не достигли 0,1 млн циклов. Таким образом, 1% раствор соляной кислоты значительно понизил энергию активации процесса разрушения и предел коррозионной выносливости сплава.During cyclic bending in air of samples obtained in a flow reactor, 72% of them withstand more than 1 million loading cycles. The remaining 28% of samples fail after 0.1–0.3 million cycles. When tested in distilled water, the number of samples that withstood more than 1 million loading cycles decreased to 43%. The remaining 57% of the samples failed after 0.1–0.5 million bending cycles. This result is interpreted as a decrease in the activation energy of the process of destruction of the alloy under the influence of water. When tested in 1% HCl solution, no sample reached 1 million bending cycles. Of all samples, 14% failed at 0.6 million cycles, 43% failed at 0.1–0.3 million cycles, and 43% did not reach 0.1 million cycles. Thus, a 1% hydrochloric acid solution significantly lowered the activation energy of the destruction process and the corrosion endurance limit of the alloy.

Методами электронной и оптической микроскопии было установлено, что механизм разрушения пористого сплава TiNi, получаемого методом СВС, связан с разрушением поверхностных слоев и формированием усталостных трещин на неметаллических включениях. На фиг. 5 приведены фотографии поверхности усталостного разрушения пластины пористого TiNi сплава: а – общий вид излома; б – неметаллическое включение в верхнем углу разрушенной перемычки; в – трещина разрушения, проходящая в поверхностном слое.Using electron and optical microscopy, it was found that the mechanism of destruction of the porous TiNi alloy obtained by the SHS method is associated with the destruction of surface layers and the formation of fatigue cracks on nonmetallic inclusions. In FIG. Figure 5 shows photographs of the fatigue fracture surface of a porous TiNi alloy plate: a – general view of the fracture; b - non-metallic inclusion in the upper corner of the destroyed bridge; (c) fracture crack in the surface layer.

Неметаллические включения, как было указано выше, выполняют основную защитную функцию против коррозии. Их происхождение обусловлено составом проточной газовой среды, являющейся смесью продуваемых инертных газов и реакционных газов. И те, и другие содержат примеси O, N, C, которые обычно называют технологическими примесями. Вследствие экзотермического характера реакции газообразные примеси приобретают высокую температуру и участвуют в формировании градиентного поверхностного слоя интерметаллических оксикарбонитридов на этапе охлаждения и структурирования пористого сплава. Благодаря высокой коррозионной стойкости интерметаллических оксикарбонитридов именно этот поверхностный слой, формирующийся в результате хемосорбции примесей O, N, C расплавленным перитектическим слоем, выполняет основную защитную функцию.Non-metallic inclusions, as mentioned above, perform the main protective function against corrosion. Their origin is due to the composition of the flowing gaseous medium, which is a mixture of blown inert gases and reaction gases. Both those and others contain impurities O, N, C, which are usually called technological impurities. Due to the exothermic nature of the reaction, gaseous impurities acquire a high temperature and participate in the formation of a gradient surface layer of intermetallic oxycarbonitrides at the stage of cooling and structuring of the porous alloy. Due to the high corrosion resistance of intermetallic oxycarbonitrides, it is this surface layer, which is formed as a result of chemisorption of O, N, C impurities by the molten peritectic layer, that performs the main protective function.

