ВПЛИВ СТРУКТУРНОГО ФАКТОРУ ПОРОШКОВОГО МАТЕРІАЛУ НА МІЦНІСТЬ ЕЛЕМЕНТІВ
DOI:
https://doi.org/10.15588/1607-6885-2026-1-3Ключові слова:
порошкова металургія, адитивні сплави, пори, гіпотези опору матеріалів, механічні властивості, міцність, напруження.Анотація
Мета роботи. Дослідити вплив пористості та хімічного складу на міцність титанових конструкційних компонентів, виготовлених з нелегованого титанового сплаву ВТ1-0, отриманого методом порошкової металургії. Метою роботи є удосконалення методології розрахунку таких компонентів з урахуванням особливостей їхньої структури, оскільки наявність пор суперечить традиційній гіпотезі про суцільність матеріалу.
Методи дослідження. Для експерименту було використано термомеханічний титановий порошок ПТ5. Після пресування (700 МПа) та вакуумного спікання (1250 °C, 180 хв) було отримано сплав ВТ1-0. Було проведено порівняльний аналіз структури та механічних властивостей спеченого матеріалу та його литого аналога.
Отримані результати. Ключовою структурною відмінністю є пористість спеченого сплаву, яка становить 13%, з порами, розташованими переважно вздовж меж зерен. За хімічним складом порошковий ВТ1-0 має вдвічі більший вміст кисню (0,20 мас.%) порівняно з литим сплавом (0,10 мас.%). Відомо, що кисень значно підвищує міцність титанових сплавів. Ключовою структурною відмінністю спеченого сплаву є його пористість, яка становить 13%. За хімічним складом порошковий сплав ВТ1-0 містить вдвічі більше кисню (0,20 мас.%) порівняно з литим сплавом (0,10 мас.%). Відомо, що кисень значно підвищує міцність титанових сплавів; однак границя міцності спеченого сплаву ВТ1-0 становила 330,5 МПа, що на 45,5 МПа менше, ніж у його литого аналога (376,0 МПа). Це пов’язано з наявністю пор у структурі металу. Усунення цих пор збільшить міцність порівняно з литим матеріалом аналогічного хімічного складу та зменшить його дисперсію порівняно з литим сплавом.
Наукова новизна. Основний висновок дослідження полягає в тому, що зменшення ефективного поперечного перерізу металу, що несе навантаження (через 13% пористість), переважує ефект зміцнення від вищого вмісту кисню та інших речовин. Наявність пор також призводить до значного збільшення розкиду значень міцності, а в деяких випадках і мікротвердості. Якщо зробити поправку на ефективну площу поперечного перерізу за вирахуванням пор, фактична міцність порошкового зразка буде вищою через збільшення вмісту кисню та інших речовин.
Практична цінність. В роботі доведено, що фактичний негативний вплив пористості на міцність значно переважає ефект зміцнення, що виникає внаслідок мікролегування домішками при спіканні. Враховуючи високу дисперсію показника міцності, цей ефект можна пояснити тим, що вплив пористості на границю міцності є багатовимірним і залежить від таких факторів, як форма та розмір пор, наявність у них гострих кутів та їх об'ємна частка.
Посилання
Lario Femenia, J., Poler Escoto, R., Amigó Borras, V. (2023). Powder Metallurgy: A New Path for Advanced Titanium Alloys in the EU Medical Device Supply Chain. Metals 13, 372. https://doi.org/10.3390/met13020372
Gan, X., Li, S., Xiao, S. et al. (2024). Integrated high-performance and accurate shaping technology of low-cost powder metallurgy titanium alloys: A compre-hensive review. Int J Miner Metall Mater 31, 413–426 https://doi.org/10.1007/s12613-023-2774-7
Arévalo, C., Montealegre-Meléndez, I., Ariza, E., Kitzmantel, M., Rubio-Escudero, C., Neubauer, E. (2016). Influence of Sintering Temperature on the Microstructure and Mechanical Properties of In Situ Reinforced Titani-um Composites by Inductive Hot Pressing. Materials 9, 919. https://doi.org/10.3390/ma9110919
González-Guillén, C., Al Hawajreh Kamel, G., Degalez-Duran, E., Klyatskina, E., Naeem, M., Romero-Resendiz, L., Gonzalez, G., Amigó Borrás, V. (2023). The Effect of Ti/Ta Ratio and Processing Routes on the Hardness and Elastic Modulus of Porous TiNbZrTa Al-loys. Materials 16, 7362. https://doi.org/10.3390/ma16237362)
