ПЕРСПЕКТИВЫ ПОЛУЧЕНИЯ И ПРИМЕНЕНИЯ ГИБРИДНЫХ КОНСТРУКЦИЙ И КОМПОЗИТОВ ИЗ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ И НИТИНОЛА: ОБЗОР

Сплавы на основе титана нашли широкое применение в различных областях промышленности благодаря сочетанию высоких механических свойств и низкой плотности. Наиболее эффективно эти качества используются при создании изделий для авиации и медицинских имплантатов. Сплавы с эффектом памяти формы на основе никелида титана (нитинол) являются перспективными материалами для изготовления сверхупругих медицинских имплантатов и инструментов, а также термомеханических элементов авиационной и космической техники. Совместное применение этих материалов в качестве элементов гибридных конструкций или композиционных материалов перспективно для создания изделий с уникальным комплексом свойств – высокие механические характеристики, сверхупругость и демпфирующая способность, повышенная износостойкость, а также термомеханическая память. Проанализированы основные свойства сплавов на основе никелида титана и наиболее широко распространенного титанового сплава ВТ6 (Ti–6Al–4V). Показано, что сочетание функциональных свойств нитинола и конструкционных свойств титановых сплавов в единой конструкции позволит получать разнообразные изделия, прежде всего для использования в аэрокосмической и медицинских областях. Рассмотрены возможности создания высокопрочных неразъемных соединений из титановых сплавов и нитинола. Для получения таких конструкций в настоящее время исследуются различные способы сварки (в основном лазерная и диффузионная) и пайки, а наибольшие возможности связаны с использованием промежуточных прослоек, которые позволят избежать формирования хрупких интерметаллических фаз в неразъемных соединениях.

1. Wei Z.G., Tang C.Y., Lee W.B. Design and fabrication of intelligent composites based on shape memory alloys // J. Mater. Process. Tech. 1997. Vol. 69 (1—3). P. 68—74.

2. Neuking K., Abu-Zarifa A., Youcheu-Kemtchou S., Eggeler G. Polymer/NiTi-composites: Fundamental aspects, processing and properties // Adv. Eng. Mater. 2005. Vol. 7. Iss. 11. P. 1014—1023.

3. Беляев С.П., Рубаник В.В., Реснина Н.Н., Рубаник (мл.) В.В., Рубаник О.Е. Влияние отжига на мартенситные превращения в биметаллическом композите «сталь — сплав TiNi», полученном сваркой взрывом // Металловедение и терм. обраб. металлов. 2010. No. 9. С. 30—34.

4. Kothalkar A.D., Benitez R., Hu L., Radovic M., Karaman I. Thermo-mechanical response and damping behavior of shape memory alloy-MAX phase composites // Metall. Mater. Trans. A. 2014. Vol. 45. Iss. 5. P. 2646—2658.

5. Otsuka K., Ren X. Physical metallurgy of Ti—Ni-based shape memory alloys // Progr. Mater. Sci. 2005. Vol. 50. P. 511—678.

6. Колачев Б.А., Елисеев Ю.С., Братухин А.Г., Талалаев В.Д. Титановые сплавы в конструкциях и производстве авиадвигателей и авиационно-космической техники. М.: МАИ, 2001.

7. Geetha M., Singh A.K., Asokamani R., Gogia A.K. Ti based biomaterials, the ultimate choice for orthopaedic implants: A review // Progr. Mater. Sci. 2009. Vol. 54. Iss. 3. P. 397—425.

8. Ильин А.А., Колачев Б.А., Полькин И.С. Титановые сплавы. Состав, структура, свойства. М.: ВИЛС—МАТИ, 2009.

9. Коллеров М.Ю., Гусев Д.Е., Орешко Е.И., Бурнаев А.В. Повышение характеристик работоспособности медицинских имплантатов из сплавов титана и никелида титана методом термической обработки // Технол. легких сплавов. 2013. No. 3. С. 40—46.

10. Муслов С.А., Андреев В.А., Бондарев А.Б., Сухочев П.Ю. Сверхэластичные сплавы с эффектом памяти формы в науке, технике и медицине: Справ.-библ. изд. М.: Фолиум, 2010.

11. Gigliotti M.F.X., Hardwicke Jr.C.U., Jiang L., Short J.W., Lipkin D.M., Blank J.P., Anand K. Erosion and wear resistant protective structures for turbine engine components: Pat. 7300708 (USA). 2007.

