JP7403144B2 - Method for producing titanium alloy with suppressed twin deformation and titanium alloy - Google Patents

Method for producing titanium alloy with suppressed twin deformation and titanium alloy Download PDF

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本開示は、双晶変形が抑制されたチタン合金の製造方法及びチタン合金に関する。 The present disclosure relates to a method for producing a titanium alloy and a titanium alloy in which twin deformation is suppressed.

チタン合金は、例えば、生体用材料として有望である。 Titanium alloys, for example, are promising as biological materials.

特開2015-048500号公報Japanese Patent Application Publication No. 2015-048500

チタン合金には、双晶変形を生じるものがある。双晶変形を生じるチタン合金としては、β型チタン合金がある。β型チタン合金は、人骨のヤング率と大きな差がないヤング率を有するため、生体用材料として特に有望である。 Some titanium alloys exhibit twin deformation. Titanium alloys that cause twin deformation include β-type titanium alloys. β-type titanium alloy has a Young's modulus that is not significantly different from that of human bone, and is therefore particularly promising as a biological material.

しかし、β型チタン合金のように、双晶変形を生じるチタン合金は、塑性変形し易く、十分な強度が得られないことがある。これは、双晶変形の変形応力が、すべり変形よりも小さいためである。このため、双晶変形を生じるチタン合金は、すべり変形するチタン合金に比べて、強度が低くなる。 However, titanium alloys that undergo twin deformation, such as β-type titanium alloys, tend to undergo plastic deformation and may not have sufficient strength. This is because the deformation stress of twin deformation is smaller than that of slip deformation. Therefore, a titanium alloy that undergoes twin deformation has lower strength than a titanium alloy that undergoes sliding deformation.

したがって、双晶変形を生じるチタン合金において、双晶変形を抑制することが望まれる。 Therefore, in a titanium alloy that causes twin deformation, it is desirable to suppress the twin deformation.

本開示のある側面は、双晶変形が抑制されたチタン合金の製造方法である。開示の製造方法は、双晶変形を生じるチタン合金に、β相安定化元素を含有させることを含む。 An aspect of the present disclosure is a method of manufacturing a titanium alloy in which twin deformation is suppressed. The disclosed manufacturing method includes incorporating a β-phase stabilizing element into a titanium alloy that undergoes twinning.

本開示の他の側面は、チタン合金である。開示のチタン合金は、双晶変形を生じる第1領域と、β相安定化元素を含有することですべり変形を生じる第2領域と、を有する。 Another aspect of the present disclosure is titanium alloys. The disclosed titanium alloy has a first region where twin deformation occurs and a second region where shear deformation occurs due to the inclusion of a β-phase stabilizing element.

本開示のさらに他の側面において、開示のチタン合金は、粗大結晶粒領域の周囲に形成された微細結晶粒領域が立体的なネットワークを構成する調和組織を有するチタン合金であって、前記粗大結晶粒領域は、双晶変形を生じる第1領域と、β相安定化元素を含有することですべり変形を生じる第2領域と、を有する。 In still another aspect of the present disclosure, the disclosed titanium alloy is a titanium alloy having a harmonic structure in which a fine crystal grain region formed around a coarse crystal grain region constitutes a three-dimensional network, wherein the coarse crystal grain region The grain region has a first region where twinning deformation occurs and a second region where sliding deformation occurs due to the inclusion of a β-phase stabilizing element.

更なる詳細は、後述の実施形態として説明される。 Further details are described in the embodiments below.

図1は、双晶変形が抑制されたチタン合金の製造手順を示すフローチャートである。FIG. 1 is a flowchart showing a procedure for manufacturing a titanium alloy in which twinning deformation is suppressed. 図2Aは、調和組織を有するチタン合金のEBSD画像である。図2Bは、調和組織を有するチタン合金のSEM画像である。FIG. 2A is an EBSD image of a titanium alloy with harmonic texture. FIG. 2B is a SEM image of a titanium alloy with a harmonic texture. 図3Aは、図3Bの拡大画像である。図3Bは、圧延後のチタン合金のEBSD画像である。FIG. 3A is an enlarged image of FIG. 3B. FIG. 3B is an EBSD image of the titanium alloy after rolling. 図4Aは、歪分布画像である。図4Bは、図4Aと同部位のSEM画像である。FIG. 4A is a strain distribution image. FIG. 4B is a SEM image of the same site as FIG. 4A. 図5は、プロット位置を示すSEM画像である。FIG. 5 is a SEM image showing plot positions. 図6は、プロット位置における鉄含有量の測定結果である。FIG. 6 shows the measurement results of iron content at plot positions. 図7は、プロット位置における鉄元素の有無を示す画像である。FIG. 7 is an image showing the presence or absence of iron element at the plot position. 図8Aは、調和組織のIPFマップである。図8Bは、鉄元素EDSマップである。FIG. 8A is an IPF map of harmonic tissue. FIG. 8B is an iron element EDS map.

<1.双晶変形が抑制されたチタン合金の製造方法及びチタン合金の概要> <1. Production method of titanium alloy with suppressed twin deformation and overview of titanium alloy>

