Investigation of the effect of diamond nanoparticles on the structure and mechanical behavior of Mg-Ca-Zn alloy.pdf Введение В настоящее время сплавы титана и стали используют как материал для создания медицинских имплантатов. Данные материалы зарекомендовали себя при замене поврежденных костных тканей, однако такие имплантаты имеют один значительный недостаток - необходимость в повторной операции для удаления конструкции из тела человека [1]. Одним из активно развивающихся направлений сердечно-сосудистой хирургии и ортопедии является создание биорезорби-руемых имплантатов, которые после вживления в организм человека постепенно растворяются в нем и положительно влияют на восстановление костной ткани. Магний и его сплавы являются перспективными для создания на их основе био-резорбируемых имплантатов [2]. Однако существуют ограничения по применению данных материалов в медицине, связанные с недостаточными физико-механическими и эксплуатационными характеристиками чистого магния. Недостаточные показатели прочности и пластичности затрудняют применение магниевых сплавов на практике [3]. Ранее проводившиеся работы были направлены на получение ультрамелкозернистой структуры путем усложнения химического состава, добавления различных элементов [4]. Такой подход имеет свои трудности, связанные с ограниченным выбором легирующих элементов, которые должны являться биологически совместимыми со средой организма. В качестве легирующих элементов используются кальций, цинк, а также редкоземельные металлы [5]. 153 Механика / Mechanics Легирование цинком повышает коррозионную стойкость и прочностные свойства магниевых сплавов [6, 7], а введение кальция способствует измельчению зерен-ной структуры магниевых сплавов за счет образования мелкодисперсной фазы Mg2Ca, которая является когерентной относительно магния, поэтому зарождение и рост кристаллов на этой фазе начинаются раньше, что обеспечивает создание новых центров кристаллизации и получение более мелкой структуры с увеличением механических свойств [8]. Кроме этого, для улучшения механических характеристик магниевых сплавов возможно использование дисперсного упрочнения неметаллическими частицами. Большой интерес вызывает использование в сплавах магния наночастиц нитрида алюминия, оксида алюминия и алмаза, которые характеризуются высокой удельной прочностью и низким коэффициентом теплового расширения [9]. Перспективным упрочнителем медицинского магния является наноразмерный алмаз, поскольку он биосовместим и нетоксичен для организма человека [10]. Цель работы - исследование влияния наночастиц алмаза на химический состав, структуру и механические свойства магниевого сплава Mg-Ca-Zn. Методика получения сплавов В качестве исходных материалов использованы магний (99.5%), цинк (99.8%), кальций (99.8%), а также лигатура Mg - 5 мас. % С. Для получения лигатуры была использована порошковая смесь, содержащая 95 мас. % микропорошка магния марки МПФ-4 и 5 мас. % наночастиц алмаза со средним размером 10 нм. Порошковая смесь прессовалась с использованием метода ударно-волнового компактирования под действием продуктов детонации контактных зарядов взрывчатого вещества. Два килограмма чистого металла магния (99.5%) помещались в стальной тигель и расплавлялись с использованием муфельной печи открытого типа при одновременном обдуве аргоном в качестве защитной среды. Обдув аргоном осуществлялся на протяжении всего процесса обработки расплава до его заливки в кокиль. При температуре 720°С в расплав магния вводился металлический цинк с одновременным механическим перемешиванием. Для введения металлического кальция использовался стальной погружной колокольчик с последующим механическим перемешиванием при температуре 760°С. Механическая обработка расплава производилась с использованием смесителя при скорости вращения 1 200 об/мин в течении 20 с после растворения цинка, кальция [11]. Лигатура Mg - 5% наноалмаз вводилась в расплав Mg-Ca-Zn при температуре 710°С с использованием механического смесителя в течение 1 мин после полного растворения лигатуры в сплаве. После введения лигатуры расплав заливался в стальной кокиль размером 200 х 100 х 10 мм при температуре 720°С. Заливка и кристаллизация расплава сопровождались одновременной вибрационной обработкой с применением вибростенда, на котором жестко крепился стальной кокиль. Вибрационная обработка расплава осуществлялась с частотой 60 Гц и амплитудой 0.5 мм. Исходный сплав Mg - 4% Ca - 1% Zn (здесь и далее по тексту мас. %) был получен с аналогичными параметрами без введения лигатуры. Содержание алмаза в модифицированном сплаве составило 0.1 %. 