TWI663261B - 具有低楊氏係數之鈦合金的組成 - Google Patents

Abstract

本發明有關於一種具有低楊氏係數之鈦合金的組成。此鈦合金的組成包含特定含量之鈮與錫，以使其具有較低之楊氏係數。所製得之鈦合金具有優異的生物相容性，可作為植入人體之支撐材。

Description

具有低楊氏係數之鈦合金的組成

本發明係有關一種鈦合金的組成，特別是提供一種具有低楊氏系數的鈦合金組成。

鈦合金有較高之比強度、良好之化學惰性，與較低之楊氏係數。故，相較於其他之生醫材料(例如：316不銹鋼材料與鈷鉻鉬合金等)，鈦合金更適合作為植入人體之支撐材。當鈦合金植入人體時，若鈦合金之楊氏係數與人體骨頭之楊氏係數(約30GPa)的差異過大時，所植入之鈦合金支撐材會對鄰近區域施加張應力與壓應力，而導致組織萎縮或異常生長，進而危害人體。另外，常見之Ti-6Al-4V鈦合金雖具有良好之機械性質，而被廣泛使用，但所含有之鋁易導致阿茲海默症，且過多之釩易毒害人體健康。據此，Ti-6Al-4V不適合作為植入人體之支撐材。

為了解決鈦合金植入材對於人體之損害，鈦合金的組成係被調整，以降低其楊氏係數，而可作為植入材。一種技術方法係製備含有37重量百分比至40重量百分比之鈮與5重量百分比至8重量百分比之鋯的鈦合金的組成。雖 然此技術方法所製得之鈦合金的組成的楊氏係數可降低至39GPa，但其含有過多之鈮，而鈮屬於高溫穩定元素，故此技術方法所製得之鈦合金的熔煉難度較高。

另一種技術方法係製備含有6重量百分比至9重量百分比之鉬與1重量百分比之鈮或鋯的鈦合金的組成，以降低鈦合金之楊氏係數。然而，此技術方法所製得之鈦合金的三點彎曲彈性係數僅能降低至55GPa，且高熔點的鉬之含量過高，而增加熔煉難度。

有鑑於此，亟須提供一種鈦合金的組成，以改進習知鈦合金組成的問題。

因此，本發明之一態樣是在提供一種鈦合金的組成，其具有特定組成之金屬元素，而具有較低之相變態溫度，進而可降低鈦合金的組成之楊氏係數。

根據本發明之一態樣，提出一種鈦合金的組成。此鈦合金的組成包含2重量百分比至20重量百分比之鈮、8重量百分比至30重量百分比之錫、無法避免之雜質，且其餘為鈦。其中，此鈦合金的組成中之釩含量小於1.0重量百分比。

依據本發明之一實施例，此鈦合金的組成可選擇性地包含0重量百分比至14重量百分比之鋯。

依據本發明之另一實施例，此鈦合金的組成可選擇性地包含鉬，且鈮與鉬之總和係小於或等於20重量百分比。

依據本發明之又一實施例，前述鉬之含量為0重量百分比至4重量百分比。

依據本發明之再一實施例，此鈦合金材的組成可選擇性地包含間隙型元素，且間隙型元素包含碳、氮、氫及/或氧，其中間隙型元素之含量係小於0.5重量百分比。

依據本發明之又另一實施例，前述鈦合金之相變態溫度係小於300K。

依據本發明之再另一實施例，於大於或等於300K時，前述之鈦合金的晶體結構為β相鈦合金。

依據本發明之更另一實施例，前述鈦合金之楊氏係數係小於60GPa且抗拉強度係大於400MPa。

應用本發明之鈦合金，其具有特定組成，而可具有小於300K之相變態溫度，因此於室溫下，此鈦合金的組成可具有小於60GPa之楊氏係數，而可滿足生醫植入鈦合金之應用需求。

以下仔細討論本發明實施例之製造和使用。然而，可以理解的是，實施例提供許多可應用的發明概念，其可實施於各式各樣的特定內容中。所討論之特定實施例僅供說明，並非用以限定本發明之範圍。

本發明所稱之「相變態溫度」係指鈦合金之晶體結構由β相[體心立方(Body-Centered Cubic；BCC)結構]轉變為麻田散鐵相(α’相，[六方最密堆積(Hexagonal Close-Packed；HCP)結構])之溫度。

