TW201336675A - 複合基材及利用金屬玻璃層提升鈦合金疲勞性質的方法 - Google Patents

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Abstract

本發明提出一種複合基材，包括鈦合金基板以及金屬玻璃層。金屬玻璃層配置於上述鈦合金基板上。上述金屬玻璃層的厚度為50奈米~200奈米。相較於該鈦合金基板，該複合基材之疲勞壽命提升5倍~17倍。

Description

複合基材及利用金屬玻璃層提升鈦合金疲勞性質的方法
本發明是與一種複合基材有關，且特別是與一種配置有金屬玻璃層的鈦合金基板所形成的複合基材有關。
鈦合金基板質輕且延性高、耐蝕性高，在工業上被廣泛利用。為了進一步提高鈦合金基板的應用性，必須改善鈦合金基板疲勞強度不足且疲勞壽命短的問題。作為改善方法之一，可列舉表面鍍膜等表面改質方法。
對於鈦合金基板例如鈦合金而言，為了提高疲勞強度以及疲勞壽命，常用的方法是在其表面上鍍一層TiN、TiNx或ZrN薄膜作為保護層以提升鈦合金基板的疲勞性質。TiN或ZrN屬於陶瓷薄膜，所以在製造過程中需要較高的製造溫度。有研究指出，利用TiN或ZrN對鈦合金進行表面改質時，在高溫製程下的熱效應反而使鈦合金的疲勞強度以及疲勞壽命下降，造成此種現象的原因在於鈦合金在高溫下產生相變化所造成。此外，TiN或ZrN硬且脆，因而延展性不足，造成無法有效阻擋基材中缺陷於疲勞測試時的傳播與成長。
因此，為了提高鈦合金基板的應用性，需要發展出具有高疲勞強度、製程溫度低的延性材料來對鈦合金基板進行表面改質。
本發明提供一種複合基材，其之目的在於解決鈦合金基板缺乏疲勞強度且疲勞壽命不足的問題，以增加鈦合金基板的應用。
本發明提出一種複合基材，包括鈦合金基板；以及金屬玻璃層，配置於上述鈦合金基板上，且上述金屬玻璃層的厚度為50奈米~200奈米，其中相較於上述鈦合金基板，上述複合基材之疲勞壽命提升5倍~17倍。
在本發明之一實施例中，上述金屬玻璃層係以低溫濺鍍法配置於上述鈦合金基板上
在本發明之一實施例中，上述金屬玻璃層係為選自Zr基金屬玻璃、Mg基金屬玻璃、La基金屬玻璃、Pd基金屬玻璃以及Cu基金屬玻璃所組成之族群中之一種。
在本發明之一實施例中，本發明之複合基材更包括一黏著層，此黏著層係配置於鈦合金基板與金屬玻璃層之間。
在本發明之一實施例中，上述黏著層的材質例如是鈦金屬或鉻金屬。
基於上述，本發明之複合基材係利用金屬玻璃層提高鈦合金基板的疲勞強度以及疲勞壽命，藉此所形成的複合基材與未形成有金屬玻璃層的鈦合金基板相比，具有更好的機械性質以及應用價值。
本發明提出一種複合基材的製造方法，其包括：提供鈦合金基板；以及將金屬玻璃層以低溫濺鍍法配置於上述鈦合金基板上，其中上述低溫濺鍍法之製造溫度係低於200℃。
在本發明之一實施例中，上述低溫濺鍍法係為磁控濺鍍法。
在本發明之一實施例中，上述金屬玻璃層的厚度為50奈米~200奈米。
在本發明之一實施例中，上述金屬玻璃層係為選自Zr基金屬玻璃、Mg基金屬玻璃、La基金屬玻璃、Pd基金屬玻璃以及Cu基金屬玻璃所組成之族群中之一種。
在本發明之一實施例中，本發明之複合基材更包括一黏著層，此黏著層係配置於鈦合金基板與金屬玻璃層之間。
在本發明之一實施例中，上述黏著層的材質例如是鈦金屬或鉻金屬。
