RU2777089C2 - Three-component alloys ti-zr-o, their production methods and their corresponding applications - Google Patents

Three-component alloys ti-zr-o, their production methods and their corresponding applications Download PDF

Info

Publication number
RU2777089C2
RU2777089C2 RU2020116671A RU2020116671A RU2777089C2 RU 2777089 C2 RU2777089 C2 RU 2777089C2 RU 2020116671 A RU2020116671 A RU 2020116671A RU 2020116671 A RU2020116671 A RU 2020116671A RU 2777089 C2 RU2777089 C2 RU 2777089C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
alloy
oxygen
zirconium
titanium
paragraphs
Prior art date
Application number
RU2020116671A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2020116671A3 (en
RU2020116671A (en
Inventor
Фредерик ПРИМА
Стефани ДЕЛАННУА
Original Assignee
Пари Сьёнсес Е Летрес
Сантр Насьональ Де Ла Решерш Сьянтифик
Биотек Данталь
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
Priority claimed from EP17202971.2A external-priority patent/EP3489375B1/en
Application filed by Пари Сьёнсес Е Летрес, Сантр Насьональ Де Ла Решерш Сьянтифик, Биотек Данталь filed Critical Пари Сьёнсес Е Летрес
Publication of RU2020116671A publication Critical patent/RU2020116671A/en
Publication of RU2020116671A3 publication Critical patent/RU2020116671A3/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2777089C2 publication Critical patent/RU2777089C2/en

Links

Images

Abstract

FIELD: metallurgy.
SUBSTANCE: invention relates to the field of metallurgy, namely to a three-component alloy of titanium-zirconium-oxygen; it can be used in medicine, in the transport industry, or in the energy industry. The three-component alloy of titanium-zirconium-oxygen (Ti-Zr-O) contains from 83 to 95.15 wt.% of titanium, from 4.5 to 15 wt.% of zirconium, and from 0.35 to 2 wt.% of oxygen, wherein it is capable of forming single-phase material consisting of a stable and homogenous α-solid solution with a structure of a hexagonal tightly packed (HTP) grate at a room temperature. A method for thermomechanical processing of the alloy of titanium-zirconium-oxygen (Ti-Zr-O) includes cold processing of the alloy in a recrystallized state at a room temperature with a pressing degree from 40 to 90%. In addition, thermal processing can be conducted at a temperature from 500 to 650°C during a time from 1 to 10 min.
EFFECT: high values of strength and plasticity of an alloy are provided, as well as excellent biocompatibility of the alloy.
14 cl, 7 dwg

Description

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИFIELD OF TECHNOLOGY

[0001] Изобретение относится к области сплавов на основе титана и более конкретно к трехкомпонентным сплавам такого типа. Изобретение относится к титано-циркониево-кислородным сплавам, а также к способам их получения и их термомеханической обработке.[0001] The invention relates to the field of titanium-based alloys and more specifically to three-component alloys of this type. The invention relates to titanium-zirconium-oxygen alloys, as well as methods for their production and their thermomechanical processing.

ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИPRIOR ART

[0002] Титан и его сплавы были предметом особого внимания из-за своих механических и биомеханических свойств, особенно из-за их высокой механической прочности, устойчивости к коррозии, а также биосовместимости.[0002] Titanium and its alloys have been the subject of particular attention due to their mechanical and biomechanical properties, especially their high mechanical strength, corrosion resistance, and biocompatibility.

[0003] Статья «The effect of the solute on the structure, selected mechanical properties, and biocompatibility of Ti-Zr system alloys for dental applications)), опубликованная в журнале «Materials Science and Engineering C», 28 сентября 2013 г, стр. 354-359, раскрывает влияние концентрации циркония на свойства сплавов Ti-Zr и особо отмечает отсутствие цитотоксичности, отмеченное при использовании таких элементов.[0003] Materials Science and Engineering C, September 28, 2013, p. 354-359 discloses the effect of zirconium concentration on the properties of Ti-Zr alloys and specifically notes the lack of cytotoxicity noted with such elements.

[0004] Кроме того, статья «Mechanical properties of the binary titanium-zirconium alloys and their potential for biomedical materials », опубликованная в «Journal of Biomedical Materials Research)), volume 29, pages 943-950, в 1995 году, дает представление о состоянии на тот момент исследований механических свойств титан-циркониевых сплавов и их возможном применении в качестве биомедицинского материала.[0004] In addition, the article "Mechanical properties of the binary titanium-zirconium alloys and their potential for biomedical materials", published in the "Journal of Biomedical Materials Research)), volume 29, pages 943-950, in 1995, gives an idea on the state of research at that time on the mechanical properties of titanium-zirconium alloys and their possible application as a biomedical material.

[0005] Кроме того, известен документ FR 3037945, раскрывающий способ получения титан-циркониевого композитного материала, более конкретно в котором исходным материалом является порошок диоксида циркония в нанометрическом масштабе, путем аддитивного изготовления, такой процесс обеспечивает правильный контроль геометрии, пористости и взаимосвязанности; по этой причине он и был выбран. Полученный продукт на самом деле представляет собой композитный материал с металлической матрицей и керамическим армированием (частицы оксидов). Он предпочтительно применяется в качестве зубного и/или хирургического имплантата. Такой сплав, однако, не отвечает всем требованиям, предъявляемым в данной области применения. Как более подробно объясняется ниже, используемые исходные материалы, раскрытый способ и полученный в итоге материал отличаются от цели настоящего изобретения.[0005] In addition, document FR 3037945 is known, disclosing a method for producing a titanium-zirconium composite material, more specifically in which the starting material is nanometer-scale zirconia powder, by additive manufacturing, such a process provides the correct control of geometry, porosity and interconnectedness; for this reason he was chosen. The resulting product is actually a composite material with a metal matrix and ceramic reinforcement (oxide particles). It is preferably used as a dental and/or surgical implant. Such an alloy, however, does not meet all the requirements for this application. As explained in more detail below, the starting materials used, the disclosed method and the resulting material differ from the purpose of the present invention.