Pascu, C.I., Nicolicescu, C., Cioateră, N., Gheor-ghe, Ș., Geonea, I., Didu, A. (2022). Characterization of Tita-nium Alloy Obtained by Powder Metallurgy. Materi-als 15, 2057. https://doi.org/10.3390/ma15062057
Chávez-Vásconez, R., Lascano, S., Sauceda, S., Reyes-Valenzuela, M., Salvo, C., Mangalaraja, R.V., Gotor, F.J., Arévalo, C., Torres, Y. (2022). Effect of the Processing Parameters on the Porosity and Mechanical Behavior of Titanium Samples with Bimodal Microstruc-ture Produced via Hot Pressing. Materials 15, 136. https://doi.org/10.3390/ma15010136
Lavrys, S., Pohrelyuk, I., Padgurskas, J., Shliak-het-ka, K. (2023). Improving Wear Resistance of Highly Po-rous Titanium by Surface Engineering Methods. Coat-ings, 13, 1714. https://doi.org/10.3390/coatings13101714
Romero, C., Yang, F., Wei, S., Bolzoni, L. (2020). Thermomechanical Processing of Cost-Affordable Pow-der Metallurgy Ti-5Fe Alloys from the Blended Elemental Approach: Microstructure, Tensile Deformation Behav-ior, and Failure. Metals 10, 1405. https://doi.org/10.3390/met10111405
Alegre, J.M., Díaz, A., García, R., Peral, L.B., Lo-renzo-Bañuelos, M., Cuesta, I.I. (2024). Mechanical and Fatigue Properties of Ti-6Al-4V Alloy Fabricated Using Binder Jetting Process and Subjected to Hot Isostatic Pressing. Materials 17, 3825. https://doi.org/10.3390/ma17153825
Wanjara, P., Backman, D., Sikan, F., Gholipour, J., Amos, R., Patnaik, P., Brochu, M. (2022). Microstruc-ture and Mechanical Properties of Ti-6Al-4V Additively Man-ufactured by Electron Beam Melting with 3D Part Nesting and Powder Reuse Influences. J. Manuf. Mater. Process. 6, 21. https://doi.org/10.3390/jmmp6010021
Mingyuan Zhang, Taotao Cai, Weiliang Lu, Shili Zheng, Ying Zhang, Yi Zhang (2023). Fabrication of Ti-6Al-4V alloy powder by a novel sintering-deoxygenation process. Journal of Alloys and Compounds. Volume 935, Part 1, 15. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2022.168113
Skrebtsov, A. A. (2015). Improving the mechani-cal and service properties of sintered titanium alloys: dis. cand. tech. sciences: 05.02.01. Zaporozhye
T. Chen, C. Suryanarayana, C. Yang (2023). Ad-vanced titanium materials processed from titanium hy-dride powder. Powder Technology, Volume 423, 1 June. https://doi.org/10.1016/j.powtec.2023.118504
Zhang, H., Wang, C., Guo, J., Li, W., Cheng, C., Xiang, N., Huang, T., Niu, H., Zhang, D., Chen, F. (2004). Phase Transformation, Microstructural Evolution and Tensile Properties of a TiH2-Based Powder Metallurgy Pure Titanium. Metals 14, 1218. https://doi.org/10.3390/met14111218
Radulescu R, Meleșcanu Imre M, Ripszky A, Rus F, Popa A, Moisa M, Funieru C, Ene R, Pituru S. (2024). Exploring the Broad Spectrum of Titanium-Niobium Implants and Hydroxyapatite Coatings-A Re-view. Materials (Basel). Dec 19; 17(24):6206. https://doi.org/10.3390/ma17246206
##submission.downloads##
Опубліковано
Номер
Розділ
Ліцензія
Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution-ShareAlike 4.0 International License.
Положення про авторські права Creative Commons
Автори, які публікуються у цьому журналі, погоджуються з наступними умовами:
-
Автори залишають за собою право на авторство своєї роботи та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0/, котра дозволяє іншим особам вільно розповсюджувати опубліковану роботу з обов'язковим посиланням на авторів оригінальної роботи та першу публікацію роботи у цьому журналі.
-
Автори мають право укладати самостійні додаткові угоди щодо неексклюзивного розповсюдження роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом (наприклад, розміщувати роботу в електронному сховищі установи або публікувати у складі монографії), за умови збереження посилання на першу публікацію роботи у цьому журналі.
-
Політика журналу дозволяє і заохочує розміщення авторами в мережі Інтернет (наприклад, у сховищах установ або на особистих веб-сайтах) рукопису роботи, як до подання цього рукопису до редакції, так і під час його редакційного опрацювання, оскільки це сприяє виникненню продуктивної наукової дискусії та позитивно позначається на оперативності та динаміці цитування опублікованої роботи.