154 Селиховкин М.А., Ахмадиева А.А., Жуков И.А. и др. Исследование влияния наночастиц алмаза Методы исследования Химический состав сплавов исследован с использованием рентгенофлуоресцентного волнодисперсионного спектрометра последовательного действия Shimadzu XRF-1800. Металлографический анализ проводили с помощью оптического микроскопа Olympus GX71. Исследование структуры выполнено на оборудовании Томского регионального центра коллективного пользования Национального исследовательского Томского государственного университета. Центр поддержан грантом Министерства науки и высшего образование Российской Федерации № 075-15-2021-693 (№ 13.ЦКП.21.0021). Структуру литых материалов изучали после механической шлифовки, полировки, до и после травления образцов пикриновой кислотой. Средний размер зерен определяли методом секущих по стандарту ASTM 112-13 по результатам не менее 500 измерений для каждого сплава. Пористость сплавов оценивали методом гидростатического взвешивания, а размер пор рассчитывали по изображениям микроструктуры аналогично среднему размеру зерна. Измерения твердости по Бринеллю (HB) проведены в соответствии со стандартом ASTM E103. Для проведения эксперимента использовался твердомер МЕТОЛАБ 703. Внедрение сферического индентора радиусом 2.5 мм проводили с усилием 62.5 кг и выдержкой 30 с, при этом контролировался размер отпечатков, который находился в пределах 0.2D < d < 0.6D. Исследуемые поверхности подготавливались с помощью механической шлифовки. Эксперименты по сжатию проводились с использованием универсального электромеханического испытательного стенда Instron 3369 со скоростью нагружения 4.8 мм/мин. Образцы шириной 9 мм, длиной 9 мм и высотой 20 мм вырезались из отливок при помощи электроэрозионной резки. Результаты испытаний получены в виде диаграмм «напряжение-деформация», откуда найдены значения условного предела текучести, временного сопротивления и относительных удлинений. Исследование структуры Химический состав магниевых сплавов представлен в табл. 1. Исследования элементного состава показали, что содержание магния в полученных сплавах составило около 94 мас. %. При этом содержание цинка и кальция в исходном сплаве Mg-Ca-Zn составило 4 и 1 мас. % соответственно. Введение наночастиц алмаза привело к увеличению содержания цинка и кальция в сплаве до 4.7 и 1.3 мас. % соответственно. Более высокое содержание кальция и цинка в сплаве, содержащем наноалмаз, может быть связано с меньшим угаром легирующих компонентов в процессе литья с использованием лигатуры Mg-наноалмаз. Химический состав сплавов Таблица 1 Сплав Mg Zn Ca Si Al Fe Mg-Ca-Zn 94.7 ± 0.06 4 ± 0.07 1 ± 0.02 0.12 ± 0.01 0.04 ± 0.05 0.03 ± 0.01 Mg-Ca-Znнаноалмаз 93.6 ± 0.05 4.7 ± 0.07 1.3 ± 0.04 0.17 ± 0.04 0.02 ± 0.01 0.02 ± 0.01 155 Механика / Mechanics Исследования микроструктуры полученных сплавов методом оптической микроскопии (рис. 1) показали, что введение наночастиц алмаза приводит к уменьшению значения среднего размера зерна со 100 ± 36 мкм для Mg-Ca-Zn до 64 ± 17 мкм для Mg-Ca-Zn-наноалмаз и получению более однородного распределение зерен в магниевом сплаве. Предположительно, это связано с формированием новых фаз мелкодисперсных частиц, таких как Mg2Ca. Данные результаты подтверждают, что нахождение в расплаве частиц малого размера оказывает влияние на размеры зерен. Это связано с тем, что в процессе кристаллизации наночастицы сдерживают рост зерен, и тем самым структура модифицируется [12]. Таким образом, увеличение содержания кальция обеспечило образование новой фазы, которая выступила в качестве центра зарождения кристаллов, а введение наночастиц алмаза обеспечило сдерживание роста по границам зерен. 