本發明之鈦合金的組成包含2重量百分比至20重量百分比之鈮、8重量百分比至30重量百分比之錫及無法避免之雜質，且其餘為鈦。其中，本發明之鈦合金的組成中之釩含量小於1.0重量百分比，且鈦合金的組成中之釩含量較佳可為0(即鈦合金的組成不包含釩)。另外，前述之雜質係指金屬熔煉製程所殘留之雜質。舉例而言，雜質可包含鎂，或者其他製程殘留之雜質。在一些實施例中，本發明之鈦合金組成的雜質可包含鋁，但鋁之含量係小於1重量百分比。

前述之鈦合金材的組成具有小於300K之相變態溫度，而可具有小於60GPa之楊氏係數。其中，於小於300K，此鈦合金的結構可維持為β相鈦合金。據此，β相的鈦合可使其於室溫時具有小於60GPa之楊氏係數。較佳地，於室溫下，本發明之鈦合金的楊氏係數係可小於45GPa。

若前述鈮與錫之含量不為前述之範圍時，所製得之鈦合金的組成的相變態溫度係高於300K。換言之，於 室溫下，鈦合金的組成之晶體結構可能已轉變為α相之晶體結構，或者轉變為混合有α相與α"相(即HCP結構或非立方性斜方晶系結構)之晶體結構，而不具有β相之晶體結構。因此，於室溫下，此鈦合金具有不小於60GPa之楊氏係數，而無法滿足應用之需求。再者，若鈮之含量大於20重量百分比時，高熔點之鈮易造成部分區域不易熔融，而增加合金熔煉之困難。另外，若錫之含量大於30重量百分比時，過多之錫將無法固溶於β相鈦合金中，而形成有害的鈦錫介金屬相。

在一些實施例中，較佳地，鈮之含量可大於10重量百分比且小於或等於20重量百分比，且錫之含量可為8重量百分比至14重量百分比。

在一些實施例中，前述之鈦合金的組成可選擇性地包含0重量百分比至14重量百分比之鋯。當鈦合金的組成包含0重量百分比至14重量百分比之鋯時，所製得之鈦合金的組成可具有低於300K之相變態溫度，而可降低鈦合金於室溫下之楊氏係數。較佳地，鋯之含量可為6重量百分比至14重量百分比。

在一些實施例中，前述之鈦合金的組成可選擇性地包含鉬。當鈦合金的組成包含鉬時，鉬可有效地降低鈦合金之相變態溫度。然而，由於鈮與鉬均係高溫穩定元素(即高熔點元素)，故為降低熔煉難度，鈮與鉬之總和較佳係小於或等於20重量百分比。另外，雖然鉬可有效降低鈦合金的組成之相變態溫度，但過多之鉬易提升熔煉難度，且易提 升楊氏係數，而導致所製得之鈦合金的組成無法滿足應用需求。因此，在一些實施例中，鉬之含量較佳可為0重量百分比至4重量百分比。當鉬之含量為0重量百分比至4重量百分比時，鈦合金的組成之熔煉難度與相變態溫度可被兼顧，而製得楊氏係數小於60GPa之鈦合金的組成。

在一些實施例中，本發明之鈦合金的組成可選擇性地包含小於0.5重量百分比之間隙型元素(interstitial element)。其中，間隙型元素可包含但不限於碳、氮、氫、氧、其他適當之間隙型元素，或上述元素之任意組合。若間隙型元素之含量小於0.5重量百分比時，鈦合金的組成中之鈦不易與碳、氮或氫等間隙型元素形成較為硬脆的碳化物、氮化物或氫化物，而可避免降低鈦合金的組成延展性與生物相容性，或者所形成之碳化物、氮化物或氫化物的含量較少，而不易降低鈦合金的組成延展性與生物相容性。

在一些具體例中，鈦合金的組成可藉由真空感應爐、真空電弧熔煉、其他適當之金屬熔煉方法，或上物方法之任意組合來製作為鈦胚材料。其次，為製得需求之尺寸規格，鈦胚材料可利用熱加工、冷加工、其他適當之加工方法或上述方法之任意組合來加工。

如前所述，本發明之鈦合金的組成具有低於300K之相變態溫度，且在室溫時，此鈦合金為β相鈦合金。再者，所製得之鈦合金之楊氏係數小於60GPa且抗拉強度大於400MPa。

在一應用例中，由於本發明之鈦合金於室溫下的楊氏係數係相近於人體骨頭之楊氏係數(約30GPa)，故本發明之鈦合金的組成可作為植入人體之生醫材料，且其與人體骨頭之楊氏係數的差異較小，故不易對植入區域之附近張應力與壓應力，而可避免細胞萎縮與細胞異常生長。另外，本發明之鈦合金的組成不使用具有對身體有害之毒性元素(例如：鉿等)，故於植入人體後，本發明之鈦合金的組成不損害人體。再者，本案之鈦合金的組成之釩含量小於1.0重量百分比，故植入人體之鈦合金不會毒害人體健康。