Защитный слой имеет малую толщину и может иметь разрывы. Для более высокой коррозионной стойкости желательно, чтобы он имел большую толщину и сплошность. Этого можно добиться, увеличивая долю реакционной составляющей – азота в составе инертной газовой смеси. В то же время простое увеличение толщины коррозионностойкого слоя не решает проблему создания надежного защитного слоя, так как междендритная фаза Ti2Ni, находящаяся в перитектическом слое, отличается хрупкостью в сравнении с пластичной фазой TiNi и склонна к растрескиванию по межфазным границам Ti2Ni–TiNi, Ti2Ni–TiNi3, что отражено в источниках: [Yuri Yasenchuk, Ekaterina Marchenko, Gulsharat Baigonakova et al. Study on tensile, bending, fatigue, and in vivo behavior of porous SHS–TiNi alloy used as a bone substitute / Biomed. Mater. 16 (2021) 021001. https://doi.org/10.1088/1748-605X/aba327 ; Ekaterina Marchenko, Yuri Yasenchuk, Sergey Gunther et al. Structural-phase surface composition of porous TiNi produced by SHS / Mater. Res. Express 6 (2019) 1165b1 https://doi.org/10.1088/2053-1591/ab4e32 ]. The protective layer is thin and may be torn. For higher corrosion resistance, it is desirable that it has a greater thickness and continuity. This can be achieved by increasing the proportion of the reaction component, nitrogen, in the inert gas mixture. At the same time, a simple increase in the thickness of the corrosion-resistant layer does not solve the problem of creating a reliable protective layer, since the Ti2Ni interdendritic phase located in the peritectic layer is brittle compared to the TiNi plastic phase and is prone to cracking along the Ti2Ni–TiNi, Ti2Ni–TiNi3 interfaces. , which is reflected in the sources: [Yuri Yasenchuk, Ekaterina Marchenko, Gulsharat Baigonakova et al. Study on tensile, bending, fatigue, and in vivo behavior of porous SHS–TiNi alloy used as a bone substitute / Biomed. mater. 16 (2021) 021001. https://doi.org/10.1088/1748-605X/aba327; Ekaterina Marchenko, Yuri Yasenchuk, Sergey Gunther et al. Structural-phase surface composition of porous TiNi produced by SHS / Mater. Res. Express 6 (2019) 1165b1 https://doi.org/10.1088/2053-1591/ab4e32].

В целях повышения выносливости сплава необходимо диспергировать сплошную фазу Ti2Ni при сохранении коррозионной стойкости поверхности. Этого можно добиться, например, путем вакуумного отжига пористого сплава, который приводит к перекристаллизации перитектического слоя, формированию скопления вторичных зерен Ti2Ni среди зерен TiNi [см. источник: Влияние отжига на фазовый состав и физико-механические свойства пористого СВС-никелида титана: магистерская диссертация по направлению подготовки: 03.04.02–Физика. 2017// Электронный ресурсIn order to increase the endurance of the alloy, it is necessary to disperse the continuous phase of Ti2Ni while maintaining the corrosion resistance of the surface. This can be achieved, for example, by vacuum annealing of the porous alloy, which leads to recrystallization of the peritectic layer, the formation of an accumulation of secondary Ti2Ni grains among TiNi grains [see. source: Influence of annealing on the phase composition and physical and mechanical properties of porous SHS-titanium nickelide: master's thesis in the field of study: 03.04.02–Physics. 2017// Electronic resource

http://vital.lib.tsu.ru/vital/access/manager/Repository/vital:4209/SOURCE01]. http://vital.lib.tsu.ru/vital/access/manager/Repository/vital:4209/SOURCE01].

На фиг. 6 приведены фотографии области перитектической кристаллизации: а – до отжига; б – после вакуумного отжига. Заметно, что зернистость материала в результате отжига значительно снижается. К сожалению, этот метод позволяет добиться хорошего результата только на мелких образцах пористого сплава. В более крупных образцах, пригодных для практического применения, не удается избежать локального перегрева, который приводит к подплавлению и деградации пористой структуры.In FIG. Figure 6 shows photographs of the area of peritectic crystallization: a – before annealing; b – after vacuum annealing. It is noticeable that the grain size of the material is significantly reduced as a result of annealing. Unfortunately, this method makes it possible to achieve good results only on small samples of a porous alloy. In larger samples suitable for practical use, it is impossible to avoid local overheating, which leads to melting and degradation of the porous structure.

Таким образом, используя известный способ получения пористого никелида титана можно сформировать защитный антикоррозионный слой, но устойчивость полученного сплава к циклическим деформациям становится неприемлемо низкой.Thus, using the known method for producing porous titanium nickelide, it is possible to form a protective anti-corrosion layer, but the resistance of the resulting alloy to cyclic deformations becomes unacceptably low.