12. Cai C., Song B., Wei O., Xue P., Wen S., Liu J., Shi Y. In-situ integrated fabrication of Ti—Ni coating during hot isostatic pressing of Ti6Al4V parts: Microstructure and tribological behavior // Surf. Coat. Tech. 2015. Vol. 280. P. 194—200.

13. Reichman S.H. Light weight armor with repeat hit and high energy absorption capabilities: Pat. 20030159575 (USA). 2006.

14. Левченко С.К., Древаль О.Н., Ильин А.А., Коллеров М.Ю., Рынков И.П., Басков А.В., Каримов А.А. Клинические исследования функциональной транспедикулярной стабилизации позвоночника // Вопр. нейрохир. 2009. No. 4. С. 31—35.

15. Filip P., Musialek J., Michalek K., Yen M., Mazanec K. TiAlV/Al2O3/TiNi shape memory alloy smart composite biomaterials for orthopedic surgery // Mater. Sci. Eng. A. 1999. Vol. 273—275. P. 769—774.

16. Chau E.T.F., Friend C.M., Allen D.M., Hora J., Webster J.R. A technical and economic appraisal of shape memory alloys for aerospace applications // Mater. Sci. Eng. A. 2006. Vol. 438—440. P. 589—592.

17. Chau E.T.F. Comparative study of joining methods for a SMART aerospace application: Eng. doctorate thesis. Cranfield University, 2007.

18. Zoeram A.S., Akbari Mousavi S.A.A. Laser welding of Ti—6Al—4V to nitinol // Mater. Design. 2014. Vol. 61. P. 185—190.

19. Shiue R.K., Wu Shyi-Kaan. Infrared brazing Ti50Ni50 and Ti—6Al—4V using the BAg-8 Braze alloy // Mater. Trans. 2005. Vol. 46. No. 9. P. 2057—2066.

20. Сенкевич К.С., Князев М.И., Рунова Ю.Э., Шляпин С.Д. Особенности формирования диффузионного соединения TiNi—ВТ6 // Металловедение и терм. обраб. металлов. 2013. No. 8. С. 21—24.

21. Ivanovna A.K., Hirata V.M.L., Lopez E.O. Figueroa R.R., Miramontes J.R. Microstructural and mechanical characterization of nitinol GTAW and FB welds of titanium // Mater. Sci. Forum. 2006. Vol. 509. P. 165—170.

22. Мухаметрахимов М.Х. Твердофазное соединение титанового сплава ВТ6 через наноструктурированную прослойку из сплава TiNi // Сб. матер. V Междунар. школы «Физическое материаловедение» (26 сент. — 1 окт. 2011 г.). Тольятти: ТГУ, 2013. С. 128—131.

23. Лопатин Н.В., Сенкевич К.С., Кудрявцев Е.А., Выдумкина С.В. Влияние микроструктуры титанового сплава ВТ6 на свойства сварных соединений, полученных диффузионной сваркой // Титан. 2014. No. 1. С. 41—50.

24. Lopatin N., Senkevich K., Kudryavtsev E.A. Effect of microstructure state of titanium alloy Ti—6Al—4V on structure and mechanical properties of joints produced by diffusion bonding process // Mater. Sci. Forum. 2014. Vol. 783—786. P. 2659—2664.

25. Лутфуллин Р.Я. Сверхпластичность и твердофазное соединение наноструктированных материалов (Обзор). Ч. II. Физическая модель формирования твердофазного соединения в титановом сплаве в условиях низкотемпературной сверхпластичности // Письма о материалах. 2011. Т. 1. No. 2. С. 88—91.

26. Казакова Н.Ф. Диффузионная сварка материалов. М.: Машиностроение, 1981.

27. Simões S., Viana F., Ramos A.S., Vieira M.T., Vieira M.F. Reaction zone formed during diffusion bonding of TiNi to Ti6Al4V using Ni/Ti nanolayers // J. Mater. Sci. 2013. Vol. 48. Iss. 21. P. 7718—7727.

28. Emadinia O., Simões S., Viana F.M., Vieira F., Cavaleiro A.J., Ramos A.S., Vieira M.T. Cold rolled versus sputtered Ni/Ti multilayers for reaction-assisted diffusion bonding // Weld World. 2016. Vol. 60. P. 337—344.