Вплив ультразвукової ударної обробки в різних середовищах на механічні властивості титанового сплаву ВТ6

Cx-X

Вплив ультразвукової ударної обробки в різних середовищах на механічні властивості титанового сплаву ВТ6

єв, Г. І. Прокопенко, В. С. Філатова,

Інститут металофізики ім. НАН України, 03680, МСП, Київ-142, Україна

Функціональна надійність медичних імплантатів і конструкцій, які застосовуються в ортопедії, травматології, стоматології та інших областях медицини, перш за все залежить від комплексу механічних властивостей об’єму та поверхні, які проявляються в умовах їх роботи в живому організмі і дією їх на навколишні тканини. Тому пошук оптимального відношення характеристик міцності, які мають (α+β) титанові сплави з максимальною біологічною сумісністю є однією з важливих проблем в медицині.

З метою підвищення механічних властивостей титанових сплавів застосовують методи інтенсивної пластичної деформації, які призводять до формування субмікрокристалічного і наноструктурного стану, що сприяє покращенню характеристик міцності. Ультразвукова ударна обробка (УЗУО) призводить до структурно-фазових змін, зміцненню поверхні та приповерхневих шарів. При дії УЗУО відбувається перерозподіл структури металу на певну глибину, утворюючи при цьому мікро - і наноструктури.

В даній роботі вивчався вплив ультразвукової ударної обробки в різних середовищах на механічні характеристики (мікротвердість) титанового сплаву ВТ6.

Для деформаційного зміцнення поверхні титанового сплаву ВТ6 використовувалася ультразвукова установка [1], яка складалася з ультразвукового генератора частотою 21 кГц та потужністю 0,6 кВт, послідовно з’єднаних перетворювача і трансформатора коливальної швидкості, на кінці якого встановлена ударна головка, яка містить один циліндричний бойок діаметром 5 мм і довжиною 18 мм. УЗУО поверхні зразків проводили при кімнатній температурі в наступних середовищах: повітря, рідкий азот та інертні середовища (аргон і гелій). Енергія удару складала 6 мДж, сила удару – 200 Н, тривалість обробки змінювалася від 50 до 150 с, амплітуда ультразвукових коливань – 25 і 40 мкм. Енергія ударного імпульсу оцінювалася за формулою:

, (1)

де m – маса бойка, υ – швидкість бойка, що дорівнює середній коливальній швидкості торця концентратора в момент їх торкання , де f і ξ – частота та амплітуда коливань торця концентратора.

Мікротвердість поверхні зразків сплаву ВТ6 вимірювалася на приладі ПМТ-3М при навантаженні 100 г. Кінетика зміни мікротвердості HV в залежності від часу обробки та середовища при амплітудах різних коливань наведено в таблиці 1.

Мікротвердість поверхні сплаву ВТ6 без обробки становить 290 кг/мм2. Таким чином, максимальний ефект збільшення мікротвердості (~ 3 рази) в результаті дії УЗУО виявлено в середовищі рідкого азоту при амплітуді 40 мкм та тривалості 60 с.

ТАБЛИЦЯ 1. Мікротвердість HV (кг/мм2) титанового сплаву ВТ6 після ультразвукової ударної обробки в різних середовищах і тривалості обробки.

Середовище обробки	Амплітуда 25 мкм, тривалість обробки	Амплітуда 40 мкм, тривалість обробки
50 с	60 с	100 с	120 с	150с	50 с	60 с	100 с	120 с	150 с
Повітря		651					685
Рідкий азот		733		763		524	980	619	585
Гелій	527					716	672	733	760	968
Аргон			929

1. Г. І. Прокопенко, єв, , Г. І. Кузьміч, В. І. Чорний, , Ультразвукова установка для зміцнення та наноструктуризації металевих поверхонь, Патент України на корисну модель № 9175, Бюл. №9 від 15.09.2005.