本發明提出一種提升鈦合金疲勞性質的方法，包括：利用低溫濺鍍法在鈦合金基板上，形成金屬玻璃層，其中上述金屬玻璃層使上述鈦合金基板之疲勞壽命提升5倍~17倍。
在本發明之一實施例中，上述金屬玻璃層係為選自Zr基金屬玻璃、Mg基金屬玻璃、La基金屬玻璃、Pd基金屬玻璃以及Cu基金屬玻璃所組成之族群中之一種。
在本發明之一實施例中，在形成上述金屬玻璃層之前，更包括在鈦合金基板上，形成黏著層。
在本發明之一實施例中，上述黏著層的材質例如是鈦金屬或鉻金屬。
在本發明之一實施例中，上述金屬玻璃層使上述鈦合金在1.35GPa應力下的疲勞壽命達到2.2x106循環數。
基於上述，本發明之提升鈦合金疲勞性質的方法係利用磁控濺鍍法將金屬玻璃薄膜濺鍍於鈦合金基材上，由於製程的溫度較低，熱效應不會對鈦合金基材造成影響使鈦合金仍保有原來的強度，並利用金屬玻璃具有高強度與延展性等特點提升鈦合金疲勞性質金屬玻璃層提高鈦合金基板的疲勞強度以及疲勞壽命，藉此所形成的複合基材與未形成有金屬玻璃層的鈦合金基板相比，具有更好的機械性質以及應用價值。
為讓本發明之上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。
本發明利用金屬玻璃薄膜具有良好的成形性與機械、物理及化學特性，並將其應用在鈦合金基板的表面改質研究上，以提高鈦合金基板的疲勞強度以及疲勞壽命。
本發明之金屬玻璃層是指以非結晶結構為主，可含有少量的部份結晶結構的金屬玻璃，或是皆為非結晶結構的金屬玻璃。
本發明之金屬玻璃層可以例如是Zr基金屬玻璃，Zr基金屬玻璃可以例如是包含Zr以及選自於由Cu、Al、Ni、Ti、Be、Nd、Y、P、Si、Mg、Pd以及La所組成之族群之至少兩種元素的金屬玻璃，Zr佔整體成分之比例範圍係介於40原子百分比(at.%)~60原子百分比(at.%)之間。本發明之金屬玻璃層的組成之通式可以例如是ZrMy1，其中My1係為選自於由Cu、Al、Ni、Ti、Be、Nd、Y、P、Si、Mg、Pd以及La所組成之族群之至少兩種元素。本發明之金屬玻璃層可以例如是Zr50Cu27Al16Ni7、Zr53Cu29Al12Ni6、Zr66Al8Cu7Ni19、Zr66Al8Cu12Ni14、Zr57Ti5Al10Cu20Ni8或是Zr44Ti11Cu10Ni10Be25。
此外，本發明之金屬玻璃層亦可以例如是Mg基金屬玻璃，Mg基金屬玻璃可以例如是包含Mg以及選自於由Cu、Al、Ni、Ti、Be、Nd、Y、P、Si、Zr、Pd以及La所組成之族群之至少兩種元素的金屬玻璃，Mg佔整體成分之比例範圍係介於60原子百分比(at.%)~85原子百分比(at.%)之間。本發明之金屬玻璃層的組成之通式可以例如是MgMy2，其中My2係為選自Cu、Al、Ni、Ti、Be、Nd、Y、P、Si、Zr、Pd以及La所組成之族群之至少兩種元素。本發明之金屬玻璃層可以例如是Mg80Ni10Nd10、Mg70Ni15Nd15或是Mg65Cu25Y10。
此外，本發明之金屬玻璃層亦可以例如是La基金屬玻璃，La基金屬玻璃可以例如是包含La以及選自於由Cu、Al、Ni、Ti、Be、Nd、Y、P、Si、Zr、Pd以及Mg所組成之族群之至少兩種元素的金屬玻璃，La佔整體成分之比例範圍係介於50原子百分比(at.%)~60原子百分比(at.%)之間。本發明之金屬玻璃層的組成之通式可以例如是LaMy3，其中My3係為選自Cu、Al、Ni、Ti、Be、Nd、Y、P、Si、Zr、Pd以及Mg所組成之族群之至少兩種元素。本發明之金屬玻璃層可以例如是La55Al25Ni15Cu5、La55Al25Ni10Cu10或是La55Al25Ni5Cu15。
