CN114807710A

CN114807710A - 高强度低模数合金及其用途

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Publication number: CN114807710A
Application number: CN202110108550.5A
Authority: CN
Inventors: 叶均蔚
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2021-01-27
Filing date: 2021-01-27
Publication date: 2022-07-29
Anticipated expiration: 2041-01-27
Also published as: CN114807710B

Abstract

本发明主要提供一种高强度低模数合金，其由至少五种主要元素和至少一种添加元素组成。其中，所述五种主要元素为Ti、Zr、Nb、Mo、和Sn，且所述添加元素则选自于由V、W、Cr、和Hf所组成群组之中的至少一者。依据本发明的设计，Ti与Zr的原子百分比总和小于或等于85at％，且添加元素的原子百分比总和小于或等于4at％。实验数据显示，本发明的高强度低模数合金的多个样品的屈服强度皆大于600MPa且杨氏模量皆小于90GPa。因此，实验数据证明，本发明的高强度低模数合金具有应用于制作组件、器具、医疗器械、和外科植入材料的高度潜力。

Description

高强度低模数合金及其用途

技术领域

本发明是关于合金材料的相关技术领域，尤指一种高强度低模数合金。

背景技术

材料工程师必然知道，当一特定材料的某一个力学性质(或称机械性质)特别优秀时，其必然同时具有另一个相对较差的力学性质。举例而言，虽然金属材料通常具有高强度，但其弹性应变(elastic strain) 极限一般小于0.2％，且具有高达数百GPa的杨氏模量。相反地，橡胶材料通常具有高弹性变形能力，但其强度通常低于100MPa。因此，如何设计制造出具高强度和低杨氏模量的金属材料于是成为受到重视的课题。

钛合金即为一种具高强度和低杨氏模量的金属材料，其被广泛地应用在航天、船舰、化工、汽车、运动器材、医疗器械、生医材料(外科植入材)、高尔夫球杆等应用领域。以6铝4钒钛(Ti-6Al-4V)合金为例，其具有超过850MPa的屈服强度与大于100GPa的杨氏模量。虽然6铝4钒钛合金的杨氏模量相对于其它传统金属或合金而言显得不高，但是仍旧大于100GPa，使得6铝4钒钛合金的弹性性质并不突出，从而使其在需要高弹性性质的应用领域受到限制。

研究显示，包含β稳定元素(beta stabilizing elements)的β型钛合金具有高弹性性质，例如铌锆钛(Ti-Nb-Zr)合金具有低于50GPa 的杨氏模量。可惜的是，现有的各种Ti-Nb-Zr系列合金的屈服强度很难高于600MPa。

由上述说明可知，目前仍未有兼具高强度性质和高弹性性质合金被成功研究或开发。有鉴于此，本案的发明人极力加以研究发明，而终于研发完成一种高强度低模数合金。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种高强度低模数合金，其由至少五种主要元素和至少一种添加元素组成。其中，所述五种主要元素为Ti、 Zr、Nb、Mo、和Sn，且所述添加元素则选自于由V、W、Cr、和Hf所组成群组之中的至少一者。依据本发明的设计，Ti与Zr的原子百分比总和小于或等于85at％，且添加元素的原子百分比总和小于或等于 4at％。实验数据显示，本发明的高强度低模数合金的多个样品的屈服强度皆大于600MPa且杨氏模量皆小于90GPa。因此，实验数据证明，本发明的高强度低模数合金具有应用于制作组件、器具、医疗器械、和外科植入材料的高度潜力。

为达成上述目的，本发明提出所述高强度低模数合金的一第一实施例，其具有大于600MPa的屈服强度以及小于90GPa的杨氏模量，且其组成为TirZrsNbtMoxSnyMa；

其中，M为选自于由V、W、Cr、和Hf所组成群组之中的至少一种第一添加元素；

其中，r、s、t、x、y、和a皆为原子百分比的数值，且r、s、t、 x、y、和a满足以下不等式：15≦r≦50、26≦s≦50、3≦t≦20、x≦ 3.5、y≦12、a≦4、以及(r+s)≦85。

并且，本发明同时提出所述高强度低模数合金的一第二实施例，其具有大于600MPa的屈服强度以及小于90GPa的杨氏模量，且其组成为TirZrsNbtMoxSnyTazMa；