[0006] Наиболее часто используемым сплавом в зубной имплантологии является TA6V (фактически Ti-6Al-4V в мас. %), состав которого включает алюминий и ванадий, о токсичности при длительном применении которых все чаще подозревают в научных кругах и службах общественного здравоохранения. На тот момент времени такой сплав был выбран из-за интересного сочетания его механических свойств. Спустя какое-то время в свете накопленного практического опыта такой сплав стал вызывать недоверие у производителей имплантатов, которые в настоящее время хотят его заменить.[0006] The most commonly used alloy in dental implantology is TA6V (actually Ti-6Al-4V in wt %), which composition includes aluminum and vanadium, the long-term toxicity of which is increasingly suspected in the scientific community and public health services. At that time, such an alloy was chosen because of the interesting combination of its mechanical properties. After some time, in the light of accumulated practical experience, such an alloy began to cause distrust among implant manufacturers, who now want to replace it.

[0007] Известен также патент ЕР 0988067 В1, раскрывающий двухкомпонентный титан-циркониевый сплав, содержащий оба указанных компонента сплава, а также до 0,5 мас. % гафния, причем гафний представляет собой примесь, содержащуюся в цирконии. Такой сплав содержит приблизительно 15 мас. % циркония, и содержание кислорода составляет от 0,25 до 0,35 мас. %. Имплантаты, изготовленные из такого сплава, обладают хорошими механическими свойствами, однако не превосходящими такие свойства сплава TA6V.[0007] Patent EP 0988067 B1 is also known, disclosing a two-component titanium-zirconium alloy containing both of these alloy components, as well as up to 0.5 wt. % hafnium, and hafnium is an impurity contained in zirconium. This alloy contains approximately 15 wt. % zirconium, and the oxygen content is from 0.25 to 0.35 wt. %. Implants made from this alloy have good mechanical properties, but are not superior to those of the TA6V alloy.

[0008] Кроме того, используется коммерчески чистый титан класса 3 или 4, обогащенный кислородом до 0,35%. Такой материал является идеально биосовместимым, но его механические свойства остаются недостаточными. Более конкретно, можно отметить, что механическая прочность титана такого типа ниже по меньшей мере на 300 МПа, чем у TA6V. В последнее время, механическая прочность чистого титана была дополнительно улучшена путем работы с холоднообработанным материалом, приводящей к дополнительному упрочнению. Механическая прочность материала такого типа улучшена по сравнению с промышленным отожженным титаном. Однако такой результат достигается в ущерб его пластичности.[0008] In addition, commercially pure grade 3 or 4 titanium enriched in oxygen to 0.35% is used. Such a material is ideally biocompatible, but its mechanical properties remain insufficient. More specifically, it can be noted that the mechanical strength of this type of titanium is at least 300 MPa lower than that of TA6V. Recently, the mechanical strength of pure titanium has been further improved by working with cold-worked material resulting in additional hardening. The mechanical strength of this type of material is improved compared to industrial annealed titanium. However, this result is achieved at the expense of its plasticity.

[0009] В настоящее время представляется важным создать альтернативные сплавы, обладающие как оптимизированной биосовместимостью, так и сочетанием механических свойств, превосходящих свойства известных материалов. Кроме того, желателен простой способ получения.[0009] At present, it seems important to create alternative alloys that have both optimized biocompatibility and a combination of mechanical properties that are superior to those of known materials. In addition, a simple production method is desirable.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯBRIEF DESCRIPTION OF THE INVENTION

[0010] Изобретение направлено на устранение недостатков уровня техники и конкретно на создание сплава, сочетающего превосходную биосовместимость и сопряженные свойства высокой механической прочности и высокой пластичности.[0010] the Invention is directed to eliminate the disadvantages of the prior art and specifically to provide an alloy that combines excellent biocompatibility and coupled properties of high mechanical strength and high ductility.

[0011] Для этой цели и в соответствии с первым аспектом изобретения предложен трехкомпонентный сплав титан-цирконий-кислород (Ti-Zr-O), который содержит от 83 до 95,15 мас. % титана, от 4,5 до 15 мас. %. циркония и от 0,35 до 2 мас. % кислорода, причем указанный сплав способен образовывать однофазный материал, состоящий из стабильного и гомогенного α-твердого раствора гексагональной плотноупакованной (ГПУ) структуры, при комнатной температуре.[0011] For this purpose and in accordance with the first aspect of the invention proposed a three-component titanium-zirconium-oxygen (Ti-Zr-O) alloy, which contains from 83 to 95.15 wt. % titanium, from 4.5 to 15 wt. %. zirconium and from 0.35 to 2 wt. % oxygen, and said alloy is capable of forming a single-phase material consisting of a stable and homogeneous α-solid solution of a hexagonal close-packed (hcp) structure at room temperature.

[0012] Другими словами, изобретение относится к новому семейству трехкомпонентных сплавов, где кислород рассматривается как полноценный элемент сплава, т.е. добавляется контролируемым образом; такие сплавы на основе титана типа Ti-Zr-O, имеющие высокое содержание кислорода (более 0,35 мас. %), сочетают превосходную биосовместимость с сопряженными свойствами высокой прочности и высокой пластичности. Кислород в этом случае умышлено добавляют контролируемым образом, чтобы получить трехкомпонентный сплав Ti-Zr-O, образующий стабильный и гомогенный α-твердый раствор при комнатной температуре. В этом сплаве кислород является полноценным элементом сплава в том смысле, что он не рассматривается в качестве примеси, как может быть в случае предшествующего уровня техники. Согласно изобретению кислород добавляют в ходе твердофазного процесса, то есть с использованием порошковых частиц оксидов TiO2 или ZrO2 в контролируемых количествах, в способе получения путем плавления сплава.[0012] In other words, the invention relates to a new family of three-component alloys, where oxygen is considered as a full element of the alloy, i.e. added in a controlled manner; such titanium-based alloys of the Ti-Zr-O type having a high oxygen content (greater than 0.35 wt %) combine excellent biocompatibility with the associated properties of high strength and high ductility. Oxygen in this case is deliberately added in a controlled manner to obtain a ternary Ti-Zr-O alloy forming a stable and homogeneous α-solid solution at room temperature. In this alloy, oxygen is a true element of the alloy in the sense that it is not considered as an impurity, as may be the case in the prior art. According to the invention, oxygen is added during a solid phase process, ie using powder particles of TiO 2 or ZrO 2 oxides in controlled amounts, in a production method by melting an alloy.