(1)実施形態に係る製造方法は、双晶変形を生じるチタン合金に、β相安定化元素を含有させることを含む。β相の安定度が低いと双晶変形しやすいが、双晶変形を生じるチタン合金に、β相安定化元素を含有させることで、チタン合金の変形様式を、双晶変形からすべり変形に、転換できる。β相安定化元素は、例えば、鉄(Fe)、水素(H)、モリブデン(Mo)、ニオブ(Nb)、タンタル(Ta)、バナジウム(V)などである。この製造方法により、双晶変形を生じるチタン合金から、双晶変形が抑制されたチタン合金が製造される。双晶変形を生じるチタン合金に対して、事後的にβ相安定化元素を含有させることで、変形様式の制御が容易となる。ここで、「双晶変形が抑制されたチタン合金」は、抑制されても双晶変形が残存しているチタン合金であってもよいし、双晶変形の抑制により双晶変形が全くないチタン合金であってもよい。 (1) The manufacturing method according to the embodiment includes adding a β-phase stabilizing element to a titanium alloy that undergoes twin deformation. If the stability of the β phase is low, twinning deformation is likely to occur, but by incorporating a β phase stabilizing element into the titanium alloy that causes twinning deformation, the deformation mode of the titanium alloy can be changed from twinning deformation to slip deformation. Can be converted. Examples of the β-phase stabilizing element include iron (Fe), hydrogen (H), molybdenum (Mo), niobium (Nb), tantalum (Ta), and vanadium (V). By this manufacturing method, a titanium alloy in which twinning deformation is suppressed is manufactured from a titanium alloy that causes twinning deformation. By subsequently including a β-phase stabilizing element in a titanium alloy that causes twin deformation, the deformation mode can be easily controlled. Here, the "titanium alloy with suppressed twin deformation" may be a titanium alloy in which twin deformation remains even if it is suppressed, or a titanium alloy with no twin deformation due to suppression of twin deformation. It may be an alloy.

(2)前記β相安定化元素は、鉄であるのが好ましい。鉄は、生体適合性に優れているため、チタン合金を生体用材料として用いる場合に有利である。 (2) The β-phase stabilizing element is preferably iron. Since iron has excellent biocompatibility, it is advantageous when titanium alloys are used as biomaterials.

(3)前記β相安定化元素を含有させることは、前記双晶変形を生じる前記チタン合金に前記β相安定化元素を拡散させることであってもよい。拡散によって生じるβ相安定化元素の濃度を制御することで、変形様式を制御することが可能となる。β相安定化元素として鉄を拡散させるのが好ましい。鉄は、比較的拡散が遅いため、双晶変形の量を制御しやすい。 (3) Including the β-phase stabilizing element may mean diffusing the β-phase stabilizing element into the titanium alloy that causes twin deformation. By controlling the concentration of the β-phase stabilizing element generated by diffusion, it is possible to control the deformation mode. It is preferable to diffuse iron as the β-phase stabilizing element. Since iron diffuses relatively slowly, it is easy to control the amount of twinning.

(4)前記β相安定化元素を拡散させることは、熱処理によって行われてもよい。この場合、熱処理の温度又は熱処理の時間を制御することで、β相安定化元素の濃度を制御し、その結果、変形様式を制御することができる。 (4) Diffusion of the β-phase stabilizing element may be performed by heat treatment. In this case, by controlling the heat treatment temperature or heat treatment time, the concentration of the β-phase stabilizing element can be controlled, and as a result, the deformation mode can be controlled.

(5)前記双晶変形を生じる前記チタン合金は、例えば、β型チタン合金である。 (5) The titanium alloy that causes twin deformation is, for example, a β-type titanium alloy.

(6)前記双晶変形を生じる前記チタン合金は、粗大結晶粒領域の周囲に微細結晶粒領域が形成された組織を有するのが好ましい。かかる組織は、高強度・高延性の両立を可能とするため、かかる組織において、変形様式制御をすることで、強度と延性を両立が一層容易となる。 (6) The titanium alloy that causes twin deformation preferably has a structure in which a fine grain region is formed around a coarse grain region. Such a structure makes it possible to achieve both high strength and high ductility. Therefore, by controlling the deformation mode in such a structure, it becomes easier to achieve both strength and ductility.

(7)前記β相安定化元素を含有させることは、前記β相安定化元素を、前記微細結晶粒領域から前記粗大結晶粒領域へ拡散させることを含むことができる。粗大結晶粒領域へβ相安定化元素を拡散させることで、粗大結晶粒領域における双晶変形を抑制することができる。 (7) Including the β-phase stabilizing element may include diffusing the β-phase stabilizing element from the fine crystal grain region to the coarse crystal grain region. By diffusing the β-phase stabilizing element into the coarse grain region, twinning deformation in the coarse grain region can be suppressed.

(8)前記双晶変形が抑制されたチタン合金は、前記β相安定化元素としての鉄の含有量が0.1質量%よりも大きい領域を有するのが好ましい。鉄の含有量が、0.1質量%よりも大きくなると、双晶変形が十分に抑制される。鉄の含有量は、0.5質量%よりも大きいのがより好ましく、1質量%よりも大きいのがさらに好ましい。鉄の含有量は、15質量%よりも小さいのが好ましく、10質量%より小さいのがより好ましく、5質量%よりも小さいのがさらに好ましく、3質量%よりも小さいのがさらに好ましい。 (8) The titanium alloy in which twinning deformation is suppressed preferably has a region in which the content of iron as the β-phase stabilizing element is greater than 0.1% by mass. When the iron content is greater than 0.1% by mass, twinning deformation is sufficiently suppressed. The iron content is more preferably greater than 0.5% by mass, and even more preferably greater than 1% by mass. The iron content is preferably less than 15% by mass, more preferably less than 10% by mass, even more preferably less than 5% by mass, and even more preferably less than 3% by mass.

(9)実施形態に係るチタン合金は、双晶変形を生じる第1領域と、β相安定化元素を含有することですべり変形を生じる第2領域と、を有する。第2領域では、β相安定化元素を含有することで、双晶変形が抑制されてすべり変形が支配的になる。すべり変形を生じる第2領域は、双晶変形を生じる第1領域に比べて、高強度になる。したがって、第1領域及び第2領域を有するチタン合金は、双晶変形だけが支配的であるチタン合金に比べて、高強度になる。また、第1領域は、双晶変形を生じるため、延性を維持することも可能である。第1領域と第2領域との割合を制御することで、強度と延性とを両立しつつ、両者のバランスを制御することが可能となる。 (9) The titanium alloy according to the embodiment has a first region where twin deformation occurs and a second region where sliding deformation occurs due to the inclusion of a β-phase stabilizing element. In the second region, by containing the β-phase stabilizing element, twinning deformation is suppressed and slip deformation becomes dominant. The second region where sliding deformation occurs has higher strength than the first region where twin deformation occurs. Therefore, a titanium alloy having the first region and the second region has higher strength than a titanium alloy in which only twinning deformation is dominant. Moreover, since the first region causes twin deformation, it is also possible to maintain ductility. By controlling the ratio of the first region and the second region, it is possible to achieve both strength and ductility while controlling the balance between the two.

