TWI755263B - 高強度低模數合金及其用途 - Google Patents
高強度低模數合金及其用途 Download PDFInfo
- Publication number
- TWI755263B TWI755263B TW110102924A TW110102924A TWI755263B TW I755263 B TWI755263 B TW I755263B TW 110102924 A TW110102924 A TW 110102924A TW 110102924 A TW110102924 A TW 110102924A TW I755263 B TWI755263 B TW I755263B
- Authority
- TW
- Taiwan
- Prior art keywords
- strength
- modulus
- low
- modulus alloy
- group
- Prior art date
Links
- 239000000956 alloy Substances 0.000 title claims abstract description 65
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 63
- 239000000654 additive Substances 0.000 claims abstract description 18
- 230000000996 additive effect Effects 0.000 claims abstract description 18
- 229910052804 chromium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 14
- 229910052721 tungsten Inorganic materials 0.000 claims abstract description 14
- 229910052735 hafnium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 13
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims abstract description 13
- 239000007943 implant Substances 0.000 claims abstract description 9
- 229910052720 vanadium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 9
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims description 22
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 17
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims description 12
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 claims description 7
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 claims description 6
- 238000005551 mechanical alloying Methods 0.000 claims description 6
- 230000008018 melting Effects 0.000 claims description 6
- 238000002844 melting Methods 0.000 claims description 6
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 claims description 6
- 229910052796 boron Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 229910052732 germanium Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 229910052745 lead Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 229910052748 manganese Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 229910052698 phosphorus Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 229910052709 silver Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 229910052727 yttrium Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 229910052725 zinc Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 229910052789 astatine Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 230000006698 induction Effects 0.000 claims description 4
- 239000000843 powder Substances 0.000 claims description 4
- 238000004663 powder metallurgy Methods 0.000 claims description 4
- 238000007712 rapid solidification Methods 0.000 claims description 4
- 229910052715 tantalum Inorganic materials 0.000 claims description 4
- GUVRBAGPIYLISA-UHFFFAOYSA-N tantalum atom Chemical compound [Ta] GUVRBAGPIYLISA-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 abstract description 10