[0013] Более конкретно, в случае сплава, содержащего 0,60% кислорода и 4,5% циркония, сплав в соответствии с настоящим изобретением может иметь в рекристаллизованном состоянии механическую прочность приблизительно 900 МПа, ассоциированную с пластичностью более 30%; это превосходит свойства известного сплава TA6V.[0013] More specifically, in the case of an alloy containing 0.60% oxygen and 4.5% zirconium, the alloy in accordance with the present invention may have, in a recrystallized state, a mechanical strength of approximately 900 MPa associated with a ductility of more than 30%; this surpasses the properties of the known TA6V alloy.

[0014] Преимущественно, трехкомпонентные сплавы семейства Ti-Zr-O являются однофазными материалами независимо от температуры (вплоть до температур, близких к температуре бета-перехода). Как следствие, материалы по изобретению не очень чувствительны с точки зрения градиентов микроструктур. Таким образом, ожидается уменьшение дисперсии в отношении свойств конечного продукта; и более того, он является предпочтительно биосовместимым.[0014] Advantageously, the ternary alloys of the Ti-Zr-O family are single-phase materials regardless of temperature (up to temperatures close to the beta transition temperature). As a consequence, the materials of the invention are not very sensitive in terms of microstructure gradients. Thus, a decrease in dispersion is expected with respect to the properties of the final product; and moreover, it is preferably biocompatible.

[0015] Изобретение дополнительно относится к способу термомеханической обработки для получения трехкомпонентного сплава Ti-Zr-O. Изобретение предлагает способ получения трехкомпонентного сплава Ti-Zr-O, в котором исходным продуктом является указанный сплав в рекристаллизованном состоянии, который затем на первом этапе подвергают холодной обработке при комнатной температуре, чтобы повысить его механическую прочность. Ожидается увеличение прочности примерно на 30% в сочетании с потерей пластичности. «Комнатная температура» означает температуру около 25°С.[0015] The invention further relates to a thermomechanical processing method for producing a ternary Ti-Zr-O alloy. The invention proposes a method for producing a three-component Ti-Zr-O alloy, in which the starting product is the specified alloy in a recrystallized state, which is then subjected to cold working at room temperature in the first stage in order to increase its mechanical strength. An increase in strength of about 30% is expected, combined with a loss of ductility. "Room temperature" means a temperature of about 25°C.

[0016] Предпочтительно холодная обработка заключается в холодной прокатке.[0016] Preferably, the cold working is cold rolling.

[0017] Затем во время этапа холодной обработки (например, холодной прокатки) предпочтительно используют степень обжатия от 40 до 90%.[0017] A reduction ratio of 40% to 90% is preferably used during the cold working step (eg, cold rolling).

[0018] Кроме того, способ направлен на выполнение второго этапа, то есть термической обработки, которая заключается в нагревании подвергнутого холодной обработке сплава при температуре от 500 до 650°С в течение времени от 1 до 10 минут, чтобы восстановить пластичность указанного сплава при ограничении уменьшения его механической прочности. Цель состоит в том, чтобы сохранить высокий уровень механической прочности.[0018] In addition, the method is directed to performing the second step, i.e. heat treatment, which consists in heating the cold-worked alloy at a temperature of from 500 to 650°C for a time of 1 to 10 minutes in order to restore the ductility of the specified alloy while limiting decrease in its mechanical strength. The goal is to maintain a high level of mechanical strength.

[0019] Термическая обработка на втором этапе в контексте данного описания также называется «мгновенная обработка».[0019] The heat treatment in the second step is also referred to as "instant treatment" in the context of this description.

[0020] Более конкретно, сплавы согласно изобретению после соответствующей термомеханической обработки имеют предел текучести больше или равный 800 МПа.[0020] More specifically, the alloys according to the invention, after appropriate thermomechanical treatment, have a yield strength greater than or equal to 800 MPa.

[0021] Кроме того, сплавы согласно изобретению после соответствующей термомеханической обработки имеют предел прочности при растяжении (UTS) около или больше 900 МПа.[0021] In addition, the alloys according to the invention, after appropriate thermomechanical treatment, have a tensile strength (UTS) of about or greater than 900 MPa.

[0022] Сплавы согласно изобретению после соответствующей термомеханической обработки имеют общую пластичность около 15% или больше.[0022] The alloys of the invention, after appropriate thermomechanical treatment, have an overall ductility of about 15% or more.

[0023] Кроме того, изобретение относится к применению такого сплава в медицинской, транспортной или энергетической областях. Изобретение предпочтительно применяют для производства зубных имплантатов. Другие применения являются возможными и перспективными в области ортопедии; преимущества изобретения могут быть использованы в челюстно-лицевой хирургии, производстве различных медицинских устройств, а также в транспортной промышленности, более конкретно аэрокосмическая промышленность, и энергетика, в частности, но не исключительно, в области ядерных исследований или химии в широком смысле, могут найти применение для настоящего изобретения.[0023] In addition, the invention relates to the use of such an alloy in the medical, transport or energy fields. The invention is preferably applied to the production of dental implants. Other applications are possible and promising in the field of orthopedics; the advantages of the invention can be used in maxillofacial surgery, the production of various medical devices, as well as in the transport industry, more specifically the aerospace industry, and energy, in particular, but not exclusively, in the field of nuclear research or chemistry in a broad sense, can find application for the present invention.