(10)実施形態に係るチタン合金は、粗大結晶粒領域の周囲に形成された微細結晶粒領域が立体的なネットワークを構成する調和組織を有するチタン合金であって、前記粗大結晶粒領域は、双晶変形を生じる第1領域と、β相安定化元素を含有することですべり変形を生じる第2領域と、を有する。調和組織は、高強度・高延性の両立を可能とする。しかも、粗大結晶粒領域における双晶変形が第2領域において抑制されているため、調和組織において主に延性を確保するための粗大結晶粒領域を高強度化することが可能となる。 (10) The titanium alloy according to the embodiment is a titanium alloy having a harmonic structure in which a fine grain region formed around a coarse grain region constitutes a three-dimensional network, wherein the coarse grain region is It has a first region where twinning deformation occurs and a second region where sliding deformation occurs due to the inclusion of a β-phase stabilizing element. Harmonic structure enables both high strength and high ductility. Moreover, since twinning deformation in the coarse grain region is suppressed in the second region, it is possible to increase the strength of the coarse grain region mainly for ensuring ductility in the harmonic structure.

(11)前記β相安定化元素は、鉄であるのが好ましい。鉄は、生体適合性に優れているため、チタン合金を生体用材料として用いる場合に有利である。 (11) The β-phase stabilizing element is preferably iron. Since iron has excellent biocompatibility, it is advantageous when titanium alloys are used as biomaterials.

(12)前記第2領域は、前記第1領域の周囲に存在するのが好ましい。この場合、第2領域は微細結晶粒領域の近傍に位置することになる。この結果、分散点在する第1領域(延性を担う)が、高強度の領域(微細結晶粒領域及び第2領域)に包まれたが立体的なネットワーク組織となり、調和組織の基本構造が維持される。 (12) Preferably, the second region exists around the first region. In this case, the second region will be located near the fine grain region. As a result, the dispersed first region (responsible for ductility) is surrounded by high-strength regions (fine grain region and second region), but it becomes a three-dimensional network structure, and the basic structure of the harmonic structure is maintained. be done.

(13)前記第2領域は、前記β相安定化元素である鉄の含有量が0.1質量%よりも大きい領域を含むのが好ましい。この場合、第2領域における双晶変形が十分に抑制される。第2領域における鉄の含有量は、0.5質量%よりも大きいのがより好ましく、1質量%よりも大きいのがさらに好ましい。第2領域における鉄の含有量は、15質量%よりも小さいのが好ましく、10質量%より小さいのがより好ましく、5質量%よりも小さいのがさらに好ましく、3質量%よりも小さいのがさらに好ましい。 (13) Preferably, the second region includes a region in which the content of iron, which is the β-phase stabilizing element, is greater than 0.1% by mass. In this case, twinning deformation in the second region is sufficiently suppressed. The iron content in the second region is more preferably greater than 0.5% by mass, and even more preferably greater than 1% by mass. The iron content in the second region is preferably less than 15% by mass, more preferably less than 10% by mass, even more preferably less than 5% by mass, and even more preferably less than 3% by mass. preferable.

(13)前記第1領域は、前記β相安定化元素である鉄の含有量が0.1質量%以下であるのが好ましい。鉄の含有量が0.1質量%以下であると、双晶変形が維持され易い。 (13) Preferably, the content of iron, which is the β-phase stabilizing element, in the first region is 0.1% by mass or less. When the iron content is 0.1% by mass or less, twin deformation is likely to be maintained.

<2.双晶変形が抑制されたチタン合金の製造方法及びチタン合金の詳細> <2. Manufacturing method of titanium alloy with suppressed twin deformation and details of titanium alloy>

<2.1 製造方法> <2.1 Manufacturing method>

図1は、実施形態に係る製造方法を示している。実施形態においては、まず、原料粉末が作製される(ステップS11)。原料粉末は、チタン合金粉末である。チタン合金粉末は、例えば、母材となるチタン合金からプラズマ回転電極法(PREP)により作成される。母材となるチタン合金は、例えば、Ti-Nb-Zr合金である。Ti-Nb-Zr合金は、β型チタン合金である。β型チタン合金は、双晶変形を生じる。チタン合金粉末を構成する各粒子は、複数の比較的粗大な結晶粒(粗大結晶粒)が集まって構成されている。チタン合金粉末の平均粒子径は、特に限定されないが、例えば、100μmから300μmである。 FIG. 1 shows a manufacturing method according to an embodiment. In the embodiment, first, a raw material powder is produced (step S11). The raw material powder is titanium alloy powder. The titanium alloy powder is produced, for example, from a titanium alloy as a base material by a plasma rotating electrode method (PREP). The titanium alloy serving as the base material is, for example, a Ti--Nb--Zr alloy. Ti-Nb-Zr alloy is a β-type titanium alloy. β-type titanium alloys undergo twinning deformation. Each particle constituting the titanium alloy powder is composed of a plurality of relatively coarse crystal grains (coarse crystal grains). The average particle size of the titanium alloy powder is not particularly limited, but is, for example, 100 μm to 300 μm.