Задачей изобретения является создание на поверхности пористого сплава никелида титана, получаемого методом СВС в инертной газовой смеси, сплошного слоя из нитридов титана и перекристаллизация хрупкого перитектического слоя с целью повышения его пластичности.The objective of the invention is to create a continuous layer of titanium nitrides on the surface of a porous titanium nickelide alloy obtained by the SHS method in an inert gas mixture and recrystallize a brittle peritectic layer in order to increase its plasticity.

Технический результат изобретения – повышение усталостной прочности пористого сплава в коррозионно-активных тканевых жидкостях в условиях циклических нагрузок со стороны живого организма.The technical result of the invention is to increase the fatigue strength of the porous alloy in corrosive tissue fluids under conditions of cyclic loads from a living organism.

Технический результат достигается тем, что при осуществлении способа получения пористого материала на основе никелида титана методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза, включающего помещение кварцевой трубы со смесью порошков никеля и титана в реактор, продуваемый инертным газом, предварительный подогрев, инициирование реакции СВС, последующее охлаждение и выгрузку целевого продукта, отличие состоит в том, что реактор наполняют газовой смесью, состоящей из (20-30)% азота и (70-80)% аргона с избыточным давлением 0,15±0,05 МПа и изолируют реактор от внешней атмосферы на время проведения реакции, при этом объем реактора выбирают превышающим объем реакционной смеси на 15-20%.The technical result is achieved by the fact that when implementing a method for producing a porous material based on titanium nickelide by the method of self-propagating high-temperature synthesis, including placing a quartz tube with a mixture of nickel and titanium powders in a reactor purged with an inert gas, preheating, initiating the SHS reaction, subsequent cooling and unloading of the target product, the difference is that the reactor is filled with a gas mixture consisting of (20-30)% nitrogen and (70-80)% argon with an overpressure of 0.15 ± 0.05 MPa and the reactor is isolated from the external atmosphere for the duration of the reaction, while the volume of the reactor is chosen to exceed the volume of the reaction mixture by 15-20%.

Достижимость заявленного технического результата обусловлена следующим.The achievability of the claimed technical result is due to the following.

1. Изоляция реактора предотвращает потерю выделяемого реакцией тепла и обеспечивает циркуляцию внутри него инертной газовой смеси вместе с выделяющимися реакционными газами. Горячие реакционные газы, смешанные с нагретой инертной газовой смесью, остаются в объеме реактора и нагревают поверхностные слои пористого сплава, обеспечивая перекристаллизацию перитектического двухфазного слоя. Перекристаллизация массивной междендритной фазы Ti2Ni, которая является значительно более хрупкой, чем вязкая фаза TiNi, в скопление мелких вторичных кристаллов устраняет хрупкость поверхностного слоя пористого сплава. Экспериментально установлено, что в процессе синтеза в закрытом реакторе поверхностный слой пористого сплава становится более однородным и приобретает более упорядоченную кристаллическую структуру и меньшую толщину, как показано на фиг. 7. 1. Insulation of the reactor prevents the loss of heat generated by the reaction and ensures the circulation of an inert gas mixture inside it along with the released reaction gases. Hot reaction gases mixed with a heated inert gas mixture remain in the reactor volume and heat the surface layers of the porous alloy, providing recrystallization of the peritectic two-phase layer. Recrystallization of the massive Ti2Ni interdendritic phase, which is much more brittle than the viscous TiNi phase, into an accumulation of small secondary crystals eliminates the brittleness of the surface layer of the porous alloy. It has been experimentally established that during synthesis in a closed reactor, the surface layer of the porous alloy becomes more uniform and acquires a more ordered crystal structure and a smaller thickness, as shown in Fig. 7.

2. Для обеспечения циркуляции нагретой газовой смеси объем реактора должен превышать объем реакционной смеси, но не более, чем на 15-20%. Реактор с меньшими размерами не позволяет разместить кварцевый стакан, в котором находится реакционная смесь, необходимую технологическую оснастку для загрузки и выгрузки реакционной смеси, контроля температуры нагрева и зажигания смеси. Больший реактор не позволяет осуществить необходимый прогрев пористого слитка реакционными газами.2. To ensure the circulation of the heated gas mixture, the volume of the reactor must exceed the volume of the reaction mixture, but not more than 15-20%. A reactor with smaller dimensions does not allow placing a quartz glass containing the reaction mixture, the necessary technological equipment for loading and unloading the reaction mixture, controlling the temperature of heating and ignition of the mixture. A larger reactor does not allow the necessary heating of the porous ingot by the reaction gases.

