Порошковая лигатура титан-ниобий-цирконий ТБ34Ц9

Порошковая лигатура титан-ниобий-цирконий ТБ34Ц9 — сплав титана с 33,2 % ниобия и 8,6 % циркония (по массе) в виде порошка крупностью менее 200 мкм. Её используют как шихтовый материал при вакуумной плавке титановых сплавов, легированных ниобием и цирконием: тугоплавкий ниобий попадает в расплав не отдельными кусками чистого металла, а уже растворённым в титане. Мы изготавливаем такую лигатуру по техническому заданию заказчика — состав, фракцию и объём партии согласуем под вашу плавку. Запросы принимаем на почту 5052082@mail.ru.

Состав лигатуры ТБ34Ц9

В обозначении «Т» — титан (основа), «Б» — ниобий, «Ц» — цирконий; цифры — округлённое содержание легирующих элементов в процентах по массе. Базовый состав:

Элемент	Содержание, % по массе	Содержание, % ат. (без учёта кислорода)
Титан (Ti)	основа (≈ 58,0)	72,8
Ниобий (Nb)	33,2	21,5
Цирконий (Zr)	8,6	5,7
Кислород (O)	0,2	—

Крупность порошка — менее 200 мкм. Структура сплава — твёрдый раствор на основе высокотемпературной модификации титана (β-Ti), поэтому в спецификации рядом с маркой указывают «β-Ti».

Пересчёт в атомные проценты даёт состав, очень близкий к сплаву Ti-22Nb-6Zr (ат. %), который хорошо изучен как безникелевый сверхупругий материал для медицины: исследования НИТУ МИСИС показывают, что это твёрдый раствор на основе β-титана с модулем упругости около 60 ГПа. Поэтому порошок ТБ34Ц9 интересен не только как лигатура, но и как исходный материал для порошковой металлургии сплавов этой системы.

Чем интересны сплавы титан-ниобий-цирконий

Ниобий и цирконий — элементы, хорошо совместимые с тканями организма, поэтому сплавы Ti-Nb-Zr разрабатывают как замену сплавам с ванадием и алюминием для имплантатов. Главное их достоинство — низкий модуль упругости, ближе к кости, чем у обычных титановых сплавов: слишком жёсткий имплантат забирает нагрузку на себя, и кость вокруг него со временем ослабевает, а более «мягкий» сплав этот эффект уменьшает.

Содержание циркония в таких сплавах подбирают очень точно. В диссертационной работе НИТУ МИСИС показано, что сплавы Ti-22Nb-(4–6)Zr (ат. %) дают общую обратимую деформацию выше 4,3 % — на 1,3 % больше, чем двойной сплав Ti-26Nb, а в сплаве Ti-22Nb-8Zr уже не наблюдаются ни эффект памяти формы, ни сверхупругость. Разница в два атомных процента циркония меняет свойства принципиально — поэтому при плавке таких сплавов особенно важно точное усвоение легирующих элементов.

Зачем ниобий вводят лигатурой

Ниобий плавится при 2477 °C, цирконий — при 1855 °C, титан — при 1668 °C. Если положить в шихту титанового сплава куски чистого ниобия, расплаву придётся растворять металл, который тугоплавче его самого на 800 °C. При вакуумно-дуговом переплаве ванна жидкого металла существует недолго, и нерастворённые частицы тугоплавкого элемента могут остаться в слитке включениями, а состав по высоте слитка — разойтись.

В системе титан-ниобий образуется непрерывный ряд твёрдых растворов, и температура плавления сплавов лежит между температурами плавления титана и ниобия. Лигатура с 21,5 ат. % ниобия плавится на сотни градусов ниже чистого ниобия и гораздо ближе к титану. Ниобий и цирконий в ней уже распределены на уровне кристаллической решётки, поэтому они переходят в расплав вместе с титаном, а не догоняют его. Это и даёт более полное и точное усвоение легирующих элементов и более однородный по химическому и фазовому составу слиток.

Порошковая форма добавляет ещё два преимущества: мелкие частицы растворяются быстрее крупных кусков, а порошок равномерно распределяется по объёму прессованной шихты.