続いて、ステップS11に作製されたチタン合金粉末に、鉄粉末を添加し、混合原料粉末を作製する。鉄粉末は、チタン合金粉末よりも、平均粒子径が小さいのが好ましい。鉄粉末の平均粒子径は、特に限定されないが、例えば、1μmから50μmである。鉄粉末の平均粒子径は、1μmから30μmのであるのが好ましく、1μmから20μmであるのがより好ましい。鉄粉末の平均粒子径は、1~10μm程度でもよい。 Subsequently, iron powder is added to the titanium alloy powder produced in step S11 to produce a mixed raw material powder. It is preferable that the iron powder has a smaller average particle diameter than the titanium alloy powder. The average particle size of the iron powder is not particularly limited, but is, for example, 1 μm to 50 μm. The average particle diameter of the iron powder is preferably from 1 μm to 30 μm, more preferably from 1 μm to 20 μm. The average particle size of the iron powder may be about 1 to 10 μm.

ステップS12にて作成された混合原料粉末に対して、メカニカルミリング(Mechanical Milling)を行うことで、チタン合金粉末を構成する各粒子の表層部における結晶粒を微細化し、加工粉末を得る(ステップS13)。 By performing mechanical milling on the mixed raw material powder created in step S12, the crystal grains in the surface layer of each particle constituting the titanium alloy powder are refined, and processed powder is obtained (step S13). ).

メカニカルミリングにより、チタン合金粉末の表層部に微細結晶粒領域が形成される。チタン合金粉末に対してメカニカルミリングなどの強加工を施すと、塑性変形により結晶粒が偏平化し、次々と格子結果(転位)が導入されて、結晶粒が分割細分化(例えば、ナノサイズ化)されていく。 Mechanical milling forms a fine grain region in the surface layer of the titanium alloy powder. When titanium alloy powder is subjected to strong processing such as mechanical milling, the crystal grains become flattened due to plastic deformation, and lattice effects (dislocations) are introduced one after another, causing the crystal grains to become fragmented and finely divided (for example, into nano-sized particles). It will be done.

メカニカルミリングでは、表層部よりも内側の領域(内側領域)は微細化加工されないか、加工が十分されない。このため、内側領域は、粗大結晶粒領域になっている。粗大結晶粒領域は、混合原料粉末に含まれるチタン合金における粗大結晶粒が概ね維持された領域である。このように、メカニカルミリングにより、表層部が微細結晶粒領域(shell)であり、表層部の内側が粗大結晶粒領域(core)である、shell/core構造を持つチタン合金粉末が得られる。ここで微細結晶粒とは、粗大結晶粒よりも小さい結晶粒である。 In mechanical milling, the region inside the surface layer (inner region) is not refined or is not sufficiently processed. Therefore, the inner region is a coarse grain region. The coarse grain region is a region where coarse grains in the titanium alloy contained in the mixed raw material powder are generally maintained. In this manner, mechanical milling yields a titanium alloy powder having a shell/core structure in which the surface layer is a fine grain region (shell) and the inside of the surface layer is a coarse grain region (core). Here, the fine crystal grains are crystal grains smaller than coarse crystal grains.

粉末の表層部の結晶粒を微細化する処理は、メカニカルミリングに限られず、ジェットミリングなど他の強加工によって行われてもよい。 The treatment for refining the crystal grains in the surface layer of the powder is not limited to mechanical milling, and may be performed by other strong processing such as jet milling.

なお、微細結晶粒は、粗大結晶粒の平均結晶粒径よりも小さい平均結晶粒径を持つ結晶粒であるということができる。平均結晶粒径は、例えば、走査型電子顕微鏡による調和組織の断面組織又は結晶粒界マップの画像データを、画像解析ソフトを用いて処理し、対象となる結晶粒の面積を求め、求められた面積と同じ面積となる円の直径を粒径とし、所定のサンプル数の粒径を求めて平均化した値とすることができる Note that fine crystal grains can be said to be crystal grains having an average crystal grain size smaller than the average crystal grain size of coarse crystal grains. The average grain size is determined by, for example, processing image data of a cross-sectional structure of a harmonic structure or a grain boundary map using a scanning electron microscope and determining the area of the target crystal grain using image analysis software. The diameter of a circle with the same area as the area is taken as the particle size, and the particle size of a predetermined number of samples can be calculated and averaged.

メカニカルミリング後の加工粉末において、混合原料粉末に含まれていた鉄粉末は、微細結晶粒領域の表面に存在するか、又は微細結晶粒領域の内部に侵入している。 In the processed powder after mechanical milling, the iron powder contained in the mixed raw material powder exists on the surface of the fine crystal grain region or has penetrated into the inside of the fine grain region.

続いて、ステップS13により得られた加工粉末を熱処理により焼結し、調和組織を有する焼結材を得る(ステップS14)。焼結は、例えば、プラズマ放電焼結(SPS)により行われる。焼結の温度は、例えば、800°Cから1000°Cである。調和組織は、分散点在する粗大結晶粒領域が微細結晶粒領域に包まれた立体的なネットワーク状組織である。すなわち、粗大結晶粒領域の周囲に微細結晶粒領域が形成されている。微細結晶粒領域では、結晶粒微細化により高硬度化している。 Subsequently, the processed powder obtained in step S13 is sintered by heat treatment to obtain a sintered material having a harmonic structure (step S14). Sintering is performed, for example, by plasma discharge sintering (SPS). The sintering temperature is, for example, 800°C to 1000°C. The harmonic structure is a three-dimensional network structure in which dispersed coarse crystal grain regions are surrounded by fine crystal grain regions. That is, a fine crystal grain region is formed around a coarse crystal grain region. In the fine grain region, the hardness is increased due to grain refinement.