- 229910052750 molybdenum Inorganic materials 0.000 abstract description 7
- 229910052758 niobium Inorganic materials 0.000 abstract description 7
- 229910052718 tin Inorganic materials 0.000 abstract description 7
- 229910052726 zirconium Inorganic materials 0.000 abstract description 6
- 239000010936 titanium Substances 0.000 description 54
- 239000010955 niobium Substances 0.000 description 52
- 239000011651 chromium Substances 0.000 description 28
- 239000010949 copper Substances 0.000 description 10
- 238000013461 design Methods 0.000 description 8
- LEONUFNNVUYDNQ-UHFFFAOYSA-N vanadium atom Chemical compound [V] LEONUFNNVUYDNQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- VYZAMTAEIAYCRO-UHFFFAOYSA-N Chromium Chemical compound [Cr] VYZAMTAEIAYCRO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N tungsten Chemical compound [W] WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 239000010937 tungsten Substances 0.000 description 5
- ZOKXTWBITQBERF-UHFFFAOYSA-N Molybdenum Chemical compound [Mo] ZOKXTWBITQBERF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 229910001069 Ti alloy Inorganic materials 0.000 description 4
- ATJFFYVFTNAWJD-UHFFFAOYSA-N Tin Chemical compound [Sn] ATJFFYVFTNAWJD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- VBJZVLUMGGDVMO-UHFFFAOYSA-N hafnium atom Chemical compound [Hf] VBJZVLUMGGDVMO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 239000000463 material Substances 0.000 description 4
- 239000011733 molybdenum Substances 0.000 description 4
- GUCVJGMIXFAOAE-UHFFFAOYSA-N niobium atom Chemical compound [Nb] GUCVJGMIXFAOAE-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- VSZWPYCFIRKVQL-UHFFFAOYSA-N selanylidenegallium;selenium Chemical compound [Se].[Se]=[Ga].[Se]=[Ga] VSZWPYCFIRKVQL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 238000009864 tensile test Methods 0.000 description 4
- 239000007769 metal material Substances 0.000 description 3
- 239000011265 semifinished product Substances 0.000 description 3
- GFNGCDBZVSLSFT-UHFFFAOYSA-N titanium vanadium Chemical compound [Ti].[V] GFNGCDBZVSLSFT-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 238000003466 welding Methods 0.000 description 3
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 210000000988 bone and bone Anatomy 0.000 description 2
- 239000000047 product Substances 0.000 description 2
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 2
- 229910001295 No alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000005266 casting Methods 0.000 description 1
- 238000012993 chemical processing Methods 0.000 description 1
- 229910017052 cobalt Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010941 cobalt Substances 0.000 description 1
- GUTLYIVDDKVIGB-UHFFFAOYSA-N cobalt atom Chemical compound [Co] GUTLYIVDDKVIGB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000005489 elastic deformation Effects 0.000 description 1
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 1