此外，本發明之金屬玻璃層亦可以例如是Pd基金屬玻璃，Pd基金屬玻璃可以例如是包含Pd以及選自於由Cu、Al、Ni、Ti、Be、Nd、Y、P、Si、Zr、La以及Mg所組成之族群之至少兩種元素的金屬玻璃，Pd佔整體成分之比例範圍係介於40原子百分比(at.%)~80原子百分比(at.%)之間。本發明之金屬玻璃層的組成之通式可以例如是PdMy4，其中My4係為選自Cu、Al、Ni、Ti、Be、Nd、Y、P、Si、Zr、La以及Mg所組成之族群之至少兩種元素。本發明之金屬玻璃層可以例如是Pd40Cu30Ni10P20、Pd77Cu6Si17或是Pd40Ni40P20。
此外，本發明之金屬玻璃層亦可以例如是Cu基金屬玻璃，Cu基金屬玻璃可以例如是包含Cu以及選自於由Al、Ni、Ti、Be、Nd、Y、P、Si、Zr、La、Pd以及Mg所組成之族群之至少兩種元素的金屬玻璃，Cu佔整體成分之比例範圍係介於50原子百分比(at.%)~65原子百分比(at.%)之間。本發明之金屬玻璃層的組成之通式可以例如是CuMy5，其中My5係為選自Al、Ni、Ti、Be、Nd、Y、P、Si、Zr、La、Pd以及Mg所組成之族群之至少兩種元素。本發明之金屬玻璃層可以例如是Cu60Zr30Ti10或是Cu54Zr27Ti9Be10。
然而，本發明之金屬玻璃層的組成並未侷限於上述所列舉的範例，在其他實施例中，本發明之金屬玻璃層的組成可以包含任何可用於形成金屬玻璃的元素。上述的金屬玻璃層之範例的成份比例主要是依照玻璃的成形性來決定，任何包含上述元素所形成之具有良好的金屬玻璃成型性之金屬玻璃，都可以用來作為本發明之複合基材的金屬玻璃層。
接著，將說明本發明之複合基材，圖1是依照本發明實施例所繪示之一種複合基材的剖面圖。
請參照圖1，本發明之一種複合基材包括：鈦合金基板100以及金屬玻璃層110。金屬玻璃層110係被配置於鈦合金基板100上。在一實施例中，本發明之一種複合基材更包括黏著層120，且該黏著層120係配置於鈦合金基板100與金屬玻璃層110之間。
鈦合金基板100的材質並無限制，且亦可以使用例如是市售的鈦合金。
金屬玻璃層110以低溫濺鍍法而配置於鈦合金基板上。低溫濺鍍法例如為真空磁控濺鍍法。真空磁控濺鍍法乃屬於一種低溫製程，其製造溫度為低於200℃。在濺鍍金屬玻璃層的過程中，由於製程溫度較低，對於鈦合金基板的熱效應低，因此可以避免熱效應所帶來的機械性質的降低。金屬玻璃層110的厚度可以例如是50奈米~200奈米。
黏著層120的材質可以例如是鈦金屬或是鉻金屬。黏著層120的厚度可以例如是10奈米。
本發明係將金屬玻璃層配置於鈦合金基板上，藉此使所形成的複合基材與未形成有金屬玻璃層的鈦合金基板相比，疲勞強度、疲勞壽命等機械性質增加。本發明者認為主要原因如下：金屬玻璃層具有優異的延展性以及較高的硬度，對於鈦合金基板而言是硬膜保護層，藉此可以阻止鈦合金基板內的缺陷在表面傳播；金屬玻璃層可以降低鈦合金基板的表面粗糙度，藉此可以減少缺陷在鈦合金基板的表面成核成長的機會；金屬玻璃層與鈦合金基板的附著性高，藉此亦可阻止鈦合金基板內的缺陷在表面傳播。