其中，r、s、t、x、y、z、和a皆为原子百分比的数值，且r、s、 t、x、y、z、和a满足以下不等式：15≦r≦50、26≦s≦50、3≦t≦ 20、x≦3.5、y≦12、z≦5、a≦4、以及(r+s)≦85。

进一步地，本发明同时提出所述高强度低模数合金的一第三实施例，其具有大于600MPa的屈服强度以及小于90GPa的杨氏模量，且其组成为TirZrsNbtMoxSnyMaNb；

其中，N为选自于由Cu、Al、Ni、Au、Ag、Fe、Co、Mn、Zn、Pb、 Ge、P、Mg、Ce、Y、La、Sb、C、Si、B、和O所组成群组之中的至少一种第二添加元素；

其中，r、s、t、x、y、a、和b皆为原子百分比的数值，且r、s、 t、x、y、a、和b满足以下不等式：15≦r≦50、26≦s≦50、3≦t≦ 20、x≦3.5、y≦12、a≦4、b≦3、以及(r+s)≦85。

进一步地，本发明又提出所述高强度低模数合金的一第四实施例，其具有大于600MPa的屈服强度以及小于90GPa的杨氏模量，且其组成为TirZrsNbtMoxSnyTazMaNb；

其中，r、s、t、x、y、z、a、和b皆为原子百分比的数值，且r、 s、t、x、y、z、a、和b满足以下不等式：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。

在可行的实施例中，所述高强度低模数合金是利用选自于由真空电弧熔炼法、电热丝加热法、感应加热法、快速凝固法、机械合金法、和粉末冶金法所组成群组的一种制程方法所制成。

在可行的实施例中，所述高强度低模数合金的型态为下列任一者：粉末、线材、焊条、包药焊丝、或块材。

进一步地，本发明同时提供一种高强度低模数合金的用途，其用于一外科植入材料、一医疗器械、一组件、或一器具的制造。

具体实施方式

为了能够更清楚地描述本发明的一种高强度低模数合金及其用途，以下将配合图式，详尽说明本发明的较佳实施例。

实施例一

在实施例一中，本发明的所述高强度低模数合金具有大于600MPa 的屈服强度以及小于90GPa的杨氏模量，且其组成为 TirZrsNbtMoxSnyMa。其中，M为选自于由钒(V)、钨(W)、铬(Cr)、和铪(Hf)所组成群组之至少一种第一添加元素，且r、s、t、x、y、和a 皆为原子百分比的数值。依据本发明的设计，r、s、t、x、y、和a满足以下不等式：15≦r≦50、26≦s≦50、3≦t≦20、x≦3.5、y≦12、 a≦4、以及(r+s)≦85。举例而言，所述高强度低模数合金包括：48at％的钛(Ti)、28at％的锆(Zr)、15at％的铌(Nb)、3at％的钼(Mo)、以及6at％的锡(Sn)。在此情况下，所述高强度低模数合金的组成为 Ti48Zr28Nb15Mo3Sn6，亦即，r＝48、s＝28、t＝15、x＝3、y＝6、且a＝0。

实施例二

在实施例二中，本发明的所述高强度低模数合金同样具有大于 600MPa的屈服强度以及小于90GPa的杨氏模量，且其组成为 TirZrsNbtMoxSnyTazMa。其中，M为选自于由钒(V)、钨(W)、铬(Cr)、和铪(Hf)所组成群组之至少一种第一添加元素，且r、s、t、x、y、z、和a皆为原子百分比的数值。依据本发明的设计，r、s、t、x、y、z、和a满足以下不等式：15≦r≦50、26≦s≦50、3≦t≦20、x≦3.5、y ≦12、z≦5、a≦4、以及(r+s)≦85。举例而言，所述高强度低模数合金包括：48at％的钛(Ti)、28at％的锆(Zr)、12.5at％的铌(Nb)、3.5at％的钼(Mo)、2at％的锡(Sn)、3at％的钽(Ta)、2at％的铬(Cr)、以及1at％的钨(W)。在此情况下，所述高强度低模数合金的组成为 Ti48Zr28Nb12.5Mo3.5Sn2Ta3Cr2W1，亦即，r＝48、s＝28、t＝12.5、x＝3.5、 y＝2、z＝3、且a＝2+1＝3。