- 230000002439 hemostatic effect Effects 0.000 description 1
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- PZQADQWPBJVVGH-UHFFFAOYSA-N niobium titanium zirconium Chemical compound [Ti].[Zr].[Nb] PZQADQWPBJVVGH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 1
- 238000003672 processing method Methods 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 1
- 238000005245 sintering Methods 0.000 description 1
- 230000000087 stabilizing effect Effects 0.000 description 1
- 210000001562 sternum Anatomy 0.000 description 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 1
- 238000007751 thermal spraying Methods 0.000 description 1
- 230000002792 vascular Effects 0.000 description 1
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
- C22C—ALLOYS
- C22C30/00—Alloys containing less than 50% by weight of each constituent
- C22C30/04—Alloys containing less than 50% by weight of each constituent containing tin or lead
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
- B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
- B33Y70/00—Materials specially adapted for additive manufacturing
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
- C22C—ALLOYS
- C22C1/00—Making non-ferrous alloys
- C22C1/02—Making non-ferrous alloys by melting
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
- C22C—ALLOYS
- C22C1/00—Making non-ferrous alloys
- C22C1/04—Making non-ferrous alloys by powder metallurgy
- C22C1/045—Alloys based on refractory metals
- C22C1/0458—Alloys based on titanium, zirconium or hafnium
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
- C22C—ALLOYS
- C22C14/00—Alloys based on titanium
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
- C22C—ALLOYS
- C22C16/00—Alloys based on zirconium
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
- C22C—ALLOYS
- C22C30/00—Alloys containing less than 50% by weight of each constituent
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
- C22C—ALLOYS
- C22C30/00—Alloys containing less than 50% by weight of each constituent
- C22C30/02—Alloys containing less than 50% by weight of each constituent containing copper
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
- C22C—ALLOYS
- C22C30/00—Alloys containing less than 50% by weight of each constituent
- C22C30/06—Alloys containing less than 50% by weight of each constituent containing zinc
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
- C22F—CHANGING THE PHYSICAL STRUCTURE OF NON-FERROUS METALS AND NON-FERROUS ALLOYS
- C22F1/00—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working
- C22F1/16—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working of other metals or alloys based thereon
- C22F1/18—High-melting or refractory metals or alloys based thereon
- C22F1/183—High-melting or refractory metals or alloys based thereon of titanium or alloys based thereon
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