黏著層的功用在於進一步增加金屬玻璃層與鈦合金基板之間的附著力，本身對於鈦合金的疲勞性質無明顯的效益。
此外，比較先前對於非鐵類基材的研究中，金屬玻璃薄膜濺鍍於鎳基合金上，由於薄膜與基材間附著力差，在疲勞試驗過程中，金屬玻璃薄膜容易從基材上剝落，因此金屬玻璃薄膜對於鎳基合金的疲勞性質提升相當有限，疲勞壽命僅提升3.9倍。然而，本發明之複合基材與鈦合金相比，其疲勞壽命明顯提升5倍~17倍，另外在1.35GPa應力下，疲勞壽命可以達到2.2x106以上循環數。顯示本發明之複合基材中，金屬玻璃薄膜能有效提升鈦合金的疲勞性質。
以下特舉出實驗例並對本發明之複合基材進行測試。
實驗例
[MG/Ti/Ti-6Al-4V試片的製備]
利用真空磁控濺鍍法在Ti-6Al-4V(鈦合金)基材上沉積厚度為10 nm的鈦金屬(黏著層)，然後再利用真空磁控濺鍍法在上述鈦金屬上沉積厚度為200 nm的Zr50Cu27Al16Ni7(金屬玻璃層)而形成MG/Ti/Ti-6Al-4V試片。所形成的MG/Ti/Ti-6Al-4V試片的尺寸為3×3×25 mm3。
上述Ti-6Al-4V基材包含5.5%~6.75%的Al、3.5%~4.5%的V、0.1%的C(最高含量)、0.4%的Fe(最高含量)、0.05%的N、0.02%的O(最高含量)、0.015%的H(最高含量)、0.4%的其餘雜質(最高含量)以及(100%扣除上述總含量)的Ti。
上述的磁控濺鍍法的製程參數如下：工作壓力為10 mTorr、工作氣體為氬氣，其流量為20 sccm、工作距離為100 mm(靶材與基材間距)、鍍200nm鋯基金屬玻璃薄膜的鍍膜時間為1005秒且鍍10nm鈦之黏著層的鍍膜時間為65秒。
比較例1
選擇尚未濺鍍的Ti-6Al-4V試片作為比較例1，Ti-6Al-4V試片的尺寸亦為3×3×25 mm3。
比較例2
除了將實驗例中的Ti-6Al-4V基材改成鎳合金基材之外，與實驗例相同的方式製備MG/Ti/鎳合金試片。
對上述實驗例與比較例1、2中所得到的試片進行疲勞試驗、表面粗糙度的量測，並且利用掃描式電子顯微鏡(SEM)觀察疲勞試驗後各試片的剖面形貌。
圖2為疲勞試驗示意圖。如圖2所示，疲勞試驗為四點抗彎測試。在張應力表面與壓應力表面插梢間距分別為20釐米與10釐米。各試片分別在不同的應力下進行疲勞測試，而試片承受之荷重比(最小荷重/最大荷重)R為0.1，頻率為10赫茲。圖2中的斜線部分為Zr50Cu27Al16Ni7(金屬玻璃層)，因此疲勞試驗過程中，金屬玻璃層皆處於張應力的狀態。
表面粗糙度的量測方法是利用原子力顯微鏡(AFM)來進行量測。表面粗糙度量測是利用Bruker的D3100原子力顯微鏡，接觸式掃描試片表面，掃描範圍為50μm×50μm，繪出試片的3D立體的表面形貌圖並計算表面粗糙度。
圖3(a)是MG/Ti/Ti-6Al-4V試片與Ti-6Al-4V試片之S-N四點抗彎疲勞曲線圖。圖3(b)是MG/Ti/鎳合金試片與Ti-6Al-4V試片之S-N四點抗彎疲勞曲線圖。圖4(a)及圖4(b)分別為Ti-6Al-4V試片與MG/Ti/Ti-6Al-4V試片的表面粗糙度示意圖。
