بكارگيري فرآيند فورج چند جهته براي توليد تيتانيم خالص با ساختار فوق ريز دانه

Utilization of multi directional forging for fabrication of ultrafine-grained pure titanium

تيتانيم خالص تجاري (CP) بدليل زيست‌ سازگاري عالي، كاربرد‌هاي زيادي در بايو مواد و نيز ايمپلنت‌ها دارد. مهم‌ترين نقطه ضعف تيتانيم خالص تجاري استحكام پايين‌ آن در مقايسه با ديگر آلياژهاي تيتانيم مي‌باشد. يكي از روش‌هايي كه به‌وسيله آن مي‌توان استحكام تيتانيم را به مقدار قابل توجهي افزايش داد روش‌هاي تغيير شكل پلاستيك شديد از قبيل فرآيند‌ فورج چند‌گانه (MDF) مي‌باشند. لذا هدف پژوهش حاضر، بهبود استحكام تيتانيم CP از طريق ريزدانه‌ سازي آن به‌وسيله فرآيند‌MDF است. بدين منظور قطعات تيتانيم CP پس از 1 ساعت فرآيند آنيل در دماي 800°C، تا 6 پاس تحت فرآيند MDF در دماي محيط قرار گرفتند. بررسي‌هاي ريزساختاري بوسيله ميكروسكوپ نوري و ميكروسكوپ الكتروني روبشي مجهز به EBSD انجام گرفت. خواص مكانيكي نيز توسط آزمون‌هاي ميكروسختي و كشش مطالعه شد. همچنين شبيه سازي اجزاي محدود با استفاده از نرم افزار آباكوس جهت پيش‌بيني توزيع كرنش فرآيند MDF انجام گرفت. نتايج بررسي‌ ريزساختار نشان داد كه ميانگين اندازه دانه پس از اعمال فرآيند MDF كاهش قابل توجهي مي‌يابد و افزايش پاس‌هاي MDF باعث افزايش ريز دانه‌سازي حين فرآيند MDF مي‌گردد. پس از 6 پاس فرآيند MDF ميانگين اندازه دانه از 45 ميكرون به 390 نانومتر كاهش مي‌يابد. نتايج خواص مكانيكي نشان داد كه استحكام و سختي نمونه‌ها با انجام فرآيند MDF و افزايش تعداد پاس‌هاي آن افزايش مي‌يابند. سختي و استحكام تيتانيم CP پس از 6 پاس MDF حدود 2 برابر مقادير متناظر آنها در نمونه آنيل شده بدست مي‌آيد. همچنين نتايج توزيع كرنش حاصل از شبيه‌سازي و توزيع ميكروسختي نمونه‌هاي MDF شده نيز مطابقت خوبي نشان مي‌دهند.

Commercial pure (CP) titanium has many biomedical applications, especially in implants due to its excellent biocompatibility. The major weakness of CP titanium is its low strength compared to the other titanium alloys. One of the methods which can be utilized for enhancement of CP titanium strength is severe plastic deformation methods. Therefore, the aim of this research is to improve the strength of CP titanium by grain refinement through multi directional forging (MDF). For this purpose, after one hour annealing at 800°C, the CP titanium was forged by MDF process up to six passes at ambient temperature. Microstructural analysis was performed by optical microscope and scanning electron microscope equipped with EBSD. Mechanical properties were also studied by Vickers microhardness and tensile tests. The finite element simulation was also applied to predict the strain distribution during MDF process. The results of microstructural analysis showed that the average grain size decreased significantly after the MDF process and increasing pass numbers led to the refinement of grain size. After six passes of the MDF process, the average grain size decreased from 45 micrometers to 390 nm. Mechanical properties results showed that the strength and hardness of specimens were enhanced with MDF process and increasing the number of passes. The hardness and strength of six passes MDFed specimen was about 2 times greater than those of the annealed one. The strain distribution results obtained from the simulation showed good agreement with experimental results of microhardness distribution