- C22F—CHANGING THE PHYSICAL STRUCTURE OF NON-FERROUS METALS AND NON-FERROUS ALLOYS
- C22F1/00—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working
- C22F1/16—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working of other metals or alloys based thereon
- C22F1/18—High-melting or refractory metals or alloys based thereon
- C22F1/186—High-melting or refractory metals or alloys based thereon of zirconium or alloys based thereon
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Metallurgy (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Thermal Sciences (AREA)
- Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Materials For Medical Uses (AREA)
- Powder Metallurgy (AREA)
Abstract
本發明主要揭示一種高強度低模數合金，其由至少五種主要元素和至少一種添加元素組成。其中，所述五種主要元素為Ti、Zr、Nb、Mo、和Sn，且所述添加元素則選自於由V、W、Cr、和Hf所組成群組之中的至少一者。依據本發明之設計，Ti與Zr的原子百分比總和係小於或等於85at%，且添加元素之原子百分比總和係小於或等於4at%。實驗數據顯示，本發明之高強度低模數合金的多個樣品之降伏強度皆大於600MPa且楊氏模數皆小於90GPa。因此，實驗數據證明，本發明之高強度低模數合金具有應用於製作元件、器具、醫療器械、和外科植入材之高度潛力。
Description
本發明係關於合金材料之相關技術領域，尤指一種高強度低模數合金。
材料工程師必然知道，當一特定材料的某一個力學性質(或稱機械性質)特別優秀時，其必然同時具有另一個相對較差的力學性質。舉例而言，雖然金屬材料通常具有高強度，但其彈性應變(elastic strain)極限一般小於0.2%，且具有高達數百GPa的楊氏模數。相反地，橡膠材料通常具有高彈性變形能力，但其強度通常低於100MPa。因此，如何設計製造出具高強度和低楊氏模數的金屬材料於是成為受到重視的課題。
鈦合金即為一種具高強度和低楊氏模數的金屬材料，其被廣泛地應用在航太、船艦、化工、汽車、運動器材、醫療器械、生醫材料(外科植入材)、高爾夫球桿等應用領域。以6鋁4釩鈦(Ti-6Al-4V)合金為例，其具有超過850MPa的降伏強度與大於100GPa的楊氏模數。雖然6鋁4釩鈦合金的楊氏模數係相對於其它傳統金屬或合金而言顯得不高，但是仍舊大於100GPa，使得6鋁4釩鈦合金的彈性性質並不突出，從而使其在需要高彈性性質的應用領域受到限制。
研究顯示，包含β穩定元素(beta stabilizing elements)的β型鈦合金具有高彈性性質，例如鈮鋯鈦(Ti-Nb-Zr)合金具有低於50GPa的楊氏模數。可惜的是，現有的各種Ti-Nb-Zr系列合金的降伏強度很難高於600MPa。
由上述說明可知，目前仍未有兼具高強度性質和高彈性性質合金被成功研究或開發。有鑑於此，本案之發明人係極力加以研究發明，而終於研發完成一種高強度低模數合金。
本發明之主要目的在於提供一種高強度低模數合金，其由至少五種主要元素和至少一種添加元素組成。其中，所述五種主要元素為Ti、Zr、Nb、Mo、和Sn，且所述添加元素則選自於由V、W、Cr、和Hf所組成群組之中的至少一者。依據本發明之設計，Ti與Zr的原子百分比總和係小於或等於85at%，且添加元素之原子百分比總和係小於或等於4at%。實驗數據顯示，本發明之高強度低模數合金的多個樣品之降伏強度皆大於600MPa且楊氏模數皆小於90GPa。因此，實驗數據證明，本發明之高強度低模數合金具有應用於製作元件、器具、醫療器械、和外科植入材之高度潛力。
為達成上述目的，本發明提出所述高強度低模數合金之一第一實施例，其具有大於600MPa的降伏強度以及小於90GPa的楊氏模數，且其組成為Ti
rZr
sNb
tMo
xSn
yM
a；
其中，M為選自於由V、W、Cr、和Hf所組成群組之中的至少一種第一添加元素；
其中，r、s、t、x、y、和a皆為原子百分比之數值，且r、s、t、x、y、和a滿足以下不等式：15≦r≦50、26≦s≦50、3≦t≦20、x≦3.5、y≦12、a≦4、以及(r+s)≦85。
並且，本發明同時提出所述高強度低模數合金之一第二實施例，其係具有大於600MPa的降伏強度以及小於90GPa的楊氏模數，且其組成為Ti
rZr
sNb
tMo
xSn
yTa
zM
a；
其中，M為選自於由V、W、Cr、和Hf所組成群組之中的至少一種第一添加元素；
其中，r、s、t、x、y、z、和a皆為原子百分比之數值，且r、s、t、x、y、z、和a滿足以下不等式：15≦r≦50、26≦s≦50、3≦t≦20、x≦3.5、y≦12、z≦5、a≦4、以及(r+s)≦85。
進一步地，本發明同時提出所述高強度低模數合金之一第三實施例，其係具有大於600MPa的降伏強度以及小於90GPa的楊氏模數，且其組成為Ti
rZr
sNb
tMo
xSn
yM
aN
b；
其中，M為選自於由V、W、Cr、和Hf所組成群組之中的至少一種第一添加元素；
其中，N為選自於由Cu、Al、Ni、Au、Ag、Fe、Co、Mn、Zn、Pb、Ge、P、Mg、Ce、Y、La、Sb、C、Si、B、和O所組成群組之中的至少一種第二添加元素；
其中，r、s、t、x、y、a、和b皆為原子百分比之數值，且r、s、t、x、y、a、和b滿足以下不等式：15≦r≦50、26≦s≦50、3≦t≦20、x≦3.5、y≦12、a≦4、b≦3、以及(r+s)≦85。
進一步地，本發明又提出所述高強度低模數合金之一第四實施例，其係具有大於600MPa的降伏強度以及小於90GPa的楊氏模數，且其組成為Ti
rZr
sNb
tMo
xSn
yTa
zM
aN
b；
其中，M為選自於由V、W、Cr、和Hf所組成群組之中的至少一種第一添加元素；
其中，N為選自於由Cu、Al、Ni、Au、Ag、Fe、Co、Mn、Zn、Pb、Ge、P、Mg、Ce、Y、La、Sb、C、Si、B、和O所組成群組之中的至少一種第二添加元素；
其中，r、s、t、x、y、z、a、和b皆為原子百分比之數值，且r、s、t、x、y、z、a、和b滿足以下不等式：15≦r≦50、26≦s≦50、3≦t≦20、x≦3.5、y≦12、z≦5、a≦4、b≦3、以及(r+s)≦85。