3. Газовая смесь, содержащая заявленное соотношение инертных (Ar) и реакционных (N2) компонентов, обеспечивает необходимую и достаточную степень насыщения поверхности азотом. Сформированный на поверхности пористого никелида титана сплошной, но тонкий слой нитридов титана повышает усталостную прочность сплава. Малая толщина позволяет коррозионностойкому слою деформироваться вместе с основой без растрескивания, что повышает коррозионную выносливость сплава. Пропорции смеси установлены экспериментально. Меньшее количество азота не обеспечивает достаточной толщины и однородности поверхностного защитного слоя и необходимой коррозионной стойкости. Большее количество азота приводит к образованию более толстого, чем необходимо, упрочненного нитридами поверхностного слоя, что делает сплав необратимо хрупким. Соотношение компонентов в диапазоне 20-30% азота и 70-80% аргона признано оптимальным для совмещения преимуществ, как в степени антикоррозионной защиты, так и в степени выносливости к циклическим механическим нагрузкам.3. The gas mixture containing the declared ratio of inert (Ar) and reactive (N2) components provides the necessary and sufficient degree of saturation of the surface with nitrogen. Formed on the surface of porous titanium nickelide, a continuous but thin layer of titanium nitrides increases the fatigue strength of the alloy. The small thickness allows the corrosion-resistant layer to deform together with the base without cracking, which increases the corrosion resistance of the alloy. The proportions of the mixture are set experimentally. A smaller amount of nitrogen does not provide sufficient thickness and uniformity of the surface protective layer and the required corrosion resistance. More nitrogen leads to the formation of a thicker than necessary, nitride-hardened surface layer, which makes the alloy irreversibly brittle. The ratio of components in the range of 20-30% nitrogen and 70-80% argon is recognized as optimal for combining advantages, both in the degree of anti-corrosion protection and in the degree of endurance to cyclic mechanical loads.

4. Избыточное давление 0,15±0,05 МПа необходимо для компенсации небольших газовых потерь на этапах нагрева, синтеза и охлаждения реактора. В отличие от способа-прототипа, избыточное давление связано не с постоянной продувкой реактора, а с однократным наполнением и поддержанием избыточного давления для создания циркуляции нагретой газовой смеси в замкнутом объеме. Диапазон избыточного давления был установлен экспериментально. В указанном диапазоне давлений в реакторе присутствует достаточное количество газовых компонентов и в то же время не требуется обеспечивать высокую прочность конструкции реактора. 4. An excess pressure of 0.15 ± 0.05 MPa is necessary to compensate for small gas losses at the stages of heating, synthesis and cooling of the reactor. Unlike the prototype method, excess pressure is not associated with a constant purge of the reactor, but with a single filling and maintaining excess pressure to create circulation of a heated gas mixture in a closed volume. The overpressure range was set experimentally. In the specified pressure range, a sufficient amount of gas components is present in the reactor, and at the same time, it is not required to ensure high strength of the reactor structure.

Отличие предлагаемого способа иллюстрируется фиг. 8.The difference of the proposed method is illustrated in Fig. eight.

Способ получения пористого материала на основе никелида титана методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза включает помещение кварцевой трубы со смесью порошков никеля в реактор, наполняемый газовой смесью 1 под давлением 0,15±0,05 МПа, предварительный подогрев, инициирование реакции СВС электрической спиралью, охлаждение и выгрузку целевого продукта. Как видно из рисунка, газовая смесь во время реакции не имеет возможности истечения из реактора, сохраняя тепло, необходимое для перекристализации перитектического слоя. The method for producing a porous material based on titanium nickelide by the method of self-propagating high-temperature synthesis includes placing a quartz tube with a mixture of nickel powders into a reactor filled with gas mixture 1 at a pressure of 0.15 ± 0.05 MPa, preheating, initiating the SHS reaction with an electric coil, cooling and unloading target product. As can be seen from the figure, the gas mixture during the reaction does not have the possibility of outflow from the reactor, retaining the heat necessary for recrystallization of the peritectic layer.

