JP6979184B2 - 多成分系からなる合金 - Google Patents
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(TiZr)2−X(NbTaMo)X
で示される(但し、0.1≦X≦1.9である。)ことを特徴とする。
TiXMo2−XNbTaZr
で示される(但し、0.1≦X≦1.9である。)ことを特徴とする。
(TiZr)2−X(NbTaMo)X
で示される(但し、0.1≦X≦1.9である。)ことを特徴とする。上記一般式において、−15≦ΔHmix、7≧δ、6≧VECを満たしている限り特に限定されないが、よりエントロピー効果を発現させるという観点から、xの範囲については、好ましくは、0.1≦X≦1.9、より好ましくは、0.5≦X≦1.5、さらに好ましくは、0.8≦X≦1.3の範囲とすることができる。
TiXMo2−XNbTaZr
で示される(但し、0.1≦X≦1.9である。)ことを特徴とする。上記一般式において、−15≦ΔHmix、7≧δ、6≧VECを満たしている限り特に限定されないが、よりエントロピー効果を発現させるという観点から、xの範囲については、好ましくは、0.1≦X≦1.9、より好ましくは、0.3≦X≦1.7、さらに好ましくは、0.6≦X≦1.4の範囲とすることができる。
まず、4元系TiNbTaZr合金と5元系TiNbTaZrMX(X=V,Cr,Mo,Ta,Fe)合金において固溶体が形成するか否かを調べた。Xに入る元素は純金属状態で室温にてbcc構造を示す元素を選択した。加えて形成される固溶体がfccであるのかbccであるのかについてはVECパラメータを用いて予測した。
次に、実施例1で得られた本発明のハイエントロピー合金についての組成像を調べた。図2(b1)と図2(b2)はTiNbTaZrMo合金の走査型電子顕微鏡によって撮影された組成像の写真である。溶解ままTiNbTaZrMo合金は等軸デンドライト組織が観察された。デンドライト組織の形成は凝固時に原子濃度が再分配されたことを示し、結果として、白いデンドライト組織(図2(b1)中に示す大文字A)と黒いコントラストのデンドライト間領域(図2(b1)中に示す大文字B)の二つが形成された。
次に、実施例1で得られた本発明の合金についての特性を調べた。圧縮試験用試験片は約2×2×5mmの大きさで、合金インゴットから切り出した。圧縮試験は室温にて1%/分のひずみ速度で試験した。
次に、実施例1で得られた本発明の合金について、細胞への適合性試験を行った。生体適合性試験用試料は直径9mm、厚さ1mmの円盤状の形状である。この試料はSIC研磨紙No.4000まで研磨したのち、ダイヤモンドペーストで研磨した。細胞実験の前に、これらの試料は紫外線にて殺菌した。骨芽細胞の培養は、MEM-α血清培地を用いることを基本とし、37度5%CO2環境で24時間程度以上の培養とすることができる。骨芽細胞の中には、培養細胞においても石灰化部位に埋入され、活性の落ちた骨細胞となる細胞も存在する可能性がある。また、骨芽細胞の培養系を用いるので、破骨細胞は存在しないと考えられるが、初代培養では破骨細胞、骨細胞、線維芽細胞等の混入が100%ないとは言い切れず、破骨細胞、骨細胞、線維芽細胞等が混入されていてもよい。
次に、合金組成が図6(a)に示すものであることを除き、上述の実施例と同様に、ハイエントロピー合金を作製した。図6(a)は、(TiZr)2-x(NbTaMo)x (0≦x≦2) HEA(ハイエントロピー)の合金設計における、配置のエントロピー(ΔSmix)、混合エンタルピー(ΔHmix)、原子半径比因子(δパラメータ)、価電子濃度(VECパラメータ)の関係を示す。図6(b)は、代表として、(TiZr)1.4(NbTaMo)0.6合金、及び(TiZr)0.6(NbTaMo)1.4合金のX線回折パターンを示す図である。いずれの組成においても、12 ≦ΔSmixの条件を最重重要視しつつ、-15≦Hmix、7≧δ、6≧ VECを満たし、実際に、bcc構造を有し、同様に、高強度、高延性を有するハイエントロピー合金を得ることができた。
次に、合金組成が図7(a)に示すものであることを除き、上述の実施例と同様に、ハイエントロピー合金を作成した。図7(a)は、TixMo2-xNbTaZr (0≦x≦2)(HEA(ハイエントロピー)の合金設計における、配置のエントロピー(ΔSmix)、混合エンタルピー(ΔHmix)、原子半径比因子(δパラメータ)、価電子濃度(VECパラメータ)の関係を示す。図7(b)は、代表として、Ti1.7Mo0.3NbTaZr合金(x=1.7)、及びTi1.5Mo0.5NbTaZr合金(x=1.5)のX線回折パターンを示す図である。その結果、いずれの組成においても、12 ≦ΔSmixの条件を最重重要視しつつ、-15≦Hmix、7≧δ、6≧ VECを満たし、実際に、bcc構造を有し、同様に、高強度、高延性を有するハイエントロピー合金を得ることができた。
上述した実施例と同様の製法によって、TiZrNbTa 合金(等モル組成)、TiZrNbTaV 合金(等モル組成)及びTiNbTaZrW合金(等モル組成)を作製した。図8は、TiZrNbTa 合金(等モル組成)のX線回折パターンを示す図である。図9は、TiZrNbTaV 合金(等モル組成)のX線回折パターンを示す図である。図10は、TiNbTaZrW合金(等モル組成)のX線回折パターンを示す図である。いずれの組成もbcc構造を有し、同様に、高強度、高延性を有するハイエントロピー合金を得ることができた。
Claims (7)
- チタン、ジルコニウム、ニオブ、及びタンタルを含有する多成分系からなる合金であって、さらに、モリブデン、ハフニウム、タングステン、バナジウム、及びクロムからなる群から選択される少なくとも1種を含み、残部が不可避的不純物である多成分系からなる合金であり、かつ前記合金は、単相の固溶体、2相の固溶体、又は合金全体に対する体積率で50%超を占める主相が固溶体相であることを特徴とする、多成分系からなる合金であって、前記合金は、12≦ΔSmix(J/K・mol)の条件(但し、ΔSmixは配置のエントロピーを示す。)を満たし、かつ、−15≦Hmix(kJ/mol)、7≧δ、6≧ VEC(但し、Hmixは混合エンタルピーを、δは原子半径比因子を、VECは価電子濃度を示す。)を満たすことを特徴とする合金。
- 前記合金は、チタン、ジルコニウム、ニオブ、及びタンタルを含有する多成分系からなる合金であって、さらに、モリブデンを含有することを特徴とする請求項1記載の合金。
- 前記合金は、一般式:
(TiZr)2−X(NbTaMo)X
で示される(但し、0.1≦X≦1.9である。)ことを特徴とする請求項2記載の合金。 - 前記合金は、一般式:
TiXMo2−XNbTaZr
で示される(但し、0.1≦X≦1.9である。)ことを特徴とする請求項2記載の合金。 - 請求項1〜4のいずれか1項に記載の合金からなる生体適合性材料。
- 請求項1〜4のいずれか1項に記載の多成分系からなる合金の製造方法であって、急冷凝固法、真空アーク溶解法、鋳造法、溶解法、三次元積層造形法、又は粉末冶金法から選択される方法によって、前記合金を溶解する工程を含むことを特徴とする多成分系からなる合金の製造方法。
- さらに、前記合金を焼なまし処理する工程を含む請求項6記載の方法。
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