在可行的實施例中，所述高強度低模數合金係利用選自於由真空電弧熔煉法、電熱絲加熱法、感應加熱法、快速凝固法、機械合金法、和粉末冶金法所組成群組之一種製程方法所製成。
在可行的實施例中，所述高強度低模數合金之型態為下列任一者：粉末、線材、焊條、包藥焊絲、或塊材。
進一步地，本發明同時提供一種高強度低模數合金之用途，其係用於一外科植入材、一醫療器械、一元件、或一器具之製造。
為了能夠更清楚地描述本發明之一種高強度低模數合金及其用途，以下將配合圖式，詳盡說明本發明之較佳實施例。
實施例一
於實施例一中，本發明之所述高強度低模數合金係具有大於600MPa的降伏強度以及小於90GPa的楊氏模數，且其組成為Ti
rZr
sNb
tMo
xSn
yM
a。其中，M為選自於由釩(V)、鎢(W)、鉻(Cr)、和鉿(Hf)所組成群組之至少一種第一添加元素，且r、s、t、x、y、和a皆為原子百分比之數值。依據本發明之設計，r、s、t、x、y、和a滿足以下不等式：15≦r≦50、26≦s≦50、3≦t≦20、x≦3.5、y≦12、a≦4、以及(r+s)≦85。舉例而言，所述高強度低模數合金包括：48at%的鈦(Ti)、28at%的鋯(Zr)、15at%的鈮(Nb)、3at%的鉬(Mo)、以及6at%的錫(Sn)。在此情況下，所述高強度低模數合金的組成為Ti
48Zr
28Nb
15Mo
3Sn
6，亦即，r=48、s=28、t=15、x=3、y=6、且a=0。
實施例二
於實施例二中，本發明之所述高強度低模數合金同樣具有大於600MPa的降伏強度以及小於90GPa的楊氏模數，且其組成為Ti
rZr
sNb
tMo
xSn
yTa
zM
a。其中，M為選自於由釩(V)、鎢(W)、鉻(Cr)、和鉿(Hf)所組成群組之至少一種第一添加元素，且r、s、t、x、y、z、和a皆為原子百分比之數值。依據本發明之設計，r、s、t、x、y、z、和a滿足以下不等式：15≦r≦50、26≦s≦50、3≦t≦20、x≦3.5、y≦12、z≦5、a≦4、以及(r+s)≦85。舉例而言，所述高強度低模數合金包括：48at%的鈦(Ti)、28at%的鋯(Zr)、12.5at%的鈮(Nb)、3.5at%的鉬(Mo)、2at%的錫(Sn)、3at%的鉭(Ta)、2at%的鉻(Cr)、以及1at%的鎢(W)。在此情況下，所述高強度低模數合金的組成為Ti
48Zr
28Nb
12.5Mo
3.5Sn
2Ta
3Cr
2W
1，亦即，r=48、s=28、t=12.5、x=3.5、y=2、z=3、且a=2+1=3。
實施例三
於實施例三中，本發明之所述高強度低模數合金係具有大於600MPa的降伏強度以及小於90GPa的楊氏模數，且其組成為Ti
rZr
sNb
tMo
xSn
yM
aN
b。其中，M為選自於由釩(V)、鎢(W)、鉻(Cr)、和鉿(Hf)所組成群組之至少一種第一添加元素，N為選自於由銅Cu、Al、Ni、Au、Ag、Fe、Co、Mn、Zn、Pb、Ge、P、Mg、Ce、Y、La、Sb、C、Si、B、和O所組成群組之中的至少一種第二添加元素，且r、s、t、x、y、a、和b皆為原子百分比之數值。
依據本發明之設計，r、s、t、x、y、a、和b滿足以下不等式：15≦r≦50、26≦s≦50、3≦t≦20、x≦3.5、y≦12、a≦4、b≦3、以及(r+s)≦85。舉例而言，所述高強度低模數合金包括：48at%的鈦(Ti)、26at%的鋯(Zr)、7at%的鈮(Nb)、3at%的鉬(Mo)、12at%的錫(Sn)、2at%的釩(V)、以及2at%的銅(Cu)。在此情況下，所述高強度低模數合金的組成為Ti
48Zr
26Nb
7Mo
3Sn
12V
2Cu
2，亦即，r=48、s=26、t=7、x=3、y=12、a=2、且b=2。
實施例四
於實施例四中，本發明之所述高強度低模數合金同樣具有大於600MPa的降伏強度以及小於90GPa的楊氏模數，且其組成為Ti
rZr
sNb
tMo
xSn
yTa
zM
aN
b。其中，M為選自於由釩(V)、鎢(W)、鉻(Cr)、和鉿(Hf)所組成群組之至少一種第一添加元素，N為選自於由Cu、Al、Ni、Au、Ag、Fe、Co、Mn、Zn、Pb、Ge、P、Mg、Ce、Y、La、Sb、C、Si、B、和O所組成群組之中的至少一種第二添加元素，且r、s、t、x、y、z、a、和b皆為原子百分比之數值。
依據本發明之設計，r、s、t、x、y、z、a、和b滿足以下不等式：15≦r≦50、26≦s≦50、3≦t≦20、x≦3.5、y≦12、z≦5、a≦4、b≦3、以及(r+s)≦85。舉例而言，所述高強度低模數合金包括：48at%的鈦(Ti)、29at%的鋯(Zr)、3at%的鈮(Nb)、3at%的鉬(Mo)、9at%的錫(Sn)、4at%的鉭(Ta)、1at%的釩(V)、2at%的鈷(Co)、以及1at%的矽(Si)。在此情況下，所述高強度低模數合金的組成為Ti
48Zr
29Nb
3Mo
3Sn
9Ta
4V
1Co
2Si
1，亦即，r=48、s=29、t=3、x=3、y=9、z=4、a=1、且b=2+1=3。
值得說明的是，本發明之高強度低模數合金可利用真空電弧熔煉法、電熱絲加熱法、感應加熱法、快速凝固法、機械合金法、或者粉末冶金法製成，並且其成品或半成品之形態可為粉末、線材、焊條、包藥焊絲、或塊材。另一方面，熟悉合金材料設計與製造的工程師能夠根據其工程經驗將本發明之高強度低模數合金的成品或半成品進行加工，以便將本發明之高強度低模數合金的成品或半成品加工製造為一外科植入材、一醫療器械、一元件、或一器具之製造。舉例而言，所述元件如彈簧、線圈、導線、葉片、彈性片等，所述器件如閥件、扣件、夾具、鏡框、運動器材等，所述外科植入材如人工關節、人工骨、牙冠、冠釘、固定橋、義齒卡環、基托等，且所述醫療器械如手術刀片、止血鉗、手術剪、電動骨鑽、鑷子、血管縫合針、胸骨縫合線等。補充說明的是，前述之加工方式可以是鑄造、電弧焊、雷射焊、電漿焊、熱噴塗、熱燒結、3D積層製造、機械加工、或化學加工。
為了證實本發明之高強度低模數合金的確能夠被據以實施的，以下將藉由多組實驗資料的呈現，加以證實之。
實驗例一
於實驗例一中，係利用真空電弧熔煉爐來製造本發明之高強度低模數合金的多個樣品，並接著製作各個樣品之試片用於進行拉伸試驗。完成拉伸試驗後，所述多個樣品之組成及其相關實驗數據係整理於下表(1)之中。
表(1)
| 樣品 | 合金組成 | 降伏強度 (MPa) | 楊氏模數 (GPa) |
| #1 | Ti 48Zr 28Nb 15Mo 3Sn 6 | 915 | 79.7 |
| #2 | Ti 48Zr 28Nb 12.5Mo 3.5Sn 2Ta 3Cr 2W 1 | 973 | 85.3 |
| #3 | Ti 48Zr 26Nb 7Mo 3Sn 12V 2Cu 2 | 988 | 89.5 |