一般に、調和組織を有する材料(調和組織材)は、高強度・高延性の両立が可能である(特許文献1参照)。調和組織材は、微細結晶粒領域が高強度であることにより、均一な大きさの結晶粒を有する均一組織材に比べて、高強度である。また、調和組織材は、粗大結晶粒領域によって、均一組織材と同程度の延性を保つことができる。 Generally, a material having a harmonic structure (harmonic structure material) can have both high strength and high ductility (see Patent Document 1). The harmonic textured material has high strength in the fine grain region, and thus has higher strength than the homogeneous textured material having uniformly sized grains. Moreover, the harmonic structure material can maintain ductility comparable to that of the uniform structure material due to the coarse grain region.

ただし、双晶変形を生じるチタン合金の場合、単に、調和組織の形成により高強度化しても、元々、塑性変形しやすく材料であるため、以前として十分な強度が得られないことがある。すなわち、微細結晶粒領域が高強度化しても、粗大結晶粒領域における双晶変形の発生のため、調和組織全体としては、十分な強度が得られない。 However, in the case of titanium alloys that undergo twin deformation, even if the strength is increased simply by forming a harmonic structure, sufficient strength may not be obtained because the material is inherently susceptible to plastic deformation. That is, even if the strength of the fine grain region is increased, sufficient strength cannot be obtained from the harmonic structure as a whole due to the occurrence of twin deformation in the coarse grain region.

しかし、本実施形態においては、双晶変形を生じるチタン合金に鉄が含有されており、鉄が、双晶変形を抑制するため、双晶変形が発生するチタン合金の強度を高めることができる。すなわち、本実施形態においては、焼結材を得るための熱処理により、鉄元素が、調和組織における微細結晶粒領域から粗大結晶粒領域へ拡散する。つまり、焼結の初期においては、鉄は、微細結晶粒領域にのみ存在するが、焼結(熱処理)に伴い、粗大結晶粒領域に熱拡散する。したがって、焼結された調和組織材においては、鉄は、微細結晶粒領域に存在するだけでなく、粗大結晶粒領域にも存在する。 However, in this embodiment, iron is contained in the titanium alloy that causes twin deformation, and iron suppresses twin deformation, so that the strength of the titanium alloy that causes twin deformation can be increased. That is, in this embodiment, the iron element diffuses from the fine grain region to the coarse grain region in the harmonic structure by heat treatment to obtain the sintered material. That is, at the initial stage of sintering, iron exists only in the fine grain region, but as sintering (heat treatment) occurs, iron is thermally diffused into the coarse grain region. Therefore, in the sintered harmonically textured material, iron is present not only in the fine-grained regions, but also in the coarse-grained regions.

実施形態においては、調和組織材は、室温で冷間圧延が行われる(ステップS15)。 In the embodiment, the harmonically textured material is cold rolled at room temperature (step S15).

<2.2 実施例>
原料粉末となるチタン合金粉末を作製するための母材として、準安定β型Ti-25Nb-25Zr合金を用いた。実施例において、母材の化学組成は、[Zr:25:22,Nb:24.92,Fe:0.08,C:0.03,N:0.01,H:0.01,O:0.08,Ti:bal(質量%)]である。準安定β型Ti-25Nb-25Zr合金は、双晶変形が生じる。母材からプラズマ回転電極法により、チタン合金粉末を作製した(ステップS11)。チタン合金粉末の平均粉末粒子径は、163.1μmである。
<2.2 Examples>
A metastable β-type Ti-25Nb-25Zr alloy was used as a base material for producing a titanium alloy powder serving as a raw material powder. In the examples, the chemical composition of the base material is [Zr: 25:22, Nb: 24.92, Fe: 0.08, C: 0.03, N: 0.01, H: 0.01, O: 0.08, Ti:bal (mass%)]. Twin deformation occurs in the metastable β-type Ti-25Nb-25Zr alloy. Titanium alloy powder was produced from the base material by a plasma rotating electrode method (step S11). The average powder particle size of the titanium alloy powder is 163.1 μm.

続いて、チタン合金粉末に鉄粉末を添加した(ステップS12)。鉄粉末としてSUJ2粉末を用いた。鉄粉末の平均粉末粒子径は、30μmである。ここでは、チタン合金粉末に、鉄粉末を、20重量%の割合で添加し、混合原料粉末を得た。 Subsequently, iron powder was added to the titanium alloy powder (step S12). SUJ2 powder was used as the iron powder. The average powder particle size of the iron powder is 30 μm. Here, iron powder was added to titanium alloy powder at a ratio of 20% by weight to obtain mixed raw material powder.

Ar雰囲気中で遊星型ボールミルにより、72ks(20hrs)のメカニカルミリングを、混合原料粉末に施した(ステップS13) The mixed raw material powder was mechanically milled for 72 ks (20 hrs) using a planetary ball mill in an Ar atmosphere (step S13).

その後、1073K、50MPaの条件で、混合原料粉末をプラズマ放電焼結して調和組織材を作製した(ステップS14)。焼結は、1073Kにまで昇温させた後、温度を保持することなく、すぐに降温させた。すなわち、1073Kでの保持時間は実質的に0秒である。 Thereafter, the mixed raw material powder was plasma discharge sintered under conditions of 1073 K and 50 MPa to produce a harmonically textured material (step S14). For sintering, the temperature was raised to 1073K and then lowered immediately without holding the temperature. That is, the retention time at 1073K is substantially 0 seconds.

さらに、この調和組織材に室温で圧下率20%の冷間圧延を行った(ステップS15)。 Further, this harmonically textured material was cold rolled at room temperature with a rolling reduction of 20% (step S15).

図2Aは、冷間圧延前における調和組織材を後方散乱電子回折(Electron BackScatter Diffraction:EBSD)により観察した結果を示している。また、図2Bは、図2Aと同じ観察部位のSEM画像である。図2A及び図2Bに示すように、粗大結晶粒領域が微細結晶粒領域に包まれた立体的なネットワーク状組織である調和組織が得られていることがわかる。 FIG. 2A shows the results of observing the harmonic structure material before cold rolling by electron backscatter diffraction (EBSD). Moreover, FIG. 2B is a SEM image of the same observation site as FIG. 2A. As shown in FIGS. 2A and 2B, it can be seen that a harmonic structure, which is a three-dimensional network structure in which a coarse crystal grain region is surrounded by a fine crystal grain region, is obtained.