500 В 400 й 300 100 0 a 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 Размер зерна, мкм b c d Рис. 1. Оптические изображения структуры магниевых сплавов в поляризованном свете (a, c) и гистограммы распределения зерен по размерам (b, d): a, b - Mg-Ca-Zn, c, d - Mg-Ca-Zn-наноалмаз Fig. 1. Optical images of the structure of magnesium alloys in polarized light (a, c) and grain size distribution histograms (b, d): a, b - Mg-Ca-Zn, c, d - Mg-Ca-Zn-nanodiamond Исходный сплав имеет поры размером до 50 мкм, при этом пористость составила 5% (см. рис. 1, a, b). Введение наночастиц алмаза позволило снизить размер пор до 15 мкм, пористость составила 3% (см рис. 1, c, d). Такой результат связан 156 Селиховкин М.А., Ахмадиева А.А., Жуков И.А. и др. Исследование влияния наночастиц алмаза с процессом абсорбирования углеродными материалами растворенных в расплаве газов, которые после реакции удаляются из расплава в виде шлака. Рис. 2. Оптические изображения магниевых сплавов: а - Mg-Ca-Zn, b - Mg-Ca-Zn-наноалмаз Fig. 2. Optical images of magnesium alloys: a - Mg-Ca-Zn, b - Mg-Ca-Zn-nanodiamond Исследование механических свойств Твердость исходного сплава Mg-Ca-Zn составила 54 ± 3 HB. Введение наночастиц алмаза не привело к изменению твердости сплава Ma-Ca-Zn, она составила 52 ± 2 HB. По всей видимости, наночастицы алмаза не оказывают влияния на твердость сплава Mg-Ca-Zn из-за малого объемного содержания частиц, которое составляет 0.00007 об. %, и равномерного распределения упрочняющих частиц алмаза в составе сплава Mg-Ca-Zn. Деформация, % Рис. 3. Диаграммы сжатия магниевых сплавов Fig. 3. Compression diagrams of magnesium alloys 157 Механика / Mechanics Результаты экспериментов по сжатию в виде диаграмм напряжение-деформация представлены на рис. 3. Испытания на сжатие показали, что введение наночастиц алмаза способствует увеличению предела текучести (00.2), предела прочности (оВ) и пластичности (5) сплава Mg-Ca-Zn. Исследование экспериментальных данных показало, что введение наночастиц алмаза приводит к увеличению предела текучести сплава с 66 ± 2 до 75 ± 2 МПа, предела прочности -с 294 ± 9 до 332 ± 4 Мпа, максимальной деформации - с 22 ± 5 до 27 ± 9%. Интервалы достоверности, являющиеся среднеквадратичным отклонением, характеризуют разброс экспериментальных данных, полученных на образцах, изготовленных из отливок одной партии. По полученным результатам можно сделать вывод о том, как влияет средний размер зерна на параметры прочности и пластичности сплава: чем меньше средний размер зерна, тем выше прочностные характеристики и пластичность. Увеличение значения предела текучести сплава Mg-Ca-Zn после введения наноалмаза является результатом измельчения зерна сплава по закону Холла-Петча, который напрямую влияет на увеличение предела текучести материала. Вероятно, эффект одновременного упрочнения и улучшения пластичности магниевого сплава с добавлением наночастиц алмаза обусловлен равномерным деформированием материала и формированием однородной структуры по всему объему образцов. Подобный результат согласуется с ранее проведенными работами с использованием других наночастиц в магниевых [13] и алюминиевых сплавах [14, 15]. Заключение Установлено, что для сплава Mg-Ca-Zn средний размер зерна составляет 100 ± 36 мкм. Введение наночастиц алмаза привело к снижению среднего размера зерна до 64 ± 17 мкм. Показано, что частицы распределены в структуре полученных сплавов равномерно благодаря обработке внешними полями при введении нанопорошка алмаза в расплав. Уменьшение среднего размера зерна во всем объеме отливок сплава Mg-Ca-Zn свидетельствует о равномерном распределении наночастиц алмаза, выступающих в роли инокуляторов при кристаллизации. Выявлено, что введение частиц наноалмаза приводит к увеличению предела текучести с 66 до 75 МПа, предела прочности - с 294 до 332 Мпа, максимальной деформации до разрушения сплава - с 22 до 27%.

Скачать электронную версию публикации