| #4 | Ti 48Zr 29Nb 3Mo 3Sn 9Ta 4V 1Co 2Si 1 | 994 | 89.8 |
| #5 | Ti 48Zr 26Nb 12Mo 2Sn 2Ta 5Hf 2Ni 2Al 1 | 995 | 83.2 |
| #6 | Ti 40Zr 40Nb 5Mo 3.5Sn 6.5Ta 2Cr 3 | 1056 | 82.5 |
| #7 | Ti 40Zr 35Nb 8Mo 3.5Sn 6.5V 4Fe 3 | 1098 | 85.6 |
| #8 | Ti 40Zr 33Nb 14Mo 3Sn 3W 4Zn 3 | 1103 | 87.3 |
| #9 | Ti 40Zr 38Nb 11Mo 3Sn 3Cr 2Mn 2O 1 | 1122 | 83.1 |
| #10 | Ti 40Zr 31Nb 13Mo 3Sn 8V 2Ge 2P 1 | 1156 | 89.1 |
由上表(1)可以發現，10種樣品包含了本發明之高強度低模數合金的實施例一、實施例二、實施例三、以及實施例四之成分組成。因此，實驗例一之有關實驗數據顯示，本發明之高強度低模數合金的確具有大於600MPa的降伏強度以及小於90GPa的楊氏模數。
實驗例二
於實驗例二中，係同樣利用真空電弧熔煉爐來製造本發明之高強度低模數合金的多個樣品，並接著製作各個樣品之試片用於進行拉伸試驗。完成拉伸試驗後，所述多個樣品之組成及其相關實驗數據係整理於下表(2)和表(3)之中。
表(2)
表(3)
| 樣品 | 合金組成 | 降伏強度 (MPa) | 楊氏模數 (GPa) |
| #11 | Ti 35Zr 40Nb 15Mo 2Sn 8 | 1049 | 80.3 |
| #12 | Ti 35Zr 31Nb 16Mo 3Sn 8Ta 3Cr 4 | 1083 | 86.7 |
| #13 | Ti 35Zr 37Nb 17Mo 3.5Sn 0.5Ta 1V 4Y 2 | 993 | 82.3 |
| #14 | Ti 35Zr 36Nb 17Mo 3Sn 4Ta 1Hf 1Au 2C 1 | 1105 | 89.9 |
| #15 | Ti 35Zr 35Nb 18Mo 2Sn 5Ta 1W 1Mg 2B 1 | 1139 | 89.8 |
| #16 | Ti 32Zr 33Nb 20Mo 0.5Sn 7.5Ta 3V 4 | 1021 | 79.2 |
| #17 | Ti 32Zr 37Nb 20Mo 2Sn 2Ta 3Cr 4 | 1047 | 85.4 |
| #18 | Ti 32Zr 36Nb 17Mo 3Sn 7Ta 1Cr 2W 2 | 1083 | 86.9 |
| #19 | Ti 32Zr 33Nb 17Mo 3Sn 9Ta 2V 1La 3 | 1189 | 89.9 |
| #20 | Ti 32Zr 35Nb 15Mo 3.5Sn 8.5Ta 1W 2Ag 2Pb 1 | 1096 | 87.1 |
| 樣品 | 合金組成 | 降伏強度 (MPa) | 楊氏模數 (GPa) |
| #21 | Ti 27Zr 29Nb 20Mo 3.5Sn 10.5Ta 3Cr 4Cu 2Sb 1 | 1159 | 89.7 |
| #22 | Ti 27Zr 37Nb 18Mo 3Sn 6Ta 2V 4Ni 2Ce 1 | 1119 | 88.5 |
| #13 | Ti 27Zr 37Nb 16Mo 1Sn 12Ta 2Cr 1W 1Al 3 | 1138 | 89.3 |
| #24 | Ti 27Zr 48Nb 12Mo 3Sn 3Ta 1Cr 3Co 2O 1 | 1219 | 89.3 |
| #25 | Ti 27Zr 44Nb 15Mo 2Sn 5Ta 1V 3Fe 1Mn 1C 1 | 1183 | 85.9 |
| #26 | Ti 20Zr 40Nb 18Mo 3.5Sn 9.5Ta 5V 1Ge 3 | 1149 | 89.6 |
| #27 | Ti 20Zr 48Nb 13Mo 3Sn 7Ta 5V 1Zn 2B 1 | 1208 | 89.8 |
| #28 | Ti 20Zr 50Nb 17Mo 3Sn 3Ta 1Cr 3W 1Y 2 | 1143 | 89.3 |
| #29 | Ti 20Zr 50Nb 20Mo 3Sn 1Ta 2Hf 2La 1Si 1 | 1089 | 87.7 |
| #30 | Ti 20Zr 43Nb 18Mo 3Sn 9Ta 2V 1Cr 1Pb 2P 1 | 1209 | 88.1 |
由上表(2)、表(3)可以發現，本發明之高強度低模數合金的20種樣品皆具有大於600MPa的降伏強度以及小於90GPa的楊氏模數。
如此，上述係已完整且清楚地說明本發明所揭示的一種高強度低模數合金的所有實施例及其實驗數據。並且，由上述說明可知本發明具有以下特徵及優點：
(1) 本發明主要揭示一種高強度低模數合金，其包括至少五種主要元素以及至少一種添加元素，其中所述五種主要元素為Ti、Zr、Nb、Mo、和Sn，且所述添加元素選自於V、W、Cr、和Hf之中。依據本發明之設計，Ti與Zr的原子百分比總和係小於或等於85at%，且添加元素之原子百分比總和係小於或等於4at%。實驗數據顯示，本發明之高強度低模數合金的多個樣品之降伏強度皆大於600MPa且楊氏模數皆小於90GPa。
(2) 並且，實驗數據證明，本發明之高強度低模數合金具有應用於製作元件、器具、醫療器械、和外科植入材之高度潛力。
然而，必須加以強調的是，前述本案所揭示者乃為較佳實施例，舉凡局部之變更或修飾而源於本案之技術思想而為熟習該項技藝之人所易於推知者，俱不脫本案之專利權範疇。
無
無
Claims (10)
- 一種高強度低模數合金，係具有大於600MPa的降伏強度以及小於90GPa的楊氏模數，且其組成為TirZrsNbtMoxSnyMa；其中，M為選自於由V、W、Cr、和Hf所組成群組之中的至少一種第一添加元素；其中，r、s、t、x、y、和a皆為原子百分比之數值，且r、s、t、x、y、和a滿足以下不等式：15≦r≦50、26≦s≦50、3≦t<20、0<x≦3.5、0<y≦12、a≦4、以及(r+s)≦85。
- 如請求項1所述之高強度低模數合金，係更包括鉭(Ta)元素而使其組成為TirZrsNbtMoxSnyTazMa；其中，z為原子百分比之數值，且其滿足不等式z≦5。
- 如請求項1或請求項2所述之高強度低模數合金，其中，所述高強度低模數合金係利用選自於由真空電弧熔煉法、電熱絲加熱法、感應加熱法、快速凝固法、機械合金法、和粉末冶金法所組成群組之一種製程方法所製成。
- 如請求項1或請求項2所述之高強度低模數合金，其中，所述高強度低模數合金之型態為下列任一者：粉末、線材、焊條、包藥焊絲、或塊材。