Для каких сплавов подходит

• медицинские титановые сплавы без ванадия и алюминия — например, Ti-13Nb-13Zr по стандарту ASTM F1713 (13 % ниобия и 13 % циркония);
• сверхупругие сплавы и сплавы с памятью формы системы Ti-Nb-Zr для имплантатов;
• β- и псевдо-β-титановые сплавы, где ниобий служит β-стабилизатором;
• опытные сплавы для научных и опытно-конструкторских работ, где состав подбирают серией небольших плавок.

Лигатура сама вносит цирконий: на каждый 1 % ниобия приходится 0,26 % циркония. Значит, она подходит для сплавов, где циркония не меньше четверти от ниобия; недостающий цирконий добавляют отдельно. Если цирконий в сплаве не нужен вовсе, лучше заказать лигатуру титан-ниобий без циркония — состав согласуем по ТЗ.

Пример расчёта шихты

Нужно получить 100 кг сплава Ti-13Nb-13Zr (без учёта угара и отходов):

Компонент шихты	Масса, кг	Что вносит
Лигатура ТБ34Ц9	39,16	13,0 кг ниобия, 3,37 кг циркония, 22,71 кг титана, 0,078 кг кислорода
Цирконий (йодидный, губчатый или другой)	9,63	недостающий цирконий
Титановая губка	51,21	остальной титан

Обратите внимание на кислород: при 0,2 % в лигатуре 39 кг порошка вносят 0,078 % кислорода в готовый сплав. Его нужно сложить с кислородом губки и циркония и сравнить с требованием к сплаву. Если запас по кислороду мал, в ТЗ укажите допустимое содержание кислорода в лигатуре.

Как вводят порошковую лигатуру при вакуумной плавке

• Вакуумно-дуговой переплав (ВДП). Расходуемый электрод прессуют из титановой губки, лигатур и отходов; порошок смешивают с губкой порциями, чтобы ниобий распределился по всей длине электрода.
• Электронно-лучевая и плазменная плавка, плавка в гарнисаже или в холодном тигле. Порошок удобнее подавать спрессованным в брикеты или таблетки: так он не пылит при откачке и не уносится потоком газа.
• Лабораторная дуговая плавка. Для небольших слитков порошок прессуют в таблетку вместе с остальной шихтой; слиток обычно переворачивают и переплавляют несколько раз.

Хранить порошок лучше в герметичной таре: титановый сплав с развитой поверхностью постепенно набирает кислород и влагу из воздуха.

Что указать в техническом задании

• состав: базовый ТБ34Ц9 или другое соотношение титана, ниобия и циркония;
• допустимое содержание кислорода и других примесей;
• фракцию порошка (базовая — менее 200 мкм);
• количество и сроки;
• для какого процесса плавки нужна лигатура — так проще подобрать форму поставки;
• нужен ли протокол анализа химического состава.

Вопросы и ответы

Можно ли изменить содержание ниобия и циркония?

Да. ТБ34Ц9 — базовый состав; другое соотношение элементов обсуждаем по техническому заданию.

Можно ли использовать порошок не для плавки, а для прессования и спекания?

Да, это обычный порошок сплава. Пригодность для конкретной технологии — спекания, горячего изостатического прессования или аддитивного производства — зависит от формы частиц и фракции, поэтому эти требования лучше сразу указать в ТЗ.

Чем лигатура лучше смеси порошков титана, ниобия и циркония?

В смеси ниобий остаётся отдельными частицами чистого металла с температурой плавления 2477 °C. В лигатуре он уже растворён в титане, поэтому плавится и усваивается вместе с основой.

Где посмотреть другие лигатуры и порошки?

В разделе «Лигатура» — лигатуры на основе алюминия, меди, никеля и других металлов. Отдельно поставляем порошок ниобия, порошок титана, титановые сплавы и цирконий.

Заказать лигатуру ТБ34Ц9

Изготовим порошковую лигатуру титан-ниобий-цирконий по вашему техническому заданию — базового состава ТБ34Ц9 или с другим соотношением элементов. Пришлите состав, фракцию, требования по кислороду и количество на почту 5052082@mail.ru — ответим по срокам и стоимости.