Thermomechanical and microstructural properties of ZnCuTi under different deformation conditions.

Abstract

The present thesis provides thorough investigations on the industrial fabrication of hot-rolled ZnCuTi sheets regarding the continuous casting process, the subsequent thermal treatment and the final hot rolling process. As an additional, more fundamentally aimed investigation along with a possible application in the field of bioabsorbable stents, the same bulk ZnCuTi alloy was highly deformed by high-pressure torsion in order to provoke the formation of an ultra-fine grained microstructure exhibiting extraordinary strength. The key outcome of the investigations on the commercial production of hot-rolled ZnCuTi was the determination and semi-empirical quantitative description of the predominant microstructure forming mechanism during hot working. The coarse grained solidification structure issued from the continuous casting process is not significantly influenced by the applied industrial thermal treatment, but strongly modified by continuous dynamic recrystallization during hot rolling. The initiation and saturation state of recrystallization were empirically determined by flow curve analysis of laboratory compression tests as a function of the deformation parameters. The analytically predicted re-crystallization behaviour was successfully validated by microstructure analysis of samples processed both in the laboratory and in the industrial line covering a wide range of hot working parameters. Additional measurements of the development of the recrystallized grain size have completed the observations on the hot working behaviour of ZnCuTi. Microstructure properties of the hot-rolled end product can now be adjusted by making use of the developed predictions. The prospective application of low-alloyed Zn as bioabsorbable implant was driven ahead through investigations on severe plastic deformation of ZnCuTi. The comparison of HPT deformed ZnCu and ZnCuTi demonstrated that the TiZn16 intermetallic phase particles present in ZnCuTi enable the development of an UFG structure, which exhibits twice the hardness of the CG state. This approach could be used to process strengthened stents composed of Zn alloyed with small amounts of Ti. Indeed, further questions like ductility and workability of the UFG structured alloy have to be clarified, but the results open a new avenue for processing extraordinary strong, low-alloyed zinc alloys.

Esta tesis recoge, en primer lugar, una investigación exhaustiva sobre la fabricación industrial de chapas de aleación ZnCuTi con respecto al proceso de colada continua, el tratamiento térmico posterior y el siguiente proceso de laminación en caliente. En segundo lugar, describe los resultados de una investigación adicional y más fundamental (aunque llevada a cabo para explorar una posible aplicación biomédica del zinc para stents vasculares bioabsorbibles). La misma aleación ZnCuTi fue fuertemente deformada a temperatura ambiente por torsión bajo alta presión para desarrollar una microestructura de granos ultrafinos (próximos al rango nanométrico) que le confiere una resistencia mecánica extraordinaria. El resultado clave de las investigaciones sobre la producción comercial del ZnCuTi laminado en caliente fue la determinación y descripción cuantitativa semi-empírica del mecanismo dominante en la formación de la microestructura final de las chapas. La estructura de solidificación de granos gruesos provocada por el proceso de colada continua no se altera significativamente por el tratamiento térmico industrial previo a la laminación, pero ésta la modifica fuertemente por un proceso de recristalización dinámica continua. La iniciación y la saturación de la recristalización en términos de las variables asociadas al proceso de deformación se han determinado empíricamente mediante un análisis de las curvas de flujo plástico obtenidas por medio de ensayos de compresión de laboratorio. Las predicciones del comportamiento de recristalización hechas a partir de ecuaciones derivadas de ese análisis se verifican satisfactoriamente cuando se aplican al proceso industrial, como se ha comprobado mediante una comparación de muestras procesadas en el laboratorio y en la línea industrial, obtenidas en un amplio rango de parámetros de trabajo en caliente. Medidas adicionales de la evolución del tamaño de grano recristalizado han completado las observaciones sobre el comportamiento de trabajo en caliente de ZnCuTi. Se dispone, por tanto, ahora, de una herramienta para adecuar los parámetros del proceso industrial a la obtención de propiedades microestructurales pre-establecidas del producto final laminado en caliente. En cuanto a la segunda parte del trabajo de la tesis, la aplicación prospectiva del Zn de baja aleación como material para implantes bioabsorbibles exige aumentar la resistencia mecánica del zinc muy por encima de la actual. El trabajo se ha centrado en las posibilidades que ofrece la nanoestructuración por deformación plástica severa (procesos SPD). En concreto se ha sometido a ZnCuTi y ZnCu al proceso HPT (torsión bajo alta presión). La comparación de estructuras y propiedades mecánicas de ambas aleaciones tras HPT muestra que las partículas de fase intermetálica TiZn16 presente en ZnCuTi dan lugar a una estructura de UFG que exhibe el doble de la dureza del estado convencional de la aleación (grano micrométrico). La resistencia alcanzada es totalmente extraordinaria para zinc tan bajo en elementos de aleación (de hecho, esa aleación sería biocompatible) y este enfoque puede ser utilizado para procesar stents de casi zinc puro (con un pequeño contenido de titanio) o para otras aplicaciones que requieran muy alta resistencia en aplicaciones de zinc.