Отличие состоит в том, что синтез проводят в закрытом реакторе, наполненном смесью, состоящей из (20-30)% азота и (70-80)% аргона. Объем реактора не должен существенно превышать объем реакционной смеси, чтобы минимизировать потери выделяющейся теплоты. Как правило, превышение объема составляет 15-20%, что позволяет разместить внутри кварцевую трубу (стакан) с реакционной смесью, а также средства загрузки, выгрузки, контроля температуры и зажигания смеси. The difference is that the synthesis is carried out in a closed reactor filled with a mixture consisting of (20-30)% nitrogen and (70-80)% argon. The volume of the reactor should not significantly exceed the volume of the reaction mixture in order to minimize the loss of released heat. As a rule, the volume excess is 15-20%, which makes it possible to place inside a quartz tube (glass) with the reaction mixture, as well as means for loading, unloading, temperature control and ignition of the mixture.

Способ осуществляют следующим образом. Для получения необходимого результата в виде массивных слитков пористого никелида титана синтез проводят в закрытом реакторе, наполненном газовой средой, состав которой (20-30)%N2+(70-80)%Ar был подобран экспериментально. При этом используют аргон и азот технической чистоты, стандартные газовый редуктор, смеситель и ротаметры. Реактор представляет собой закрытый с торцов металлический цилиндр. Заполнение реактора газовой смесью проводят перед погружением в печь. Нагрев реактора с заготовкой осуществляют электрической печью сопротивления до температуры в диапазоне 350°C÷850°C в зависимости от массы, химического и гранулометрического состава реакционной смеси. Температуру начала синтеза для заготовок различной массы подбирают экспериментально, контролируя качество пористого сплава методами металлографии. При этом добиваются получения наиболее подходящего для медицинских имплантатов изотропного пористого сплава со средним размером пор 80–120 мкм, с наличием вторичных кристаллов Ti2Ni и без перитектического двухфазного слоя Ti2Ni–TiNi у поверхности пор. Уточненные таким путем значения температуры фиксируют в качестве рабочих параметров для конкретного гранулометрического состава и массы порошковой смеси и конкретной конструкции реактора. Начало синтеза инициируют электрической спиралью, непосредственно перед этим выключая нагрев печи. Охлаждение полученного изделия до комнатной температуры после прохождения синтеза осуществляют вместе с реактором и печью с целью увеличения времени отжига и его гомогенизирующего эффекта. Время охлаждения в зависимости от массы слитка составляет от 30 до 60 минут. The method is carried out as follows. To obtain the desired result in the form of massive ingots of porous titanium nickelide, synthesis is carried out in a closed reactor filled with a gaseous medium, the composition of which (20-30)% N2 + (70-80)% Ar was selected experimentally. In this case, argon and nitrogen of technical purity, standard gas reducer, mixer and rotameters are used. The reactor is a metal cylinder closed at the ends. Filling the reactor with a gas mixture is carried out before immersion in the furnace. The heating of the reactor with the workpiece is carried out by an electric resistance furnace to a temperature in the range of 350°C÷850°C, depending on the weight, chemical and granulometric composition of the reaction mixture. The temperature of the start of synthesis for workpieces of various masses is selected experimentally, controlling the quality of the porous alloy by metallographic methods. At the same time, it is achieved to obtain the most suitable isotropic porous alloy for medical implants with an average pore size of 80–120 μm, with the presence of secondary Ti2Ni crystals and without a peritectic two-phase Ti2Ni–TiNi layer at the pore surface. The temperatures thus refined are fixed as operating parameters for a particular particle size distribution and weight of the powder mixture and a particular reactor design. The beginning of the synthesis is initiated by an electric coil, immediately before turning off the heating of the furnace. Cooling of the resulting product to room temperature after synthesis is carried out together with the reactor and furnace in order to increase the annealing time and its homogenizing effect. The cooling time, depending on the mass of the ingot, is from 30 to 60 minutes.

