TWI693290B - 富鈦中熵合金 - Google Patents

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蔡佩樺
廖俞欽
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國立中央大學
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本發明提供一種富鈦中熵合金，由式Ti xAl aCr bNb c之合金所形成，其中，x為45至80，a+b+c為100-x或99.9-x，且a、b及c間的差異介於0至0.1之間。

Description

富鈦中熵合金
本發明提供一種富鈦中熵合金，尤其是指一種非等比例的富鈦中熵合金。
鈦具有重量輕、強度高、耐腐蝕等優點，可與鋁、鐵、釩等元素形成合金應用於航太、軍事等領域。然而，鈦合金仍存在延展性及耐磨耗性不足等缺點。
中高熵合金為使用多種主要元素的合金材料，有別於一般傳統合金，中高熵合金在高溫下具有高穩定性，以及高強度機械性質等優點，逐漸受到重視。其中，中熵合金通常是指具有2-4個等量或大約等量的主元素的合金，介於高熵合金與低熵合金之間。中高熵合金藉由多元素高亂度的效應，可提升合金強度，一般認為高熵合金具有更優越的機械性能。但常用高熵合金的密度皆遠大於5g/cm 3，且由於輕量元素有限，難以降低高熵合金的密度，因而大幅限縮了其應用範圍。
因此，目前亟需發展一種新的合金，以改善以往鈦合金延展性不佳或高熵合金密度大等缺點，以提升其利用性。
有鑑於此，本發明提供一種富鈦中熵合金，藉由導入非等莫爾比設計概念，突破以往中熵合金定義，延伸出更多合金組成的可能性，以提升中熵合金的應用性。
為達上述目的，本發明提供一種富鈦中熵合金，由式Ti xAl aCr bNb c之合金所形成，其中，x為45至80，a+b+c為100-x或99.9-x，且a、b及c間的差異介於0至0.1之間。於本發明的一實施例中，a、b及c分別為(100-x)/3。
於本發明之一實施例中，x為60至80，a+b+c為100-x或99.9-x。
於本發明之一實施例中，x為65至80，a+b+c為100-x或99.9-x。
於本發明之實施例中，該富鈦中熵合金選自由Ti 45Al 18.3Cr 18.3Nb 18.3、Ti 50Al 16.7Cr 16.6Nb 16.6、Ti 55Al 15Cr 15Nb 15、Ti 60Al 13.3Cr 13.3Nb 13.3、Ti 65Al 11.7Cr 11.6Nb 11.6、Ti 70Al 10Cr 10Nb 10、Ti 75Al 8.3Cr 8.3Nb 8.3、和Ti 80Al 6.7Cr 6.6Nb 6.6所組成之群組。較佳為，該富鈦中熵合金選自由Ti 60Al 13.3Cr 13.3Nb 13.3、Ti 65Al 11.7Cr 11.6Nb 11.6、Ti 70Al 10Cr 10Nb 10、Ti 75Al 8.3Cr 8.3Nb 8.3、和Ti 80Al 6.7Cr 6.6Nb 6.6所組成之群組。
於本發明之實施例中，該富鈦中熵合金的密度小於或等於5.3g/cm 3。於本發明之一實施例中，該富鈦中熵合金的密度更小於或等於5.02g/cm 3。
於本發明之實施例中，該富鈦中熵合金的壓縮應變大於30%。於本發明之一實施例中，該富鈦中熵合金的壓縮應變更大於50%。
於本發明之實施例中，該富鈦中熵合金的壓縮破裂強度(fracture strength)大於1000MPa。
於本發明之實施例中，該富鈦中熵合金的壓縮降伏強度(yield strength)大於600MPa。
於本發明之實施例中，該富鈦中熵合金的拉伸(tensile)破裂強度大於1000MPa。於本發明之一實施例中，該富鈦中熵合金的拉伸破裂強度更大於或等於1150MPa。
於本發明之實施例中，該富鈦中熵合金的拉伸降伏強度大於900MPa。
於本發明之一實施例中，該富鈦中熵合金的斷裂伸長率大於20%。於本發明之另一實施例中，該富鈦中熵合金的斷裂伸長率更大於30%。
因此，本揭露藉由將非等莫爾比設計概念導入中熵合金，以降低合金密度或提高合金延展性，增加中熵合金的應用性。
以下係藉由特定的具體實施例說明本揭露之實施方式，熟習此技藝之人士可由本說明書所揭示之內容輕易地了解本揭露之其他優點與功效。本揭露亦可藉由其他不同的具體實施例加以施行或應用，本說明書中的各項細節亦可針對不同觀點與應用，在不悖離本創作之精神下進行各種修飾與變更。
本發明說明書及申請專利範圍中所述之所有技術性及科學用語，除非另有所定義，皆為本發明所屬技術領域具有通常知識者可知曉之定義。其中單數用語「一」、「一個」、「該」、或其近似用語，除非另有說明，皆可指涉多於一個對象。本說明書使用之「或」、「以及」、「和」，除非另有說明，皆指涉「或/和」。此外，用語「包含」、「包括」皆非有所限制之開放式連接詞。前述定義僅說明用語定義之指涉而不應解釋為對發明主體之限制。除非另有說明，本發明所用之材料皆市售易於取得。
