Науково-дослідні роботи по технології отримання низькомодульних ZrNbTi сплавів в промислових об’ємах та умовах виконано з метою відпрацювання технологічних режимів для промислових умов отримання зливків сплаву на основі системи Zr-Nb-Ti методом електронно-променевої плавки (ЕПП).

Робота виконана в об’ємі визначення складу шихти, розробки технологічно регламенту та його відпрацювання на електронно–променевій установці. Для забезпечення роботі було виконано модернізацію електронно-променевої установці УЕ-208М оснащеної 3 електронно-променевими гарматами (рис. 1) [1].

Установка дозволяє отримувати зливки діаметром до 300 мм та довжиною 1700 мм. Встановлена електрична потужність установки 960 кВ*А. Робочий вакуум в камері плавки становить 6,6 *10^–2 Па (~ 0,5*10^–3 мм рт. ст.).

Виплавка зливків виконується в послідовності операцій:

1.  Розрахунок шихти з урахуванням випарювання металу.

2.  Підготовка (чищення камери плавки та плити гармат, чистка проміжної ємності та кристалізатора, чистка піддону, чистка від конденсату, пилу і залишків металу попередніх плавок променеводу електронних гармат) та налаштування обладнання (заміна катодів електронно–променевих гармат) й оснастки.

3.  Виконання робіт підготовки вихідного матеріалу та формування заготовки загрузки у піч.

4.  Виконання плавки.

5.  Відбір проб для оперативного аналізу виплавленого зливка – хімічного та газового аналізу.

6.  Відбір проб для механічних випробувань виплавленого зливка.

Рис. 1. Зовнішній вигляд модернізованої електронно-променевої установки УЕ-208

З шихти формувалась витратна заготовка, яка із заданою швидкістю подавалась у зону плавлення. Плавлення заготовки призводило до накопичення рідкого металу у проміжній ємності, а звідти, по мірі накопичення, рідкий метал зливався в кристалізатор – де формувався зливок необхідного діаметра.

Після формування злитку, хімічного аналізу та механічної обробки проводиться деформаційна та термічна обробки для форматування заготівки з підвищенням механічних властивостей.

Деформаційна обробка виконана с застосуванням термічної підготовки, виконана на автоматичному ковальному комплексі АКП-500 з гідравлічним пресом 5 МН, маніпулятором та двома нагрівальними печами з точним регулюванням температури.

Кування велося по схемі «квадрат–круг» – після кожного проходу прогрів металу в ковальній печі. Перший обжим: перехід з D106 на квадрат 91 (–15 мм). Подача торцева 30-50 мм. Повернення в ковальну піч. Другий обжим: перехід з квадрата 91 на квадрат 75 (–15 мм). Подача торцева 30 - 50 мм. Повернення в ковальну піч. Третій обжим: перехід з квадрата 75 на квадрат 60 (–15 мм). Подача торцева 30 – 50 мм. Повернення в ковальну піч. Четвертий обжим: перехід з квадрата 60 на D59 (–15 мм). Подача торцева 30-50 мм. Повернення в ковальну піч. Охолодження поковки виконується у повітрі (рис. 2). Отримано круг діаметром       58-60 мм.

а                                          б

Рис. 2. Охолодження поковки у повітрі (а) та зовнішній вигляд поковок після охолодження (б)

Після ковки прутки прокатали та протягували до діаметру 6 мм.

Результати дослідження мікроструктури дозволили встановити, що мікростуктура подрібнювалась до розміру 30-60 мкм.

Із аналізу мікроструктури зроблено висновок, що мікроструктура змінюється з крупнозеренної 150-200 мкм первинних зерен до дрібної рівноосної з пластинчатою субмікроструктурою.

Механічні властивості пруткового матеріалу в порівнянні з титановим сплавом наведені в табл. 1.

Таблиця 1 – Порівняльна характеристика пруткової заготівки і застосовуваного титанового сплаву для дентальних імплантів

З даних в табл. 1 можна зробити висновок, що пруткова заготівка зі сплаву на основі системи цирконій-титан-ніобій забезпечує модуль пружності Е = 37,673 ГПа, що в 3 рази нижче ніж у сплаву ВТ6, Е = 110-115 ГПа і наближається до значення модуля пружності людської кістки Е = 30 ГПа. Це дає підставу говорити про підвищення біосумісності. У той же час опір до навантажень відповідає аналогічному сплаву ВТ6, що підтверджує рівень механічних властивостей цирконієвих сплавів.

Література

1. Лабораторная электронно-лучевая установка УЭ-208М / Ахонин С.В., Пикулин А.Н., Березос В.А., Ковальчук Д.В., Тугай С.Б. // Современная электрометаллургия. – 2019. – №3. – С. 15 − 22. http://dx.doi.org/10.15407/sem2019.03.03