請參照圖3(a)，MG/Ti/Ti-6Al-4V試片的S-N四點抗彎疲勞曲線在圖3(a)中以「△」的記號表示；Ti-6Al-4V試片的S-N四點抗彎疲勞曲線在圖3(a)中以「▼」的記號表示。將MG/Ti/Ti-6Al-4V試片與Ti-6Al-4V試片相比，在較大的荷重下MG/Ti/Ti-6Al-4V試片的疲勞壽命與Ti-6Al-4V試片的疲勞壽命相差不大，即，疲勞壽命提升不明顯。然而，隨著荷重的減少疲勞壽命提升的程度明顯增加。例如於圖3(a)中可知，在高荷重的應力1.65GPa下，MG/Ti/Ti-6Al-4V試片的疲勞壽命為2.4×104循環數，而Ti-6A1-4V試片的疲勞壽命為1.3×104循環數；在低荷重的應力1.3GPa下，MG/Ti/Ti-6Al-4V試片的疲勞壽命為5.3×106循環數，而Ti-6Al-4V試片的疲勞壽命為3.1×105循環數。無論是在何種荷重的應力下，有濺鍍金屬玻璃層的鋁合金的疲勞壽命皆有提昇，而在低荷重的應力下，疲勞壽命的提升更為明顯。此外，從圖3(a)中亦可以看到濺鍍金屬玻璃層後的鋁合金的疲勞壽命提升5倍~17倍。
接著，請參照圖3(b)，MG/Ti/鎳合金試片中的S-N四點抗彎疲勞曲線在圖3(b)中以「▲」的記號表示；Ti-6Al-4V試片的S-N四點抗彎疲勞曲線在圖3(a)中以「▼」的記號表示。比較圖3(a)以及圖3(b)可知，金屬玻璃薄膜對於鎳合金的疲勞性質幫助有限，僅提升約4倍的疲勞壽命。然而金屬玻璃薄膜對於鈦合金的疲勞性質則有明顯的幫助，即可提升5~17倍的疲勞壽命。因此金屬玻璃薄膜可用於大幅度地提高鈦合金的疲勞性質，意即所形成的MG/Ti/Ti-6Al-4V試片的疲勞性質更優於MG/Ti/鎳合金試片的疲勞性質。
請參照圖4(a)及圖4(b)，Ti-6Al-4V試片的表面粗糙度約為39.3nm，而MG/Ti/Ti-6Al-4V試片的表面粗糙度約為29.8nm。在此試驗中，MG/Ti/Ti-6Al-4V試片中的Ti-6Al-4V基材與Ti-6Al-4V試片中的Ti-6Al-4V基材為同一基材。即，先量測Ti-6Al-4V試片的表面粗糙度，然後將量測後的Ti-6Al-4V試片進行鈦金屬與Zr50Cu27Al16Ni7的濺鍍而形成MG/Ti/Ti-6Al-4V試片。由上可知，濺鍍鈦金屬與Zr50Cu27Al16Ni7後可以使Ti-6Al-4V基材的表面粗糙度降低，進而降低Ti-6Al-4V基材表面的缺陷。
圖5之(a)~圖5之(d)為MG/Ti/Ti-6Al-4V試片經過1.3GPa應力的疲勞試驗後的SEM下的表面形貌。圖5之(a)顯示在1.3GPa應力下疲勞斷裂後，除了在破斷起始區(如圖5之(a)中的虛線區域)有變形與剝離的現象之外，Zr50Cu27Al16Ni7大致上能附著在基材表面上且表面依然平坦無明顯變形。上述的變形與剝離的現象可以從圖5之(b)中更明顯看出。再者，由圖5之(c)中可以看出在疲勞試驗過程中，差排在Ti-6Al-4V基材中堆疊而生成滑移帶，此滑移帶向表面滑移而生成如階差的偏移(offset)或是如圖5之(d)所示生成如裂縫(crack)。
請繼續參照圖5之(c)與圖5之(d)，Zr50Cu27Al16Ni7覆蓋在上述偏移與裂縫上，顯示Zr50Cu27Al16Ni7具有相當的延展性與強度，而且Zr50Cu27Al16Ni7覆蓋在偏移等變形量較大的區域使得Zr50Cu27Al16Ni7的表面形成多顆粒狀凸起，相較於其他未變形區域的Zr50Cu27Al16Ni7的表面依然平整，因此在疲勞試驗中金屬玻璃層可阻擋缺陷或裂縫在基材表面生成進而延長基材的疲勞壽命。