図3A及び図3Bは、冷間圧延により塑性変形した調和組織材を、EBSDにより観察した結果を示している。観察は、圧延方向に垂直なTD方向から行った。図3Aにおいて、粗大結晶粒領域における中心部付近(内側領域;第1領域)において、双晶変形を示す黒筋が表れている。つまり、粗大結晶粒領域の内側領域(第1領域)では、双晶変形が支配的である。 FIGS. 3A and 3B show the results of observing a harmonic structure material plastically deformed by cold rolling using EBSD. The observation was performed from the TD direction perpendicular to the rolling direction. In FIG. 3A, black streaks indicating twin deformation appear near the center of the coarse grain region (inner region; first region). In other words, twin deformation is dominant in the inner region (first region) of the coarse grain region.

一方、双晶変形は、粗大結晶粒領域における微細結晶粒領域側付近(外側領域;第2領域)ではほとんど生じておらず、すべり変形が支配的になっている。粗大結晶粒領域において、内側領域(第1領域)の周囲に存在する外側領域(第2領域)では、双晶変形が抑制され、すべり変形が生じている。 On the other hand, twin deformation hardly occurs near the fine grain region side (outer region; second region) of the coarse grain region, and slip deformation is dominant. In the coarse grain region, twinning deformation is suppressed and slip deformation occurs in the outer region (second region) existing around the inner region (first region).

図4Aは、図3Aと同じ観察部位について、EBSDによる歪分布の観察結果を示している。図4Aにおいて、白色で示される明るい部分は歪が大きく、グレーで示される暗い部分は歪が小さいことを示す。図4Aから明らかなように、粗大結晶粒領域の内側領域(第1領域)では、比較的小さい変形応力で塑性変形する双晶変形が支配的であるため、圧延による歪が集中している。一方、粗大結晶粒領域の外側領域(第2領域)では、比較的大きい変形応力で塑性変形するすべり変形が支配的であるため、圧延による歪が比較的少ない。なお、図4Bは、図3A及び図4Aと同じ観察部位のSEM画像を示している。 FIG. 4A shows the observation results of strain distribution by EBSD for the same observation site as FIG. 3A. In FIG. 4A, bright parts shown in white indicate large distortions, and dark parts shown in gray indicate small distortions. As is clear from FIG. 4A, in the inner region (first region) of the coarse grain region, twinning deformation in which plastic deformation occurs with relatively small deformation stress is dominant, so that strain due to rolling is concentrated. On the other hand, in the outer region (second region) of the coarse grain region, sliding deformation in which plastic deformation occurs with a relatively large deformation stress is dominant, so that the strain caused by rolling is relatively small. Note that FIG. 4B shows a SEM image of the same observed site as FIGS. 3A and 4A.

図5、図6及び図7は、図3A及び図4Aに示す観察部位における鉄元素の分布を評価した結果を示す。図5においては、図4Bと同じSEM画像上において、鉄元素の含有量を評価した位置を示す丸印のプロット(EDSプロット)が付与されている。プロットは、図5における粗大結晶粒領域の左端から右端まで計28個存在する。各プロットには、1から28までの番号が付与されている。図6は、図5に示す1から28までのプロット位置における鉄元素の量を示している。プロット位置における鉄元素の量は、エネルギー分散型X線分析(Energy dispersive X-ray spectrometry : EDS)により測定した。 FIG. 5, FIG. 6, and FIG. 7 show the results of evaluating the distribution of iron elements in the observed portions shown in FIGS. 3A and 4A. In FIG. 5, a circle plot (EDS plot) indicating the position where the iron element content was evaluated is provided on the same SEM image as in FIG. 4B. There are a total of 28 plots from the left end to the right end of the coarse grain region in FIG. Each plot is given a number from 1 to 28. FIG. 6 shows the amount of iron element at plot positions 1 to 28 shown in FIG. The amount of iron element at the plot location was measured by energy dispersive X-ray spectrometry (EDS).

1から28までの各プロット位置における鉄元素の含有量は、以下のとおりである。
1: 3.75質量%
2: 1.96質量%
3: 0.37質量%
4: 0.18質量%
5から22: 0質量%
23: 0.09質量%
24: 0.38質量%
25: 1.17質量%
26: 2.23質量%
27: 4.28質量%
28:12.98質量%
The content of iron element at each plot position from 1 to 28 is as follows.
1: 3.75% by mass
2: 1.96% by mass
3: 0.37% by mass
4: 0.18% by mass
5 to 22: 0% by mass
23: 0.09% by mass
24: 0.38% by mass
25: 1.17% by mass
26: 2.23% by mass
27: 4.28% by mass
28:12.98% by mass

なお、母材には、鉄が0.08質量%含まれているが、0.08質量%は、EDSによる測定限界に近いこと、及び、母材に含まれる鉄は非常に微量であるためプロット位置において鉄が存在しているとは限らず、測定結果としては0質量%になっているものと考えられる。 The base material contains 0.08% by mass of iron, but 0.08% by mass is close to the measurement limit by EDS, and the amount of iron contained in the base material is extremely small. It is thought that iron is not necessarily present at the plotted position, and the measurement result is 0% by mass.