- 一種如請求項1至請求項4中任一項所述之高強度低模數合金的用途，其係用於一外科植入材、一醫療器械、一元件、或一器具之製造。
- 一種高強度低模數合金，係具有大於600MPa的降伏強度以及小於90GPa的楊氏模數，且其組成為TirZrsNbtMoxSnyMaNb；其中，M為選自於由V、W、Cr、和Hf所組成群組之中的至少一種第一添加元素；其中，N為選自於由Cu、Al、Ni、Au、Ag、Fe、Co、Mn、Zn、Pb、Ge、P、Mg、Ce、Y、La、Sb、C、Si、B、和O所組成群組之中的至少一種第二添加元素；其中，r、s、t、x、y、a、和b皆為原子百分比之數值，且r、s、t、x、y、a、和b滿足以下不等式：15≦r≦50、26≦s≦50、3≦t<20、0<x≦3.5、0<y≦12、a≦4、b≦3、以及(r+s)≦85。
- 如請求項6所述之高強度低模數合金，係更包括鉭(Ta)元素而使其組成為TirZrsNbtMoxSnyTazMaNb；其中，z為原子百分比之數值，且其滿足不等式z≦5。
- 如請求項6或請求項7所述之高強度低模數合金，其中，所述高強度低模數合金係利用選自於由真空電弧熔煉法、電熱絲加熱法、感應加熱法、快速凝固法、機械合金法、和粉末冶金法所組成群組之一種製程方法所製成。
- 如請求項6或請求項7所述之高強度低模數合金，其中，所述高強度低模數合金之型態為下列任一者：粉末、線材、焊條、包藥焊絲、或塊材。
- 一種如請求項6至請求項9中任一項所述之高強度低模數合金的用途，其係用於一外科植入材、一醫療器械、一元件、或一器具之製造。
Priority Applications (4)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| TW110102924A TWI755263B (zh) | 2021-01-27 | 2021-01-27 | 高強度低模數合金及其用途 |
| EP21178465.7A EP4036263A1 (en) | 2021-01-27 | 2021-06-09 | High strength and low modulus alloy and article comprising the same |
| US17/351,232 US11466348B2 (en) | 2021-01-27 | 2021-06-18 | High strength and low modulus alloy and article comprising the same |
| JP2021106213A JP7267631B2 (ja) | 2021-01-27 | 2021-06-28 | 高強度低モジュラス合金 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| TW110102924A TWI755263B (zh) | 2021-01-27 | 2021-01-27 | 高強度低模數合金及其用途 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| TWI755263B true TWI755263B (zh) | 2022-02-11 |
| TW202229571A TW202229571A (zh) | 2022-08-01 |
Family
ID=76355363
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| TW110102924A TWI755263B (zh) | 2021-01-27 | 2021-01-27 | 高強度低模數合金及其用途 |
Country Status (4)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US11466348B2 (zh) |
| EP (1) | EP4036263A1 (zh) |
| JP (1) | JP7267631B2 (zh) |
| TW (1) | TWI755263B (zh) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN116287863B (zh) * | 2023-02-21 | 2025-06-13 | 南京理工大学连云港研究院 | 高强高塑生物医用Zr-Nb-Ti-Ta系合金及方法 |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN105734312A (zh) * | 2016-03-10 | 2016-07-06 | 北京科技大学 | 一种生物医用TiZrNbTa系高熵合金及其制备方法 |
| CN107090554A (zh) * | 2017-03-31 | 2017-08-25 | 江苏大学 | 一种兼具低弹性模量和高强度的β型Zr‑Ti‑Nb‑Ta‑Sn系合金及其制备方法 |
| CN109628796A (zh) * | 2019-01-21 | 2019-04-16 | 北京航空航天大学 | 一种高弹性高强度钛合金及其制备方法和应用 |
| CN112176220A (zh) * | 2020-10-23 | 2021-01-05 | 河北工业大学 | 一种高强韧耐蚀β型钛锆基合金及其制备方法 |
Family Cites Families (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6767418B1 (en) * | 1999-04-23 | 2004-07-27 | Terumo Kabushiki Kaisha | Ti-Zr type alloy and medical appliance formed thereof |
| US6238491B1 (en) * | 1999-05-05 | 2001-05-29 | Davitech, Inc. | Niobium-titanium-zirconium-molybdenum (nbtizrmo) alloys for dental and other medical device applications |
| CN102925822B (zh) * | 2012-10-19 | 2014-06-11 | 南京理工大学 | 高氧含量金属玻璃复合材料及其制备方法 |
| CN103215472B (zh) * | 2013-04-18 | 2016-06-22 | 大连理工大学 | 一种低模量低磁化率的BCC Zr-Ti-Mo-Sn-Nb合金 |
| CN111676407B (zh) * | 2020-05-20 | 2021-07-09 | 东南大学 | 一种高强度低弹性模量医用植入锆合金及制备方法 |
-
2021
- 2021-01-27 TW TW110102924A patent/TWI755263B/zh active
