Российские ученые сделали титан более износостойким

Изображение микроструктуры композита Ti/TiB, полученное с помощью сканирующего электронного микроскопа. Волокна — это TiB, остальное — титановая матрица.

Сергей Жеребцов/Materials&Design

Российские ученые создали соединение на основе титана с улучшенными свойствами, которое сможет получить широкое применение в медицине. Исследования поддержаны грантом Российского научного фонда (РНФ) и опубликованы в журнале Materials & Design.

Известно, что титан обладает низкой плотностью, высокой удельной прочностью, отличной коррозионной стойкостью и биосовместимостью (он способен встраиваться в организм пациента, не вызывая побочных отрицательных реакций). Благодаря этим качествам данный материал широко используется в различных отраслях техники и, прежде всего, в медицине. Тем не менее сегодня его применение ограничивается недостаточной прочностью, твердостью и износостойкостью.

Авторы работы предположили, что материал получится более прочным благодаря бориду титана — химическому соединению металла титана и бора с химической формулой TiB₂. Для этого необходимо создать композит Ti/TiB — синтезированный неоднородный материал, состоящий из двух или более компонентов с границей раздела между ними, на основе титана с использованием боридов титана в качестве армирующего элемента (наполнителя, который обеспечивает необходимые механические характеристики материала). Однако если ввести в титановую матрицу хрупкие армирующие элементы борида титана, то, повысив прочность, можно снизить пластические свойства материала. Тогда, чтобы улучшить пластичность композита, ученые применили деформационно-термическую обработку.

В ходе работы ученые провели синтез композита Ti/TiB с помощью искрового плазменного спекания. Полученные образцы потом подвергались деформации при помощи сжатия в интервале температур 500-1050°C. Затем была изучена микроструктура деформированных образцов методами электронной сканирующей и просвечивающей микроскопии.

В результате эксперты определили оптимальную температуру синтеза композита Ti/TiB, 900-1000°С, при которой образцы деформируются без появления трещин. Кроме того, установлены механизмы формирования структуры в различных температурных интервалах.

«Так же, как и чистый титан, композит «титан-титан бор» имеет малый удельный вес, высокую коррозионную стойкость, гипоаллергенность. Однако, за счет достаточно высокой прочности и твердости, композит может держать заточку в отличие от чистого титана, что дает возможность применять данный материал для изготовления медицинского инструмента», — утверждает ведущий автор работы, руководитель гранта РНФ, доктор технических наук, заведующий кафедрой материаловедения и нанотехнологий Института инженерных технологий и естественных наук Белгородского государственного национального исследовательского университета Сергей Жеребцов.

По словам ученого, по сравнению со стальными аналогами, инструмент из данного композита значительно легче, а его физические свойства позволяют проводить операции в магнитном поле.