Результаты микроскопического исследования структуры поверхностных слоев пористого сплава, полученного по известному способу и по предлагаемому способу, представлены на фиг. 2 и 7.The results of a microscopic study of the structure of the surface layers of the porous alloy obtained by the known method and the proposed method are shown in Fig. 2 and 7.

Образцы, полученные в открытом проточном реакторе (фиг. 2), имеют вдоль границ открытых пор двухфазные области перитектической кристаллизации, которые состоят из дендритов и междендритной фазы. Дендриты образованы зернами интерметаллического соединения TiNi, междендритная фаза образована интерметаллическим соединением Ti2Ni. Причиной образования приповерхностной зоны перитектической кристаллизации является тепло проточных реакционных газов, которые фильтруются через зону структурирования сплава. Под действием дополнительного тепла в ходе перитектической реакции развивается внутризеренная ликвация и формируется двухфазная дендритная зона TiNi–Ti2Ni, где пластичные зерна TiNi окружены хрупкой фазой Ti2Ni. Рядом с перитектической зоной находится зона кристаллизации пластичного твердого раствора TiNi, в зернах которого находится большое количество мелких включений вторичных фаз. Samples obtained in an open flow reactor (Fig. 2) have two-phase areas of peritectic crystallization along the boundaries of open pores, which consist of dendrites and an interdendritic phase. The dendrites are formed by grains of the TiNi intermetallic compound, and the interdendritic phase is formed by the Ti2Ni intermetallic compound. The reason for the formation of a near-surface zone of peritectic crystallization is the heat of flowing reaction gases, which are filtered through the zone of alloy structuring. Under the action of additional heat during the peritectic reaction, intragranular segregation develops and a two-phase dendritic zone TiNi–Ti2Ni is formed, where plastic TiNi grains are surrounded by a brittle Ti2Ni phase. Near the peritectic zone there is a zone of crystallization of a plastic TiNi solid solution, in the grains of which there are a large number of small inclusions of secondary phases.

Образцы, полученные в изолированном реакторе (фиг. 7), демонстрируют преимущество заявленного способа. При СВС в изолированном реакторе вдоль поверхности крупных открытых пор под действием тепла реакционных газов, циркулирующих в нагретой защитной атмосфере изолированного реактора, формируется зона вторичных кристаллов. Вторичные кристаллы Ti2Ni формируются путем перекристаллизации междендритной фазы Ti2Ni перитектического слоя. Дендриты из зерен TiNi перекристаллизуются в плотно упакованные вторичные зерна TiNi, которые визуально не отличаются от зерен в зоне твердого раствора сформированных первичной кристаллизацией.Samples obtained in an isolated reactor (Fig. 7) demonstrate the advantage of the claimed method. During SHS in an isolated reactor, a zone of secondary crystals is formed along the surface of large open pores under the action of the heat of the reaction gases circulating in the heated protective atmosphere of the isolated reactor. Secondary Ti2Ni crystals are formed by recrystallization of the Ti2Ni interdendritic phase of the peritectic layer. Dendrites from TiNi grains recrystallize into densely packed secondary TiNi grains, which are visually indistinguishable from grains in the solid solution zone formed by primary crystallization.

Количество тепла, сохраняющегося в изолированном реакторе, значительно больше, чем в проточном, и его хватает для перекристаллизации перитектических зон. При сравнении микрофотографий фиг. 2 и фиг. 7 видно, что при открытом синтезе междендритная фаза Ti2Ni является сплошной и занимает область шириной более 20 мкм. При закрытом синтезе скопления вторичных кристаллов фазы Ti2Ni находятся в эластичной матричной фазе TiNi, являются обособленными, имеют максимальные размеры не более 5 мкм. The amount of heat retained in an isolated reactor is much greater than in a flow reactor, and it is sufficient for the recrystallization of peritectic zones. When comparing the micrographs of Fig. 2 and FIG. It can be seen from Fig. 7 that, during open synthesis, the Ti2Ni interdendritic phase is continuous and occupies a region with a width of more than 20 μm. During closed synthesis, clusters of secondary crystals of the Ti2Ni phase are located in the elastic matrix phase of TiNi, are isolated, and have a maximum size of no more than 5 μm.