綜上所述，本發明之複合基材係利用金屬玻璃層提高鈦合金基板的疲勞強度以及疲勞壽命，藉此所形成的複合基材與未形成有金屬玻璃層的鈦合金基板相比，具有更好的機械性質以及應用價值。
雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，故本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
100．．．鈦合金基板
110．．．金屬玻璃層
120．．．黏著層
圖1是依照本發明實施例所繪示之一種複合基材的剖面圖。
圖2為疲勞試驗示意圖。
圖3(a)是MG/Ti/Ti-6Al-4V試片與Ti-6Al-4V試片之S-N四點抗彎疲勞曲線圖。圖3(b)是MG/Ti/鎳合金試片與Ti-6Al-4V試片之S-N四點抗彎疲勞曲線圖。
圖4(a)及圖4(b)分別為Ti-6Al-4V試片與MG/Ti/Ti-6Al-4V試片的表面粗糙度示意圖。
圖5之(a)~圖5之(d)為MG/Ti/Ti-6Al-4V試片經過1.3GPa應力的疲勞試驗後的SEM下的表面形貌。
100．．．鈦合金基板
110．．．金屬玻璃層
120．．．黏著層

Claims (10)

  1. 一種複合基材，包括：一鈦合金基板；以及一金屬玻璃層，其係配置於該鈦合金基板上，且該金屬玻璃層的厚度為50奈米~200奈米；其中該金屬玻璃層使該複合基材在1.3GPa應力下的疲勞壽命達到2.2×106循環數以上。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之複合基材，其中該金屬玻璃層係以一低溫濺鍍法配置於該鈦合金基板上。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之複合基材，其中該金屬玻璃層為選自Zr基金屬玻璃、Mg基金屬玻璃、La基金屬玻璃、Pd基金屬玻璃以及Cu基金屬玻璃所組成之族群中之一種。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之複合基材，其中更包括一配置於該鈦合金基板與該金屬玻璃層之間的黏著層，且其中該黏著層的材質係為鈦金屬或鉻金屬。
  5. 一種複合基材的製造方法，其包括：提供一鈦合金基板；以及將一金屬玻璃層以一低溫濺鍍法配置於該鈦合金基板上，其中該低溫濺鍍法之製造溫度係低於200℃。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之複合基材的製造方法，其中該低溫濺鍍法係為磁控濺鍍法。
  7. 如申請專利範圍第5項所述之複合基材的製造方法，其中該金屬玻璃層的厚度為50奈米~200奈米。
  8. 如申請專利範圍第5項所述之複合基材的製造方法，其中該金屬玻璃層為選自Zr基金屬玻璃、Mg基金屬玻璃、La基金屬玻璃、Pd基金屬玻璃以及Cu基金屬玻璃所組成之族群中之一種。
  9. 如申請專利範圍第5項所述之複合基材的製造方法，其中更包括一配置於該鈦合金基板與該金屬玻璃層之間的黏著層，且其中該黏著層的材質係為鈦金屬或鉻金屬。
  10. 如申請專利範圍第5項所述之提升鈦合金疲勞性質的方法，其中該金屬玻璃層使該鈦合金在1.3GPa應力下的疲勞壽命達到2.2×106循環數以上。
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