以下利用實施例以說明本發明之應用，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾。

製備鈦合金的組成 實施例1

首先，提供具有65.8重量百分比之鈦、10.8重量百分比之鈮、12.0重量百分比之鋯，與11.4重量百分比之錫的鈦合金的組成。然後，藉由適當之金屬熔煉方式製得鈦胚。接著，對此鈦胚進行熱軋製程與退火製程等熱機處理，即可獲得實施例1之鈦合金的組成的試片。

量測實施例1之鈦合金的組成的試片之相變態溫度，以判斷試片之相變態溫度是否大於300K，並量測試片之晶體結構。之後，量測試片之抗拉強度與拉伸測試之楊氏係數。所得之結果如第1表所示。

比較例1

首先，提供具有61.9重量百分比之鈦、9.6重量百分比之鈮、18.7重量百分比之鋯，與9.8重量百分比之錫的鈦合金的組成。然後，藉由適當之金屬熔煉方式製得鈦胚。接著，對此鈦胚進行熱軋製程與退火製程等熱機處理，即可獲得比較例1之鈦合金的組成的試片。

相同於實施例1，量測比較例1之鈦合金試片之相變態溫度，以判斷試片之相變態溫度是否大於300K，並量測試片之晶體結構。之後，量測試片之抗拉強度與拉伸測試之楊氏係數。所得之結果如第1表所示。

比較例2

首先，提供具有62.5重量百分比之鈦、15.3重量百分比之鈮、16.1重量百分比之鋯，與6.1重量百分比之錫的鈦合金的組成。然後，藉由適當之金屬熔煉方式製得鈦胚。接著，對此鈦胚進行熱軋製程與退火製程等熱機處理，即可獲得比較例2之鈦合金的組成的試片。

相同於實施例1，量測比較例1之鈦合金的組成的試片之相變態溫度，以判斷試片之相變態溫度是否大於300K，並量測試片之晶體結構。之後，量測試片之抗拉強度與拉伸測試之楊氏係數。所得之結果如第1表所示。

依據第1表所載之內容可知，當鈦合金的組成中之各金屬的含量係落於本案前述之範圍時，所製得之鈦合金的楊氏係數可有效地被降低至小於60GPa，而可滿足應用之需求。

據此，本發明之鈦合金的組成具有特定之金屬組成，而具有小於300K之相變態溫度，故於300K時，本發明之鈦合金的晶體結構為β相鈦合金，而可具有小於60GPa之楊氏係數。

其次，本發明之鈦合金的組成不使用鉿等毒性元素，且具有相近於人體骨頭之楊氏係數，故本發明之鈦合金的組成可作為生醫植入支撐材，且不危害人體。其中，本發明之鈦合金的組成中之釩含量相當少，故所製成之生醫植入支撐材不會毒害人體健康。另外，本發明之鈦合金的組成可選擇性地包含特定含量之鋯與鉬，而可進一步降低鈦合金的組成之楊氏係數，進而滿足應用需求。

雖然本發明已以實施方式揭露如上，然其並非用以限定本發明，在本發明所屬技術領域中任何具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此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。

Claims (7)

1. 一種鈦合金的組成，包含：2重量百分比至20重量百分比之鈮；大於8重量百分比且小於或等於30重量百分比之錫；無法避免之雜質；以及其餘為鈦，且其中該鈦合金的組成包含小於1.0重量百分比之釩，且該鈦合金之相變態溫度小於300K。
2. 如申請專利範圍第1項所述之鈦合金的組成，更包含：0重量百分比至14重量百分比之鋯。
3. 如申請專利範圍第1項所述之鈦合金的組成，更包含鉬，其中該鈮與該鉬之總和小於或等於20重量百分比。
4. 如申請專利範圍第3項所述之鈦合金的組成，其中該鉬之含量為0重量百分比至4重量百分比。
5. 如申請專利範圍第1項所述之鈦合金的組成，更包含：一間隙型元素，包含碳、氮、氫及/或氧，其中該間隙型元素之含量小於0.5重量百分比。
6. 如申請專利範圍第1項所述之鈦合金的組成，其中於大於或等於300K，該鈦合金的晶體結構為β相鈦合金。
7. 如申請專利範圍第1項所述之鈦合金的組成，其中該鈦合金之楊氏係數小於60GPa且抗拉強度大於400MPa。