[0024] Изобретение дополнительно направлено на аддитивное производство сплавов, поскольку сплавы согласно изобретению не подвержены часто наблюдаемым градиентам микроструктур, поскольку они являются однофазными и гомогенными с точки зрения микроструктуры и химии.[0024] The invention is further directed to the additive manufacturing of alloys, since the alloys of the invention are not subject to the often observed microstructural gradients, as they are single-phase and homogeneous in terms of microstructure and chemistry.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВBRIEF DESCRIPTION OF GRAPHICS

[0025] Дополнительные характеристики и преимущества изобретения станут понятны при прочтении следующего описания, составленного со ссылкой на прилагаемые фигуры, на которых показано:[0025] Additional features and advantages of the invention will become apparent upon reading the following description, made with reference to the accompanying figures, which show:

- на фиг. 1 схематически показана основная структура трехкомпонентного сплава Ti-Zr-O в соответствии с первым вариантом осуществления изобретения;- in Fig. 1 schematically shows the basic structure of a ternary Ti-Zr-O alloy according to the first embodiment of the invention;

- на фиг. 2 показан способ термомеханической обработки, используемый для модификации свойств трехкомпонентного сплава, в соответствии с другим вариантом осуществления изобретения;- in Fig. 2 shows a thermomechanical processing method used to modify the properties of a ternary alloy, in accordance with another embodiment of the invention;

- на фиг. 3 показаны кривые, демонстрирующие влияние кислорода на механические свойства рекристаллизованных сплавов в соответствии с изобретением;- in Fig. 3 shows curves showing the effect of oxygen on the mechanical properties of recrystallized alloys according to the invention;

- на фиг. 4 показаны кривые, демонстрирующие влияние циркония на механические свойства рекристаллизованных сплавов в соответствии с изобретением;- in Fig. 4 shows curves showing the effect of zirconium on the mechanical properties of recrystallized alloys according to the invention;

- на фиг. 5 показано влияние термомеханической обработки (включая уменьшение толщины на 85%) на механические свойства сплава в соответствии с изобретением;- in Fig. 5 shows the effect of thermomechanical treatment (including 85% thickness reduction) on the mechanical properties of an alloy according to the invention;

- на фиг. 6 показано влияние термомеханической обработки (включая уменьшение толщины на 40%) на механические свойства сплава в соответствии с изобретением; и- in Fig. 6 shows the effect of thermomechanical treatment (including a 40% reduction in thickness) on the mechanical properties of an alloy according to the invention; and

- на фиг. 7 сравнивают механические свойства трехкомпонентных сплавов Ti-Zr-O, полученных в соответствии с изобретением, со свойствами эталонных сплавов.- in Fig. 7 compares the mechanical properties of the ternary Ti-Zr-O alloys produced in accordance with the invention with those of reference alloys.

[0026] Для большей ясности идентичные или похожие признаки обозначены одинаковыми ссылочными символами на всех фигурах.[0026] For greater clarity, identical or similar features are indicated by the same reference symbols throughout the figures.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯDETAILED DESCRIPTION OF CARRYING OUT THE INVENTION

[0027] На фиг. 1 схематически показана основная структура трехкомпонентного сплава в соответствии с изобретением, полученного путем отверждения твердого раствора. Отверждение сплава согласно изобретению в рекристаллизованном состоянии происходит в результате отверждения твердого раствора замещения (Zr) и внедрения (О). Что касается занятых центров, можно заметить, что в таком твердом растворе атомы циркония занимают положения Ti в решетке (положения замещения), и атомы кислорода занимают положения внедрения (между атомами гексагональной решетки). Согласно этой схеме кислород представляет собой упрочняющий элемент со свойствами элемента внедрения, и цирконий является упрочняющим элементом со свойствами элемента замещения.[0027] FIG. 1 schematically shows the basic structure of a ternary alloy according to the invention obtained by solid solution solidification. The solidification of the alloy according to the invention in the recrystallized state occurs as a result of solid solution solidification of substitution (Zr) and interstitial (O). As for the occupied sites, it can be seen that in such a solid solution, the zirconium atoms occupy Ti positions in the lattice (substitution positions) and the oxygen atoms occupy interstitial positions (between the atoms of the hexagonal lattice). According to this scheme, oxygen is a reinforcing element with the properties of an interstitial element, and zirconium is a reinforcing element with the properties of a replacement element.

[0028] Изобретение основано на желаемом и исключительном добавлении полностью биосовместимых легирующих элементов, обладающих высокой способностью упрочнения твердого раствора. Выбор циркония обусловлен его способностью образовывать гомогенный твердый раствор с титаном при любой температуре. Диапазон в композиции (от 4,5 до 15 мас. % циркония) выбирали таким образом, чтобы сохранить сплав, обогащенный титаном, с целью оптимизации стоимости сплавов. Выбор кислорода в качестве полноценного элемента сплава связан с его очень высокой способностью отверждать материал. Обычно он присутствует в коммерчески доступных материалах только в количествах, не превышающих 0,35% (мас. %).[0028] The invention is based on the desirable and exclusive addition of fully biocompatible alloying elements with high solid solution strengthening capability. The choice of zirconium is due to its ability to form a homogeneous solid solution with titanium at any temperature. The range in the composition (from 4.5 to 15 wt.% zirconium) was chosen so as to keep the titanium-rich alloy in order to optimize the cost of the alloys. The choice of oxygen as a valuable element of the alloy is associated with its very high ability to cure the material. Usually it is present in commercially available materials only in amounts not exceeding 0.35% (wt.%).

[0029] В противоположность этому и без каких-либо предубеждений, в семействе сплавов согласно изобретению кислород добавляют в большом количестве (от 0,35 до 2%) и контролируемым образом в виде твердофазной добавки выбранного количества TiO2 или ZrO2, чтобы после завершения плавления получить твердый раствор гомогенный с точки зрения его состава и богатый кислородом. Полученный материал является однофазным, с альфа-фазой, при любой температуре (вплоть до температур, близких к температуре бета-перехода).[0029] In contrast, and without any prejudice, in the family of alloys according to the invention, oxygen is added in a large amount (from 0.35 to 2%) and in a controlled manner in the form of a solid phase additive of a selected amount of TiO 2 or ZrO 2 so that after completion melting to obtain a solid solution homogeneous in terms of its composition and rich in oxygen. The resulting material is single-phase, with an alpha phase, at any temperature (up to temperatures close to the temperature of the beta transition).

