Введение
Титан – уникальный по своим свойствам металл. Благодаря удивительным свойствам его называют металлом будущего. Титан в основном существует в двух кристаллических модификациях: α-Ti с гексагональной плотноупакованной решёткой, β-Ti с кубической объёмно-центрированной упаковкой. Объектом исследования в данной работе является α-Ti, который является основным компонентом во многих марках технического титана и его сплавах.
Свойство α-Ti в микро- и наноструктурах
α-Ti обладает гексагональной плотноупакованной структурой с параметрами решетки a=2,951 Å, с=4,697 Å. Соответственно, отношение c/a составляет 1,587.
Рисунок 1. Прямая решетка α-Ti
Векторы трансляций прямой решетки:
Векторы трансляций обратной решетки определяется следующими формулами:
 |
Рисунок 2. Векторы трансляций прямой решетки (а) и обратной решетки (б)
Таким образом, обратная решетка гексагональной структуры α-титан является гексагональной, повернутой на угол 30º относительно прямой решетки вокруг оси Oz.
Рисунок 3. Поверхности Ферми α-Ti [1] Рисунок 4. Зоны Бриллюэна α-Ti [2]
Как видно из рисунка 3, поверхность Ферми α-Ti представляет собой сложную геометрическую структуру, содержащую по четыре уровня на каждую элементарную ячейку. На рисунке 4, красная центральная область соответствует первой зоне Бриллюэна.
Как следует из таблицы 1, значения плотности, температуры плавления и температуры кипения титана для зерен размером 80 нм практически не изменяются по сравнению с микроструктурами. Изменение механических свойств титана связано с влиянием классических размерных эффектов. Квантовые эффекты не влияют на изменение свойства титана, поскольку длина волны де Бройля находится в интервале от 0.1 нм до 1.0 нм.
Таблица 1. Сравнительные характеристики α-Ti в микроструктурах и в наноструктурах [3, 4]
|
Свойства |
Микроструктура |
Наноструктура ( размер зерен 80 нм) |
|
Плотность |
4,540 г/см³ |
4.506 г/см³ |
|
Температура плавления |
1668 °C |
1660 °C |
|
Температура кипения |
3287 °C |
3287 °C |
|
Микротвердость |
180 HV |
285 HV |
|
Предел текучести |
380 МПа |
915 Мпа |
|
Предел прочности |
460 МПа |
1100 Мпа |
Технология получения
Одним из распространенных методов получения наноструктурного титана является механосинтез. Механическое воздействие при измельчении материалов является импульсным, т.е. возникновение поля напряжений и его последующая релаксация только в момент соударения частиц и в короткое время после него. Механическое воздействие является также и локальным, так как происходит там, где возникает и затем релаксирует поле напряжений.
Рисунок 5. Барабанная мельница (шаровая): 1 – барабан; 2 – дробящие тела (шары); 3 – загрузка исходного материала; 4 – подшипники; 5 – разгрузка измельченного материала.
Благодаря импульсности и локальности в небольших областях материала в течение короткого времени сосредотачиваются большие нагрузки. Это приводит к возникновению в материале дефектов, напряжений, полос сдвига, деформаций, трещин. В результате происходит измельчение вещества.
Наиболее распространенными методами получения объемных наноструктурных материалов на основе больших деформаций являются: кручение под давлением, равноканальное угловое прессование, аккумулируемая прокатка, винтовая экструзия и мультиосевая деформация.
В работе [5] была исследована эволюция микроструктуры технически чистого титана ВТ1-0 в ходе прокатки до 93% при 77 К и 293 К. В микроструктуре титана в исходном состоянии наблюдались равноосные зерна со средним размером 15 мкм.
Рисунок 5. Микроструктура титана ВТ1-0 в исходном состоянии (a) и изменение среднего размера зерна d в титане с ростом степени деформации при комнатной (293 К) и криогенной (77 К) прокатке (b) [5].
Прокатка титана ВТ1-0 на 93% приводит к формированию наноструктуры со средним размером зерна ~ 80 нм и 200 нм при 77 К и 293 К, предел прочности на растяжение составил 1180 МПа и 910 МПа, соответственно.
Применение титана
![Рисунок 6 – Применение наноструктурного титана [4]: а) высокопрочные крепежные резьбовые изделия; б) пластины имплантаты для костного остеосинтеза; в) винты и устройство для коррекции позвоночника; г) хирургические инструменты](/i/2016/6/862/image012.jpg)
 |
Титан и его сплавы нашли широкое применение в технике ввиду своей высокой механической прочности, которая сохраняется при высоких температурах, коррозионной стойкости, жаропрочности, удельной прочности, малой плотности и прочих полезных свойств. Высокая стоимость титана и его сплавов во многих случаях компенсируется их большей работоспособностью, а в некоторых случаях они являются единственным материалом, из которого можно изготовить оборудование или конструкции, способные работать в данных конкретных условиях.
В настоящее время использование титановых сплавов с наноструктурой, обеспечивающей высокие механические свойства при статическом и циклическом нагружении, позволяет разработать новые конструкции имплантатов с улучшенными функциональными свойствами, областью применения которых, в основном, является медицина: ортопедия, травматология, стоматология и др. [6,7].
Кроме того, нанотитан в полной мере соответствует требованиям биологической совместимости, а наносимые покрытия придают имплантату биоактивные свойства [8]. Титан не вызывает деструктивно-дегенеративных процессов костной ткани в послеоперационном периоде [9]. При изменении морфологии и состава оксида пленки значительно усиливаются протеиновое взаимодействие и последующая адгезия клеток, благодаря чему повышаются параметры остеоинтеграции наноструктурного титана [10].
Вывод
Рассмотрены прямая и обратная решетки, поверхность Ферми и зоны Бриллюэна α-титана. Проведен сравнительный анализ свойств α-титана в микро- и наноструктурах. Показано, что основное влияние на резкие изменения механических свойства α-титана в наноструктурах оказывают классические размерные эффекты.