図7は、図3Aの画像上に、図5に示すプロットを付与し、鉄元素が存在しないプロット(5から22)をグレーで示し、鉄元素が存在するプロット(1から4、23から28)を白で示したものである。図7に示すように、双晶変形が生じている内側領域(第1領域)において、鉄元素が存在し、双晶変形が生じていない外側領域(第2領域)では、鉄元素が存在することがわかる。したがって、チタン合金においては、変形様式(双晶変形又はすべり変形)が、鉄の存在の有無に依存していることがわかる。また、鉄の濃度に応じて、双晶変形が抑制されているため、変形様式は、鉄の濃度に依存している。つまり、鉄の濃度が大きいほど、双晶変形の抑制度が高くなり、鉄の濃度が小さいほど、双晶変形の抑制度が低くなる。 In FIG. 7, the plots shown in FIG. 5 are added to the image in FIG. 3A, plots in which iron elements are not present (5 to 22) are shown in gray, and plots in which iron elements are present (1 to 4, 23 to 28) are shown in gray. ) is shown in white. As shown in Figure 7, iron elements exist in the inner region (first region) where twin deformation occurs, and iron elements exist in the outer region (second region) where twin deformation does not occur. I understand that. Therefore, it can be seen that in titanium alloys, the deformation mode (twinning deformation or sliding deformation) depends on the presence or absence of iron. Furthermore, since twinning deformation is suppressed depending on the iron concentration, the deformation mode depends on the iron concentration. That is, the higher the iron concentration, the higher the degree of suppression of twinning deformation, and the lower the iron concentration, the lower the degree of suppression of twinning deformation.

図8Aは、調和組織の逆極点図方位(Inverse Pole Figure:IPF)マップを示し、図8Bは、図8Aと同じ観察部位における鉄元素EDSマップを示している。図8Bにおいて、白い部分が、鉄元素の存在を示している。図8Bでは、図8Aにおける微細結晶粒領域及び粗大結晶粒領域の外側領域(第2領域)に鉄元素が存在していることがわかる。粗大結晶粒領域の外側領域(第2領域)に存在する鉄元素は、熱処理により、微細結晶粒領域から拡散したものである。 FIG. 8A shows an inverse pole figure (IPF) map of the harmonic structure, and FIG. 8B shows an iron element EDS map at the same observation site as FIG. 8A. In FIG. 8B, the white portion indicates the presence of iron element. In FIG. 8B, it can be seen that iron element is present in the outer region (second region) of the fine crystal grain region and the coarse grain region in FIG. 8A. The iron element present in the outer region (second region) of the coarse grain region is diffused from the fine grain region by heat treatment.

実施例(準安定β型Ti-25Nb-25Zr合金に鉄が添加された調和組織材料)によれば、準安定β型Ti-25Nb-25Zr合金の均一組織材料と同程度の延性を保ったまま、強度を上昇させることができる。準安定β型Ti-25Nb-25Zr合金などのTi-Nb-Zr合金(β型チタン合金)は、生体用材料として有望であるが、従来の均一組織材では、双晶変形のため、生体用材料としての十分な強度と延性の両立を得るのが困難であった。これに対して、実施例では、鉄の添加で双晶変形が抑制されていることの相乗効果によって、強度と延性との両立が可能である。すなわち、チタン合金粉末表面から鉄が拡散すると、鉄が拡散した層(鉄拡散層)では双晶変形が抑制されて強度が高くなる。一方、鉄拡散が起こっていない粒子内部では、双晶変形が起こって延性が確保される。このように、鉄の拡散によって、粒子表面付近の強度が高く粒子内部では延性が確保される調和組織と同様の特徴が得られる。しかも、実施例は、調和組織も有しているため、鉄の添加と調和組織の両方で、強度と延性との両立が可能となっている。 According to the example (harmonically textured material in which iron is added to the metastable β-type Ti-25Nb-25Zr alloy), the material maintains the same level of ductility as the uniformly structured material of the metastable β-type Ti-25Nb-25Zr alloy. , the strength can be increased. Ti-Nb-Zr alloys (β-type titanium alloys) such as metastable β-type Ti-25Nb-25Zr alloys are promising as biomaterials, but conventional homogeneous texture materials are not suitable for biomedical applications due to twin deformation. It was difficult to obtain both sufficient strength and ductility as a material. On the other hand, in the examples, it is possible to achieve both strength and ductility due to the synergistic effect of suppressing twinning deformation by adding iron. That is, when iron diffuses from the surface of the titanium alloy powder, twinning deformation is suppressed in the layer where iron is diffused (iron diffusion layer), and the strength increases. On the other hand, inside the particles where iron diffusion has not occurred, twinning deformation occurs and ductility is ensured. In this way, the diffusion of iron provides characteristics similar to a harmonic structure in which the strength near the particle surface is high and the ductility is ensured inside the particle. Moreover, since the examples also have a harmonic structure, it is possible to achieve both strength and ductility with both the addition of iron and the harmonic structure.

しかも、実施例では、双晶変形からすべり変形への変形様式へ転換を、鉄の濃度によって制御できるため、所望の強度及び延性を持つチタン合金を得るのが容易である。 Furthermore, in the embodiment, the transformation from twin deformation to slip deformation can be controlled by the iron concentration, making it easy to obtain a titanium alloy with desired strength and ductility.

なお、鉄の添加は、鉄粉末の添加に限られるものではない。鉄の添加は、スパッタリング又はメッキ等によりチタン合金の表面に鉄の薄膜を形成し、熱処理により、薄膜からチタン合金内部へ鉄を拡散させてもよい。また、実施形態の製造方法において、メカニカルミリングを行う必要はなく、メカニカルミリングされていないチタン合金粉末に鉄粉末を混合した混合材料を焼結するだけでもよい。この場合も、焼結(熱処理)により、鉄がチタン合金粉末内部に拡散する。なお、メカニカルミリングのためのミリング容器及びボールが鉄合金である場合には、添加される鉄粉末は、ミリング容器及びボールの摩耗により生じた鉄粉末を含んでもよい。 Note that the addition of iron is not limited to the addition of iron powder. Iron may be added by forming a thin film of iron on the surface of the titanium alloy by sputtering or plating, and then diffusing iron from the thin film into the interior of the titanium alloy by heat treatment. Further, in the manufacturing method of the embodiment, it is not necessary to perform mechanical milling, and it is sufficient to simply sinter a mixed material in which iron powder is mixed with titanium alloy powder that has not been mechanically milled. In this case as well, iron diffuses into the titanium alloy powder due to sintering (heat treatment). Note that when the milling container and ball for mechanical milling are made of an iron alloy, the iron powder added may include iron powder produced by wear of the milling container and ball.