[0030] Кроме того, как показано на фиг. 2, термомеханическая обработка может быть использована для достижения оптимизированного микроструктурного состояния. Предлагается инновационная последовательность или серия термомеханических обработок сплавов в соответствии с изобретением, чтобы получить более существенное упрочнение. Способ включает несколько этапов, один из которых представляет собой термическую обработку, которая должна быть короткой (от 1 до 10 минут), чтобы получить восстановленное и не рекристаллизованное состояние. В соответствии с такой обработкой исходный материал находится в рекристаллизованном состоянии (этап 1), затем выполняется холодная обработка (например, холодная прокатка) при комнатной температуре (этап 2). Степень обжатия может составлять от 40 до 90% в зависимости от рассматриваемого сплава; такой этап способа позволяет повысить механическую прочность материала. Затем предпочтительно выполняют короткую, так называемую мгновенную, термическую обработку (3), которая заключается в нагревании до температуры от 500 до 650°С в течение периода времени от одной до десяти минут. Так называемая «мгновенная» термическая обработка позволяет частично восстановить пластичность при сохранении механической прочности выше, чем у исходного рекристаллизованного состояния. Материал, таким образом, сохраняет высокую механическую прочность и восстанавливает пластичность, потерянную, когда металл подвергали холодной обработке.[0030] In addition, as shown in FIG. 2, thermomechanical processing can be used to achieve an optimized microstructural state. An innovative sequence or series of thermomechanical treatments of alloys in accordance with the invention is proposed in order to obtain a more significant hardening. The method includes several steps, one of which is a heat treatment, which must be short (1 to 10 minutes) to obtain a reduced and non-recrystallized state. According to such processing, the raw material is in a recrystallized state (step 1), then cold working (eg, cold rolling) is performed at room temperature (step 2). The reduction ratio can be from 40 to 90% depending on the alloy in question; this stage of the method allows to increase the mechanical strength of the material. Then, preferably, a short, so-called flash heat treatment (3) is carried out, which consists in heating to a temperature of 500 to 650° C. for a period of time from one to ten minutes. The so-called "instantaneous" heat treatment makes it possible to partially restore ductility while maintaining mechanical strength higher than that of the initial recrystallized state. The material thus retains high mechanical strength and regains the ductility lost when the metal was cold worked.

[0031] Таким образом, изобретение предлагает решение, относящееся к трехкомпонентному сплаву, содержащему исключительно однофазный, с альфа-фазой, и полностью гомогенный твердый раствор, т.е. без преципитатов другой дополнительной фазы.[0031] Thus, the invention provides a solution relating to a three-component alloy containing an exclusively single-phase, alpha-phase, and completely homogeneous solid solution, i.e. without precipitates of another additional phase.

[0032] Рассматривались различные режимы отверждения были с целью получить все указанные характеристики, путем изменения количества циркония и кислорода соответственно.[0032] Various curing modes were considered in order to obtain all of these characteristics, by changing the amount of zirconium and oxygen, respectively.

[0033] Как показано на фиг. 3 и 4 соответственно, эффект упрочнения растворенным веществом, то есть с применением твердого раствора, можно обнаружить путем проведения механических испытаний новых сплавов на растяжение в рекристаллизованном состоянии. Можно отметить увеличение механической прочности сплава как после добавления кислорода (фиг.3), так и после добавления циркония (фиг. 4).[0033] As shown in FIG. 3 and 4, respectively, the effect of solute hardening, that is, using a solid solution, can be detected by performing mechanical tensile tests of new alloys in the recrystallized state. An increase in the mechanical strength of the alloy can be noted both after the addition of oxygen (Fig. 3) and after the addition of zirconium (Fig. 4).

[0034] Четыре кривые на фиг. 3, которые показывают зависимость напряжения от относительного удлинения (или растяжения) рассматриваемого сплава, получены для сплавов, содержащих 4,5% циркония и содержанием кислорода соответственно 0,35% на кривой А, 0,40% на кривой В, 0,60% на кривой С и 0,80% на кривой D.[0034] The four curves in FIG. 3, which show the dependence of stress on the relative elongation (or tension) of the alloy in question, obtained for alloys containing 4.5% zirconium and an oxygen content of 0.35%, respectively, on curve A, 0.40% on curve B, 0.60% on curve C and 0.80% on curve D.

[0035] Три кривые на фигуре 4, которые показывают зависимость напряжения от относительного удлинения (или растяжения) рассматриваемого сплава, получены для сплавов, содержащих 0,40% кислорода и содержанием циркония соответственно 4,5% на кривой В и 9% на кривой С. Сплав, соответствующий кривой А, не содержит циркония.[0035] The three curves in figure 4, which show the dependence of stress on the elongation (or stretch) of the alloy in question, were obtained for alloys containing 0.40% oxygen and a zirconium content of 4.5% in curve B and 9% in curve C, respectively. The alloy corresponding to curve A does not contain zirconium.

[0036] Пластичность в рекристаллизованном состоянии остается очень высокой в рассматриваемом диапазоне состава по сравнению, например, с пластичностью коммерчески доступного чистого титана (около 20%).[0036] The ductility in the recrystallized state remains very high in the considered composition range compared to, for example, the ductility of commercially available pure titanium (about 20%).