Поскольку фаза Ti2Ni в системе Ti–Ni является наиболее напряженной, хрупкой и склонной к растрескиванию, то вследствие ее перекристаллизации в скопления дисперсных кристаллов напряжения в поверхностной зоне пористых сплавов после закрытого синтеза становятся меньшими, чем в дендритной зоне после открытого синтеза. Таким образом, сплавы, полученные в изолированном реакторе, менее склонны к растрескиванию и более выносливы к циклическим нагрузкам.Since the Ti2Ni phase in the Ti–Ni system is the most stressed, brittle, and prone to cracking, due to its recrystallization into clusters of dispersed crystals, the stresses in the surface zone of porous alloys after closed synthesis become lower than in the dendritic zone after open synthesis. Thus, alloys produced in an insulated reactor are less prone to cracking and more resistant to cyclic loads.

Claims (1)

Способ получения пористого материала на основе никелида титана методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза, включающий помещение кварцевой трубы со смесью порошков никеля и титана в реактор, продуваемый инертным газом, предварительный подогрев, инициирование реакции СВС, последующее охлаждение и выгрузку целевого продукта, отличающийся тем, что реактор наполняют газовой смесью, состоящей из 20-30% азота и 70-80% аргона, с избыточным давлением 0,15±0,05 МПа, и изолируют реактор от внешней атмосферы на время проведения реакции, при этом объем реактора выбирают превышающим объем реакционной смеси на 15-20%.A method for producing a porous material based on titanium nickelide by the method of self-propagating high-temperature synthesis, including the placement of a quartz tube with a mixture of nickel and titanium powders into a reactor purged with an inert gas, preheating, initiation of the SHS reaction, subsequent cooling and unloading of the target product, characterized in that the reactor is filled with a gas mixture consisting of 20-30% nitrogen and 70- 80% argon, with an excess pressure of 0.15 ± 0.05 MPa, and isolate the reactor from the external atmosphere for the duration of the reaction, while the volume of the reactor is chosen to exceed the volume of the reaction mixture by 15-20%.
RU2021136329A 2021-12-09 2021-12-09 Method for obtaining porous material based on titanium nickelide by self-distributing high-temperature synthesis RU2771150C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2021136329A RU2771150C1 (en) 2021-12-09 2021-12-09 Method for obtaining porous material based on titanium nickelide by self-distributing high-temperature synthesis

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2021136329A RU2771150C1 (en) 2021-12-09 2021-12-09 Method for obtaining porous material based on titanium nickelide by self-distributing high-temperature synthesis

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2771150C1 true RU2771150C1 (en) 2022-04-27

Family

ID=81306457

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2021136329A RU2771150C1 (en) 2021-12-09 2021-12-09 Method for obtaining porous material based on titanium nickelide by self-distributing high-temperature synthesis

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2771150C1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2798496C1 (en) * 2022-10-21 2023-06-23 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский государственный университет" Method for producing porous alloy based on titanium nickelide

Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2001087370A1 (en) * 2000-05-19 2001-11-22 Vidam Technology Ltd. Porous nickel-titanium structure used as a carrier for living cells
RU2190502C2 (en) * 2000-03-14 2002-10-10 Томский научный центр СО РАН Method of production of porous material on base of titanium nickelide for medicine
US6500557B1 (en) * 1993-09-24 2002-12-31 Ishizuka Research Institute, Ltd. Composite and method for producing the same
RU2310548C1 (en) * 2006-02-22 2007-11-20 Институт структурной макрокинетики и проблем материаловедения Российской Академии наук Method for producing porous materials on base of titanium nickelide
US7604870B2 (en) * 2003-08-08 2009-10-20 Nitinol Devices And Components, Inc. Biocompatible porous Ti-Ni material
RU2593255C1 (en) * 2015-04-08 2016-08-10 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский государственный университет" (ТГУ) Method of producing of molded articles from titanium nickelide-based alloy
RU2687386C1 (en) * 2018-11-26 2019-05-13 Сергей Геннадьевич Аникеев Method of producing porous alloy based on titanium nickelide
RU2732716C1 (en) * 2020-06-01 2020-09-22 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Национальный исследовательский Томский государственный университет» Method of producing porous material based on titanium nickelide