- 2021-06-09 EP EP21178465.7A patent/EP4036263A1/en active Pending
- 2021-06-18 US US17/351,232 patent/US11466348B2/en active Active
- 2021-06-28 JP JP2021106213A patent/JP7267631B2/ja active Active
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN105734312A (zh) * | 2016-03-10 | 2016-07-06 | 北京科技大学 | 一种生物医用TiZrNbTa系高熵合金及其制备方法 |
| CN107090554A (zh) * | 2017-03-31 | 2017-08-25 | 江苏大学 | 一种兼具低弹性模量和高强度的β型Zr‑Ti‑Nb‑Ta‑Sn系合金及其制备方法 |
| CN109628796A (zh) * | 2019-01-21 | 2019-04-16 | 北京航空航天大学 | 一种高弹性高强度钛合金及其制备方法和应用 |
| CN112176220A (zh) * | 2020-10-23 | 2021-01-05 | 河北工业大学 | 一种高强韧耐蚀β型钛锆基合金及其制备方法 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 期刊韕Xuehui Yan等人，「A body-centered cubic Zr50Ti35Nb15 medium-entropy alloy with unique properties」，Scripta Materialia，Vol. 178，2020年3月15日出版，第329至333頁。韕 韕1韕1韕1韕1韕1韕 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| US20220235440A1 (en) | 2022-07-28 |
| EP4036263A1 (en) | 2022-08-03 |
| JP2022115040A (ja) | 2022-08-08 |
| US11466348B2 (en) | 2022-10-11 |
| TW202229571A (zh) | 2022-08-01 |
| JP7267631B2 (ja) | 2023-05-02 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Motallebzadeh et al. | Microstructural, mechanical and electrochemical characterization of TiZrTaHfNb and Ti1. 5ZrTa0. 5Hf0. 5Nb0. 5 refractory high-entropy alloys for biomedical applications | |
| Zhang et al. | Powder bed fusion manufacturing of beta-type titanium alloys for biomedical implant applications: A review | |
| CN101921929B (zh) | 用于骨科植入的含氧医用β钛合金及其制备方法 | |
| JP6491754B2 (ja) | 高強度と超低弾性係数を有するチタン合金 | |
| TWI755263B (zh) | 高強度低模數合金及其用途 | |
| AU2018371164B2 (en) | Ternary Ti-Zr-O alloys, methods for producing same and associated utilizations thereof | |
| US10087506B2 (en) | Ultrahigh strength and ultralow elastic modulus titanium alloy showing linear elastic deformation behavior | |
| WO2011118615A1 (ja) | 生体用Ｃｏ基合金およびステント | |
| US20240002982A1 (en) | Superelastic alloys | |
| CN114807710B (zh) | 高强度低模数合金及其用途 | |
| US20090088845A1 (en) | Titanium tantalum oxygen alloys for implantable medical devices | |
| TWI526551B (zh) | 超彈性合金 | |
| US20070131318A1 (en) | Medical alloys with a non-alloyed dispersion and methods of making same | |
| JP6160699B2 (ja) | 生体用ジルコニウム合金、その製造方法およびその生体用ジルコニウム合金を用いた生体用医療器具 | |
| US11634798B2 (en) | Low modulus corrosion-resistant alloy and article comprising the same | |
| WO2020105570A1 (ja) | 医療用Ｐｔ－Ｃｏ系合金 | |
| TWI579384B (zh) | 超彈性合金 | |
| CN114807721A (zh) | 低模数耐蚀合金及其用途 | |
| JP2014194083A (ja) | 低弾性チタン合金 | |
| Svanidze et al. | Ti $ _ {1-x} $ Au $ _x $ Alloys: Hard Biocompatible Metals and Their Possible Applications | |
| CN119952046A (zh) | 一种用于增材制造的钛合金粉末及增材制造方法与钛合金件及应用 | |
| Auditee | Design and fabrication of biocompatible copper based shape memory alloy by spark plasma sintering | |
| KR20200121944A (ko) | 저탄성계수와 고강도를 갖는 생체 적합성이 우수한 타이타늄 합금 | |
| US20180274070A1 (en) | Biocompatible Ti-based metallic glass for additive manufacturing |