[0037] На фиг. 5 показано дополнительное влияние различных этапов в последовательности термомеханических обработок на 0,4% O - 4,5% Zr сплав. Более конкретно, исходное состояние представляет собой рекристаллизованный сплав, как показано на кривой А. Этот сплав обладает высокой пластичностью, выше 25%, но относительно низкой механической прочностью, составляющей приблизительно 700 МПа. Проведение холодной обработки (например, холодной прокатки) при комнатной температуре, например, с 85% уменьшением толщины (TR), позволяет значительно повысить механическую прочность, но, в свою очередь, значительно снижает пластичность. Кривая В показывает такое характеристическое состояние. Кривая С показывает состояние сплава после последующего применения мгновенной термической обработки такого деформированного состояния. Указанная термическая обработка позволяет частично восстановить пластичность при сохранении высокой механической прочности. Комбинированные конечные свойства, полученные для сплава, содержащего 0,4% О и 4,5% Zr (мас. %), после холодной прокатки и мгновенной обработки в течение 1 минуты и 30 секунд при 500°С, выше, чем свойства известного сплава TA6V. Что касается результатов, соответствующих кривой С, согласно изобретению можно отметить механическую прочность приблизительно 1100 МПа и пластичность порядка 15%. Как стало известно ранее, механическая прочность сплава TA6V составляет около 900 МПа, и ассоциированная пластичность составляет около 10%.[0037] FIG. 5 shows the additional effect of various steps in the thermomechanical treatment sequence on the 0.4% O-4.5% Zr alloy. More specifically, the initial state is a recrystallized alloy, as shown in curve A. This alloy has high ductility, above 25%, but relatively low mechanical strength of about 700 MPa. Performing cold working (eg cold rolling) at room temperature, eg with 85% reduction in thickness (TR), allows a significant increase in mechanical strength, but in turn significantly reduces ductility. Curve B shows such a characteristic state. Curve C shows the state of the alloy after subsequent application of flash heat treatment to such a deformed state. This heat treatment makes it possible to partially restore ductility while maintaining high mechanical strength. The combined final properties obtained for an alloy containing 0.4% O and 4.5% Zr (wt.%), after cold rolling and flash working for 1 minute and 30 seconds at 500°C, are higher than the properties of the known alloy TA6V. With regard to the results corresponding to curve C, according to the invention, a mechanical strength of approximately 1100 MPa and a ductility of the order of 15% can be noted. As previously known, the mechanical strength of the TA6V alloy is about 900 MPa and the associated ductility is about 10%.

[0038] На фиг. 6 показано влияние нескольких термомеханических обработок на 0,4% O - 9% Zr сплав. Кривая А демонстрирует механические свойства рекристаллизованного сплава, полученные после термической обработки при 750°С в течение 10 минут. Затем на указанном сплаве осуществляют уменьшение толщины (TR) на 40%. Кривая В относится к холоднокатаному состоянию. «Мгновенные» термические обработки применяют к этому холоднообработанному состоянию. Кривая С относится к материалу, который подвергали термической обработке при 500°С в течение 150 секунд; на кривой D показан материал, который подвергали термической обработке при 550°С в течение 60 секунд; и кривая Е относится к материалу, который подвергали термической обработке при 600°С в течение 90 секунд. Как рекристаллизованные, так и термически обработанные сплавы демонстрируют интересные механические свойства, сравнимые со свойствами известного сплава TA6V или превосходящие таковые.[0038] FIG. 6 shows the effect of several thermomechanical treatments on a 0.4% O-9% Zr alloy. Curve A shows the mechanical properties of the recrystallized alloy obtained after heat treatment at 750° C. for 10 minutes. Then, a thickness reduction (TR) of 40% is carried out on said alloy. Curve B refers to the cold rolled condition. "Flash" heat treatments are applied to this cold worked condition. Curve C refers to material that was heat treated at 500° C. for 150 seconds; curve D shows a material that has been heat treated at 550° C. for 60 seconds; and curve E refers to material that was heat treated at 600° C. for 90 seconds. Both recrystallized and heat treated alloys exhibit interesting mechanical properties comparable to or better than those of the known TA6V alloy.

[0039] На фиг. 7 показано превосходство нескольких сплавов согласно изобретению над двумя известными сплавами: TA6V и TA6V ELI. TA6V ELI в настоящее время используется в области медицины. ELI означает ультрамелкозернистый (Extra Low Interstitial). Характеристики TA6V показаны на верхнем прямоугольнике, тогда как характеристики TA6V ELI соответствуют нижнему прямоугольнику. Для каждого прямоугольника верхний уровень соответствует характерной механической прочности, и нижний уровень представляет собой характерный предел текучести. Ширина каждого прямоугольника, равная около 10%, соответствует пластичности соответствующего сплава. Четыре кривые на фиг.7 соответствуют сплавам согласно изобретению. Они имеют более высокие свойства, чем TA6V - Ti класс 5 - и TA6V ELI - Ti класс 23. Для подтверждения подписи к фиг.7, кривая А соответствует трехкомпонентному сплаву, содержащему 4,5% циркония и 0,4% кислорода, к которому применяют термическую обработку при 500°С в течение 90 секунд после уменьшения толщины (TR) на 85%. Кривая В описывает свойства сплава, содержащего 0,4% кислорода и 9% циркония, который подвергают термической обработке при 500°С в течение 150 секунд после уменьшения толщины на 40%; кривая С демонстрирует свойства сплава, содержащего 0,4% кислорода и 9% циркония, который подвергают термической обработке при 550°С в течение 60 секунд после уменьшения толщины на 40%. Кривая D получена для рекристаллизованного сплава, содержащего 0,4% кислорода и 9% циркония, это рекристаллизованное состояние получают с помощью термической обработки при 750°С в течение 10 минут после 40% уменьшения толщины (TR). Таким образом, кривая А на фиг. 7 представляет собой кривую, обозначенную как С на фиг.5. Таким образом, кривые В, С и D на фиг. 7 являются соответственно кривыми, обозначенными как С, D и А на фиг. 6.[0039] FIG. 7 shows the superiority of several alloys according to the invention over two known alloys: TA6V and TA6V ELI. TA6V ELI is currently used in the medical field. ELI stands for Extra Low Interstitial. The TA6V specifications are shown in the top rectangle, while the TA6V ELI specifications are shown in the bottom rectangle. For each rectangle, the top level corresponds to the characteristic mechanical strength and the bottom level represents the characteristic yield strength. The width of each rectangle, equal to about 10%, corresponds to the ductility of the corresponding alloy. The four curves in FIG. 7 correspond to the alloys according to the invention. They have higher properties than TA6V - Ti Grade 5 - and TA6V ELI - Ti Grade 23. To confirm the caption to Fig. 7, curve A corresponds to a three-component alloy containing 4.5% zirconium and 0.4% oxygen, to which apply heat treatment at 500°C for 90 seconds after reducing the thickness (TR) by 85%. Curve B describes the properties of an alloy containing 0.4% oxygen and 9% zirconium, which is heat treated at 500° C. for 150 seconds after a 40% reduction in thickness; curve C shows the properties of an alloy containing 0.4% oxygen and 9% zirconium, which is heat treated at 550° C. for 60 seconds after a 40% reduction in thickness. Curve D is obtained for a recrystallized alloy containing 0.4% oxygen and 9% zirconium, this recrystallized state is obtained by heat treatment at 750°C for 10 minutes after a 40% reduction in thickness (TR). Thus, curve A in Fig. 7 is the curve labeled C in FIG. Thus, curves B, C and D in FIG. 7 are respectively the curves labeled C, D and A in FIG. 6.