<3.付記>
本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、様々な変形が可能である。
<3. Additional notes>
The present invention is not limited to the above embodiments, and various modifications are possible.

Claims (12)

双晶変形を生じるチタン合金の粉末に、β相安定化元素を添加して、前記チタン合金の粉末と前記β相安定化元素との混合原料粉末を作製し、
前記混合原料粉末を焼結した焼結材を得る
ことを含むチタン合金の製造方法。
Adding a β-phase stabilizing element to a titanium alloy powder that causes twin deformation to produce a mixed raw material powder of the titanium alloy powder and the β-phase stabilizing element,
A method for producing a titanium alloy, comprising: obtaining a sintered material by sintering the mixed raw material powder.
双晶変形を生じるチタン合金の粉末に、β相安定化元素を添加して、前記チタン合金の粉末と前記β相安定化元素との混合原料粉末を作製し、
前記混合原料粉末を強加工して得られた加工粉末を焼結することで焼結材を得る
ことを含むチタン合金の製造方法。
Adding a β-phase stabilizing element to a titanium alloy powder that causes twin deformation to produce a mixed raw material powder of the titanium alloy powder and the β-phase stabilizing element,
A method for producing a titanium alloy, comprising obtaining a sintered material by sintering processed powder obtained by subjecting the mixed raw material powder to strong processing.
双晶変形を生じるチタン合金の粉末に強加工を行うことで、粗大結晶粒領域の周囲に微細結晶粒領域が形成された組織を有するチタン合金粉末を得て、
前記粗大結晶粒領域の周囲に前記微細結晶粒領域が形成された組織を有する前記チタン合金粉末と、β相安定化元素と、を含む加工粉末を焼結する
ことを含むチタン合金の製造方法。
By subjecting titanium alloy powder that causes twin deformation to strong processing, titanium alloy powder having a structure in which a fine crystal grain region is formed around a coarse crystal grain region is obtained,
A method for producing a titanium alloy, comprising: sintering a processed powder containing the titanium alloy powder having a structure in which the fine crystal grain region is formed around the coarse crystal grain region and a β phase stabilizing element.
前記β相安定化元素は、鉄である
請求項1から3のいずれか1項に記載のチタン合金の製造方法。
The method for producing a titanium alloy according to any one of claims 1 to 3, wherein the β-phase stabilizing element is iron.
前記双晶変形を生じる前記チタン合金は、β型チタン合金である
請求項1から4のいずれか1項に記載のチタン合金の製造方法。
The method for manufacturing a titanium alloy according to any one of claims 1 to 4, wherein the titanium alloy that causes twin deformation is a β-type titanium alloy.
焼結材であるチタン合金であって、
前記焼結材を構成する粒子が、双晶変形を生じる第1領域と、β相安定化元素を含有することですべり変形を生じる第2領域と、を有するチタン合金。
A titanium alloy that is a sintered material,
A titanium alloy in which particles constituting the sintered material have a first region where twin deformation occurs and a second region where sliding deformation occurs due to the inclusion of a β-phase stabilizing element.
粗大結晶粒の周囲に微細結晶粒が形成された組織を有するチタン合金の粉末と、β相安定化元素と、が焼結されてなる焼結材であるチタン合金であって、
前記焼結材は、前記粗大結晶粒と前記粗大結晶粒の周囲に形成された前記微細結晶粒とによって構成される調和組織を有するチタン合金。
A titanium alloy which is a sintered material made by sintering a titanium alloy powder having a structure in which fine crystal grains are formed around coarse crystal grains and a β-phase stabilizing element,
The sintered material is a titanium alloy having a harmonic structure composed of the coarse crystal grains and the fine crystal grains formed around the coarse crystal grains.
粗大結晶粒領域の周囲に形成された微細結晶粒領域が立体的なネットワークを構成する調和組織を有するチタン合金であって、
前記粗大結晶粒領域は、双晶変形を生じる第1領域と、β相安定化元素を含有することですべり変形を生じる第2領域と、を有する
チタン合金。
A titanium alloy having a harmonic structure in which a fine grain region formed around a coarse grain region constitutes a three-dimensional network,
The coarse grain region has a first region where twinning deformation occurs and a second region where sliding deformation occurs due to the inclusion of a β-phase stabilizing element.Titanium alloy.
前記β相安定化元素は、鉄である
請求項から請求項のいずれか1項に記載のチタン合金。
The titanium alloy according to any one of claims 6 to 8 , wherein the β-phase stabilizing element is iron.
前記第2領域は、前記第1領域の周囲に存在する
請求項又は請求項に記載のチタン合金。
The titanium alloy according to claim 6 or 8 , wherein the second region exists around the first region.
前記第2領域は、前記β相安定化元素である鉄の含有量が0.1質量%よりも大きい領域を含む
請求項、請求項、及び請求項10のいずれか1項に記載のチタン合金。
The second region includes a region in which the content of iron , which is the β-phase stabilizing element, is greater than 0.1% by mass. Titanium alloy.
前記第1領域は、前記β相安定化元素である鉄の含有量が0.1質量%以下である
請求項、請求項、請求項10、及び請求項11のいずれか1項に記載のチタン合金。
The content of iron, which is the β-phase stabilizing element , in the first region is 0.1 % by mass or less . titanium alloy.
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牛田 圭亮 他,生体用準安定β型Ti-5Fe-3Nb-3Zr合金の機械的強度と生体親和性,日本金属学会誌,日本,2012年,第76巻 第6号,397-401ページ

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