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6500557B1 (en) * 1993-09-24 2002-12-31 Ishizuka Research Institute, Ltd. Composite and method for producing the same
RU2190502C2 (en) * 2000-03-14 2002-10-10 Томский научный центр СО РАН Method of production of porous material on base of titanium nickelide for medicine
WO2001087370A1 (en) * 2000-05-19 2001-11-22 Vidam Technology Ltd. Porous nickel-titanium structure used as a carrier for living cells
US7604870B2 (en) * 2003-08-08 2009-10-20 Nitinol Devices And Components, Inc. Biocompatible porous Ti-Ni material
RU2310548C1 (en) * 2006-02-22 2007-11-20 Институт структурной макрокинетики и проблем материаловедения Российской Академии наук Method for producing porous materials on base of titanium nickelide
RU2593255C1 (en) * 2015-04-08 2016-08-10 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский государственный университет" (ТГУ) Method of producing of molded articles from titanium nickelide-based alloy
RU2687386C1 (en) * 2018-11-26 2019-05-13 Сергей Геннадьевич Аникеев Method of producing porous alloy based on titanium nickelide
RU2732716C1 (en) * 2020-06-01 2020-09-22 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Национальный исследовательский Томский государственный университет» Method of producing porous material based on titanium nickelide

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
ИТИН В.И. и др. СВС сплавов с памятью формы. Самораспространяющийся высокотемпературный синтез. Томск, 1991, с.124-132. *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2798496C1 (en) * 2022-10-21 2023-06-23 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский государственный университет" Method for producing porous alloy based on titanium nickelide

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Gao et al. Effect of δ phase on high temperature mechanical performances of Inconel 718 fabricated with SLM process
Zhao et al. Microstructure and tensile fracture behavior of three-stage heat treated inconel 718 alloy produced via laser powder bed fusion process
Senkov et al. Microstructure and elevated temperature properties of a refractory TaNbHfZrTi alloy
US7115175B2 (en) Modified advanced high strength single crystal superalloy composition
EP0118380B1 (en) Microstructural refinement of cast metal
Novák et al. Effect of SHS conditions on microstructure of NiTi shape memory alloy
Dobbelstein et al. Laser metal deposition of refractory high-entropy alloys for high-throughput synthesis and structure-property characterization
JP2005530046A (en) Creep-resistant magnesium alloy
Hosseini et al. Microstructural evolution in damaged IN738LC alloy during various steps of rejuvenation heat treatments
US4923513A (en) Titanium alloy treatment process and resulting article
Yan et al. Fabrication of highly compact Inconel 718 alloy by spark plasma sintering and solution treatment followed by aging
Tocci et al. Effect of a new high-pressure heat treatment on additively manufactured AlSi10Mg alloy
Li et al. Microstructure and isothermal oxidation behavior of Nb-Ti-Si-based alloy additively manufactured by powder-feeding laser directed energy deposition
RU2771150C1 (en) Method for obtaining porous material based on titanium nickelide by self-distributing high-temperature synthesis
Korneva et al. The α↔ ω phase transformations and thermal stability of TiCo alloy treated by high pressure torsion
US4624714A (en) Microstructural refinement of cast metal
Perevoshchikova et al. The design of hot-isostatic pressing schemes for Ti–5Al–5Mo–5V–3Cr (Ti-5553)
Pushilina et al. Heat treatment of the Ti-6Al-4V alloy manufactured by electron beam melting
Samuel et al. Foundry aspects of particulate reinforced aluminum MMCs: factors controlling composite quality
MXPA01001953A (en) Modified nickel-chromium-aluminum-iron alloy.
Hutasoit et al. Tensile properties of vacuum heat-treated Ti6Al4V alloy processed by selective laser melting
Kollerov et al. Effect of heat treatment and diffusion welding conditions on the structure and properties of porous material workpieces made of titanium fibers
JP2010255023A (en) Method for manufacturing strengthened alloy
Zhang The microstructure and properties of powder HIPped nickel-based superalloy CM247LC
de Luca et al. Influence of build orientation on high temperature fatigue crack growth mechanisms in Inconel 718 fabricated by laser powder bed fusion: Effects of temperature and hold time