实施例三

在实施例三中，本发明的所述高强度低模数合金具有大于600MPa 的屈服强度以及小于90GPa的杨氏模量，且其组成为TirZrsNbtMoxSnyMaNb。其中，M为选自于由钒(V)、钨(W)、铬(Cr)、和铪(Hf)所组成群组之至少一种第一添加元素，N为选自于由铜Cu、 Al、Ni、Au、Ag、Fe、Co、Mn、Zn、Pb、Ge、P、Mg、Ce、Y、La、Sb、 C、Si、B、和O所组成群组之中的至少一种第二添加元素，且r、s、t、 x、y、a、和b皆为原子百分比的数值。

依据本发明的设计，r、s、t、x、y、a、和b满足以下不等式： 15≦r≦50、26≦s≦50、3≦t≦20、x≦3.5、y≦12、a≦4、b≦3、以及(r+s)≦85。举例而言，所述高强度低模数合金包括：48at％的钛(Ti)、 26at％的锆(Zr)、7at％的铌(Nb)、3at％的钼(Mo)、12at％的锡(Sn)、2at％的钒(V)、以及2at％的铜(Cu)。在此情况下，所述高强度低模数合金的组成为Ti48Zr26Nb7Mo3Sn12V2Cu2，亦即，r＝48、s＝26、t＝7、x＝3、y＝12、 a＝2、且b＝2。

实施例四

在实施例四中，本发明的所述高强度低模数合金同样具有大于 600MPa的屈服强度以及小于90GPa的杨氏模量，且其组成为 TirZrsNbtMoxSnyTazMaNb。其中，M为选自于由钒(V)、钨(W)、铬(Cr)、和铪(Hf)所组成群组之至少一种第一添加元素，N为选自于由Cu、Al、Ni、Au、Ag、Fe、Co、Mn、Zn、Pb、Ge、P、Mg、Ce、Y、La、Sb、C、 Si、B、和O所组成群组之中的至少一种第二添加元素，且r、s、t、x、 y、z、a、和b皆为原子百分比的数值。

依据本发明的设计，r、s、t、x、y、z、a、和b满足以下不等式： 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。举例而言，所述高强度低模数合金包括：48at％的钛(Ti)、29at％的锆(Zr)、3at％的铌(Nb)、3at％的钼(Mo)、9at％的锡 (Sn)、4at％的钽(Ta)、1at％的钒(V)、2at％的钴(Co)、以及1at％的硅(Si)。在此情况下，所述高强度低模数合金的组成为 Ti48Zr29Nb3Mo3Sn9Ta4V1Co2Si1，亦即，r＝48、s＝29、t＝3、x＝3、y＝9、 z＝4、a＝1、且b＝2+1＝3。

值得说明的是，本发明的高强度低模数合金可利用真空电弧熔炼法、电热丝加热法、感应加热法、快速凝固法、机械合金法、或者粉末冶金法制成，并且其成品或半成品的形态可为粉末、线材、焊条、包药焊丝、或块材。另一方面，熟悉合金材料设计与制造的工程师能够根据其工程经验将本发明的高强度低模数合金的成品或半成品进行加工，以便将本发明的高强度低模数合金的成品或半成品加工制造为一外科植入材料、一医疗器械、一组件、或一器具的制造。举例而言，所述组件如弹簧、线圈、导线、叶片、弹性片等，所述器件如阀件、扣件、夹具、镜框、运动器材等，所述外科植入材料如人工关节、人工骨、牙冠、冠钉、固定桥、义齿卡环、基托等，且所述医疗器械如手术刀片、止血钳、手术剪、电动骨钻、镊子、血管缝合针、胸骨缝合线等。补充说明的是，前述的加工方式可以是铸造、电弧焊、雷射焊、电浆焊、热喷涂、热烧结、3D积层制造、机械加工、或化学加工。

为了证实本发明的高强度低模数合金的确能够被据以实施的，以下将通过多组实验数据的呈现，加以证实之。

实验例一

在实验例一中，利用真空电弧熔炼炉来制造本发明的高强度低模数合金的多个样品，并接着制作各个样品的试片用于进行拉伸试验。完成拉伸试验后，所述多个样品的组成及其相关实验数据整理于下表 (1)之中。

表(1)

由上表(1)可以发现，10种样品包含了本发明的高强度低模数合金的实施例一、实施例二、实施例三、以及实施例四的成分组成。因此，实验例一的有关实验数据显示，本发明的高强度低模数合金的确具有大于600MPa的屈服强度以及小于90GPa的杨氏模量。