[0040] Что касается предпочтительного способа по изобретению, этап холодной обработки со степенью обжатия (или уменьшением толщины TR), равной 40% или более, выполняется на трехкомпонентном сплаве, как описано выше, и сопровождается этапом термической обработки при температуре от 500 до 650°С в течение периода от одной минуты до десяти минут.[0040] With regard to the preferred method of the invention, a cold working step with a reduction ratio (or reduction in thickness TR) of 40% or more is performed on a three-component alloy as described above, and is followed by a heat treatment step at a temperature of 500 to 650° C for a period of one minute to ten minutes.

[0041] Желаемое и умышленное присутствие контролируемого и высокого количества кислорода в таком трехкомпонентном сплаве делает такой сплав новым. Кроме того, это идет вразрез с предубеждениями, поскольку до настоящего времени присутствие кислорода было ограниченным или не контролируемым главным образом из-за примесей, присутствующих в исходном материале. Другими словами, количество кислорода, присутствующего в известных титановых сплавах, обычно ограничено содержанием менее 0,35 мас. % и, как правило, является результатом относительной примеси в используемых исходных материалах.[0041] The desired and intentional presence of a controlled and high amount of oxygen in such a ternary alloy makes such an alloy novel. In addition, this goes against the grain of prejudice, since until now the presence of oxygen has been limited or uncontrolled mainly due to the impurities present in the starting material. In other words, the amount of oxygen present in known titanium alloys is usually limited to less than 0.35 wt. % and is usually the result of relative impurity in the starting materials used.

[0042] Кроме того, сплавы согласно изобретению могут быть в форме массива или порошка. В случае формы массива сплавы согласно изобретению могут быть представлены в широком спектре продуктов, таких как слитки, бруски, проволоки, трубки, листы и пластины и так далее.[0042] In addition, the alloys of the invention may be in bulk or powder form. In the case of an array shape, the alloys according to the invention can be presented in a wide range of products such as ingots, bars, wires, tubes, sheets and plates, and so on.

[0043] Кроме того, сплавы согласно изобретению можно легко подвергнуть холодной обработке: например, из таких сплавов можно легко сформировать трубы. Это обусловлено уровнем пластичности сплавов согласно изобретению.[0043] In addition, the alloys according to the invention can be easily cold worked: for example, pipes can be easily formed from such alloys. This is due to the level of ductility of the alloys according to the invention.

Claims (16)

1. Трехкомпонентный сплав титан-цирконий-кислород (Ti-Zr-O), характеризующийся тем, что он содержит от 83 до 95,15 мас.% титана, от 4,5 до 15 мас.% циркония и от 0,35 до 2 мас.% кислорода, причем указанный сплав способен образовывать однофазный материал, состоящий из стабильного и гомогенного α-твердого раствора со структурой гексагональной плотноупакованной (ГПУ) решетки, при комнатной температуре.1. Three-component alloy titanium-zirconium-oxygen (Ti-Zr-O), characterized in that it contains from 83 to 95.15 wt.% titanium, from 4.5 to 15 wt.% zirconium and from 0.35 to 2 wt.% oxygen, and the specified alloy is able to form a single-phase material consisting of a stable and homogeneous α-solid solution with a hexagonal close-packed (hcp) lattice structure at room temperature. 2. Сплав по п. 1, характеризующийся тем, что он имеет предел текучести, больше или равный 800 МПа.2. An alloy according to claim 1, characterized in that it has a yield strength greater than or equal to 800 MPa. 3. Сплав по п. 1 или 2, характеризующийся тем, что он имеет предел прочности при растяжении (UTS), больше или равный 900 МПа.3. An alloy according to claim 1 or 2, characterized in that it has a tensile strength (UTS) greater than or equal to 900 MPa. 4. Сплав по любому из пп. 1-3, характеризующийся тем, что он имеет общую пластичность 15 % или больше.4. Alloy according to any one of paragraphs. 1-3, characterized in that it has an overall plasticity of 15% or more. 5. Сплав по любому из пп. 1-4, характеризующийся тем, что он относится к однофазному типу вплоть до температур, близких к температуре бета-перехода.5. Alloy according to any one of paragraphs. 1-4, characterized in that it belongs to the single-phase type up to temperatures close to the temperature of the beta transition. 6. Сплав по любому из пп. 1-5, характеризующийся тем, что он является биосовместимым.6. Alloy according to any one of paragraphs. 1-5, characterized in that it is biocompatible. 7. Сплав по п. 1, который имеет форму порошка.7. An alloy according to claim 1, which is in the form of a powder. 8. Способ термомеханической обработки трехкомпонентного сплава титан-цирконий-кислород (Ti-Zr-O) по любому из пп. 1-3, характеризующийся тем, что исходный продукт представляет собой трехкомпонентный сплав в рекристаллизованном состоянии, и тем, что его подвергают холодной обработке при комнатной температуре со степенью обжатия от 40 до 90 %.8. The method of thermomechanical processing of a three-component alloy titanium-zirconium-oxygen (Ti-Zr-O) according to any one of paragraphs. 1-3, characterized in that the initial product is a three-component alloy in a recrystallized state, and in that it is subjected to cold working at room temperature with a reduction ratio of 40 to 90%. 9. Способ термомеханической обработки трехкомпонентного сплава титан-цирконий-кислород (Ti-Zr-O) по любому из пп. 1-6, характеризующийся тем, что 9. The method of thermomechanical processing of a three-component alloy titanium-zirconium-oxygen (Ti-Zr-O) according to any one of paragraphs. 1-6, characterized in that - исходный продукт представляет собой трехкомпонентный сплав в рекристаллизованном состоянии, и тем, что его подвергают холодной обработке при комнатной температуре со степенью обжатия от 40 до 90 %, - the original product is a three-component alloy in a recrystallized state, and the fact that it is subjected to cold working at room temperature with a reduction ratio of 40 to 90%, - подвергнутый холодной обработке сплав подвергают термической обработке, заключающейся в нагревании сплава при температуре от 500 до 650°С в течение времени от 1 до 10 минут.the cold-worked alloy is subjected to a heat treatment consisting in heating the alloy at a temperature of 500 to 650° C. for a period of 1 to 10 minutes. 10. Способ по п. 8 или 9, характеризующийся тем, что холодная обработка заключается в холодной прокатке.10. Method according to claim 8 or 9, characterized in that the cold working consists of cold rolling. 11. Применение сплава титан-цирконий-кислород (Ti-Zr-O) по любому из пп. 1-7 в качестве материала для производства изделий медицины. 11. The use of an alloy of titanium-zirconium-oxygen (Ti-Zr-O) according to any one of paragraphs. 1-7 as a material for the production of medical products. 12. Применение сплава по п. 11, где изделие медицины представляет собой зубной имплантат.12. The use of an alloy according to claim 11, where the medical product is a dental implant. 13. Применение сплава титан-цирконий-кислород (Ti-Zr-O) по любому из пп. 1-7 в качестве материала для производства изделий для транспортной промышленности. 13. The use of an alloy of titanium-zirconium-oxygen (Ti-Zr-O) according to any one of paragraphs. 1-7 as a material for the production of products for the transport industry. 14. Применение сплава титан-цирконий-кислород (Ti-Zr-O) по любому из пп. 1-7 в качестве материала для производства изделий для энергетической промышленности.14. The use of an alloy of titanium-zirconium-oxygen (Ti-Zr-O) according to any one of paragraphs. 1-7 as a material for the production of products for the energy industry.
RU2020116671A 2017-11-22 2018-11-22 Three-component alloys ti-zr-o, their production methods and their corresponding applications RU2777089C2 (en)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EP17202971.2 2017-11-22
EP17202971.2A EP3489375B1 (en) 2017-11-22 2017-11-22 Ternary ti-zr-o alloys, methods for producing same and associated utilizations thereof
PCT/EP2018/082167 WO2019101839A1 (en) 2017-11-22 2018-11-22 Ternary ti-zr-o alloys, methods for producing same and associated utilizations thereof