实验例二

在实验例二中，同样利用真空电弧熔炼炉来制造本发明的高强度低模数合金的多个样品，并接着制作各个样品的试片用于进行拉伸试验。完成拉伸试验后，所述多个样品的组成及其相关实验数据整理于下表(2)和表(3)之中。

表(2)

表(3)

由上表(2)、表(3)可以发现，本发明的高强度低模数合金的20种样品皆具有大于600MPa的屈服强度以及小于90GPa的杨氏模量。

如此，上述已完整且清楚地说明本发明所提出的一种高强度低模数合金的所有实施例及其实验数据。并且，由上述说明可知本发明具有以下特征及优点：

(1)本发明主要提出一种高强度低模数合金，其包括至少五种主要元素以及至少一种添加元素，其中所述五种主要元素为Ti、Zr、Nb、Mo、和Sn，且所述添加元素选自于V、W、Cr、和Hf之中。依据本发明的设计，Ti与Zr的原子百分比总和小于或等于85at％，且添加元素的原子百分比总和小于或等于4at％。实验数据显示，本发明的高强度低模数合金的多个样品的屈服强度皆大于600MPa且杨氏模量皆小于 90GPa。

(2)并且，实验数据证明，本发明的高强度低模数合金具有应用于制作组件、器具、医疗器械、和外科植入材料的高度潜力。

然而，必须加以强调的是，前述本案所揭示者乃为较佳实施例，举凡局部的变更或修饰而源于本案的技术思想而为熟习该项技艺之人所易于推知者，俱不脱本案的专利权范畴。

Claims

1.一种高强度低模数合金，具有大于600MPa的屈服强度以及小于90GPa的杨氏模量，且其组成为TirZrsNbtMoxSnyMa；

其中，r、s、t、x、y、和a皆为原子百分比的数值，且r、s、t、x、y、和a满足以下不等式：15≦r≦50、26≦s≦50、3≦t≦20、x≦3.5、y≦12、a≦4、以及(r+s)≦85。

2.根据权利要求1所述的高强度低模数合金，还包括钽元素而使其组成为TirZrsNbtMoxSnyTazMa；其中，z为原子百分比的数值，且其满足不等式z≦5。

3.根据权利要求1或2所述的高强度低模数合金，其特征在于，所述高强度低模数合金利用选自于由真空电弧熔炼法、电热丝加热法、感应加热法、快速凝固法、机械合金法、和粉末冶金法所组成群组的一种制程方法所制成。

4.根据权利要求1或2所述的高强度低模数合金，其特征在于，所述高强度低模数合金的型态为下列任一者：粉末、线材、焊条、包药焊丝、或块材。

5.一种根据权利要求1-4中任一项所述的高强度低模数合金的用途，其用于一外科植入材料、一医疗器械、一组件、或一器具的制造。

6.一种高强度低模数合金，具有大于600MPa的屈服强度以及小于90GPa的杨氏模量，且其组成为TirZrsNbtMoxSnyMaNb；

其中，N为选自于由Cu、Al、Ni、Au、Ag、Fe、Co、Mn、Zn、Pb、Ge、P、Mg、Ce、Y、La、Sb、C、Si、B、和O所组成群组之中的至少一种第二添加元素；

其中，r、s、t、x、y、a、和b皆为原子百分比的数值，且r、s、t、x、y、a、和b满足以下不等式：15≦r≦50、26≦s≦50、3≦t≦20、x≦3.5、y≦12、a≦4、b≦3、以及(r+s)≦85。

7.根据权利要求6所述的高强度低模数合金，还包括钽元素而使其组成为TirZrsNbtMoxSnyTazMaNb；其中，z为原子百分比的数值，且其满足不等式z≦5。

8.根据权利要求6或7所述的高强度低模数合金，其特征在于，所述高强度低模数合金利用选自于由真空电弧熔炼法、电热丝加热法、感应加热法、快速凝固法、机械合金法、和粉末冶金法所组成群组的一种制程方法所制成。

9.根据权利要求6或7所述的高强度低模数合金，其特征在于，所述高强度低模数合金的型态为下列任一者：粉末、线材、焊条、包药焊丝、或块材。

10.一种根据权利要求6-9中任一项所述的高强度低模数合金的用途，其系用于一外科植入材料、一医疗器械、一组件、或一器具的制造。