Publications (3)

Publication Number Publication Date
RU2020116671A RU2020116671A (en) 2021-12-22
RU2020116671A3 RU2020116671A3 (en) 2022-03-01
RU2777089C2 true RU2777089C2 (en) 2022-08-01

Family

ID=

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20090139617A1 (en) * 1997-06-10 2009-06-04 Straumann Holding Ag Binary Titanium-Zirconium Alloy for Surgical Implants and a Suitable Manufacturing Process
JP2010189735A (en) * 2009-02-19 2010-09-02 Toyota Motor Corp Titanium alloy
CN101921929B (en) * 2010-09-02 2012-07-18 上海交通大学 Medicinal oxygen-containing beta titanium alloy for orthopedic implantation and preparation method thereof
US20140338795A1 (en) * 2011-11-10 2014-11-20 Institut National Des Sciences Appliquees De Rennes Method for manufacturing a titanium alloy for biomedical devices

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20090139617A1 (en) * 1997-06-10 2009-06-04 Straumann Holding Ag Binary Titanium-Zirconium Alloy for Surgical Implants and a Suitable Manufacturing Process
JP2010189735A (en) * 2009-02-19 2010-09-02 Toyota Motor Corp Titanium alloy
CN101921929B (en) * 2010-09-02 2012-07-18 上海交通大学 Medicinal oxygen-containing beta titanium alloy for orthopedic implantation and preparation method thereof
US20140338795A1 (en) * 2011-11-10 2014-11-20 Institut National Des Sciences Appliquees De Rennes Method for manufacturing a titanium alloy for biomedical devices

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP5094393B2 (en) Metastable beta-type titanium alloy and its processing method by direct aging
Kuroda et al. Effect of molybdenum on structure, microstructure and mechanical properties of biomedical Ti-20Zr-Mo alloys
Liu et al. Mechanical properties and cytocompatibility of oxygen-modified β-type Ti–Cr alloys for spinal fixation devices
Ribeiro et al. Mechanical, physical, and chemical characterization of Ti–35Nb–5Zr and Ti–35Nb–10Zr casting alloys
EP1842933B1 (en) Beta-type titanium alloy and product thereof
Stráský et al. Biocompatible beta-Ti alloys with enhanced strength due to increased oxygen content
Patricio et al. Relationship between microstructure, phase transformation, and mechanical behavior in Ti–40Ta alloys for biomedical applications
KR101374233B1 (en) Method of manufacturing ultrafine-grained titanium rod for biomedical applications, and titanium rod manufactured by the same
KR100653160B1 (en) Production method of Ti-base alloy with low elastic modulus and excellent bio-compatibility
US11542583B2 (en) Ternary Ti—Zr—O alloys, methods for producing same and associated utilizations thereof
US20090088845A1 (en) Titanium tantalum oxygen alloys for implantable medical devices
RU2777089C2 (en) Three-component alloys ti-zr-o, their production methods and their corresponding applications
JP4547797B2 (en) Biomedical Ti alloy and method for producing the same
WO2013086010A1 (en) Method for enhancing mechanical strength of a titanium alloy by aging
EP2788519B1 (en) Method for increasing mechanical strength of titanium alloys having " phase by cold working
Lourenço et al. The Influence of Thermomechanical Treatments on the Structure, Microstructure, and Mechanical Properties of Ti-5Mn-Mo Alloys. Metals 2022, 12, 527
Otsu et al. Microstructure and enhanced strength and ductility of Ti-Zr-O alloys prepared by a laser powder bed fusion process
CZ2014929A3 (en) Titanium-based alloy and heat and mechanical treatment process thereof
JPH0390153A (en) Biorestoring base material