為了測試特定組成的富鈦中熵合金，以不同組成之式Ti xAl aCr bNb c之合金進行測試，其中，x為45至80，a+b+c為100-x或99.9-x，且a、b及c間的差異介於0至0.1之間。在此，係數a、b、c、及x均為各特定金屬於每單位合金中之原子比。將前述合金放入真空電弧融煉爐中，抽真空後以氬氣回填，進行電弧融煉步驟形成鑄錠。接著以將圓錠放置挖空之銅鉗鍋，進行電弧融煉使圓錠融化成液態，再藉由重力流至水冷銅模成形。
使用阿基米德法量測合金密度，並記錄於下表1中。
[表1]
Figure 108143091-A0305-0001
由表1可發現，在本發明之實施例的富鈦中熵合金中，所有合金皆具有接近5.0 g/cm 3的密度，此外，實施例5至實施例8的合金密度更小於或等於5.02 g/cm 3。因此，本發明的所有中熵合金可視為輕量合金，適用於航太、軍事等各種領域。
為了測試合金的機械性質，使用熱處理爐在1000℃下對上述富鈦中熵合金進均質化處理12小時，並以壓縮試驗分別測量熱處理前及熱處理後富鈦中熵合金的機械性質，如圖1及圖2所示，並將實驗結果整理成下表2。其中，圖1為熱處理前的壓縮試驗；圖2為熱處理後的壓縮試驗。
[表2]
Figure 108143091-A0305-0002
表2實驗結果顯示，所有富鈦中熵合金均展現出高壓縮強度，且降伏強度大於600MPa，破裂強度更大於1000MPa。此外，根據圖1及圖2之揭露，大部分的富鈦中熵合金其壓縮應變更大於50%。
以拉伸試驗比較本發明之富鈦中熵合金與市售鈦合金的機械性質，如圖3所示，並將實驗結果整理為下表3。其中，選用的富鈦中熵合金為Ti 65Al 11.7Cr 11.6Nb 11.6，簡寫為Ti 65。市售鈦合金為Ti6Al4V。
表3
Figure 108143091-A0305-0003
由上述實驗結果可發現，與市售的鈦合金相比，本發明的富鈦中熵合金其拉伸強度略高於市售鈦合金，且經過熱處理後，斷裂伸長率更可高達32%，比市售鈦合金高1.7倍。因此，本發明之富鈦中熵合金確實可改善以往鈦合金延展應不佳的缺點。
此外，藉由3.5重量%的氯化鈉水溶液中進行電腐蝕實驗測量富鈦中熵合金(實施例5)的抗腐蝕性質。如圖4所示，富鈦中熵合金(實施例5)與Ti6Al4V的腐蝕電流密度分別為10 -6以及10 -8區間，顯示Ti6Al4V的腐蝕速率較快。
另外，使用碳化鎢磨出特定半徑及長度進行磨耗試驗測量富鈦中熵合金的抗耐磨性質。以實施例5的富鈦中熵合金與市售Ti6Al4V進行比較發現，如圖5所示，富鈦中熵合金(實施例5)與Ti6Al4V經磨耗測試後的磨道深度、寬度皆非常接近，但被磨耗體積較Ti6Al4少，因此，由磨耗測試結果可以得知本案的富鈦中熵合金在耐磨損上優於市售Ti6Al4V。
以上的具體實施例應被解釋為僅僅是說明性的，而不以任何方式限制本公開的其餘部分。
圖1為本發明之富鈦中熵合金經熱處理前的壓縮試驗結果。 圖2為本發明之富鈦中熵合金經熱處理後的壓縮試驗結果。 圖3為本發明之富鈦中熵合金與市售鈦合金的拉伸試驗結果。 圖4為本發明之富鈦中熵合金與市售鈦合金於3.5wt%氯化鈉水溶液的動態極化曲線。 圖5為本發明之富鈦中熵合金與市售鈦合金的磨耗測試結果。

Claims (10)

  1. 一種富鈦中熵合金，由式Ti xAl aCr bNb c之合金所形成，其中，x為45至80，a+b+c為100-x或99.9-x，且a、b及c間的差異介於0至0.1之間。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之富鈦中熵合金，其中，該富鈦中熵合金選自由Ti 45Al 18.3Cr 18.3Nb 18.3、Ti 50Al 16.7Cr 16.6Nb 16.6、Ti 55Al 15Cr 15Nb 15、Ti 60Al 13.3Cr 13.3Nb 13.3、Ti 65Al 11.7Cr 11.6Nb 11.6、Ti 70Al 10Cr 10Nb 10、Ti 75Al 8.3Cr 8.3Nb 8.3、和Ti 80Al 6.7Cr 6.6Nb 6.6所組成之群組。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之富鈦中熵合金，其中，該富鈦中熵合金的密度小於或等於5.3g/cm 3。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之富鈦中熵合金，其中，該富鈦中熵合金的密度小於或等於5.02g/cm 3。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之富鈦中熵合金，其中，該富鈦中熵合金的壓縮應變大於30%。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之富鈦中熵合金，其中，該富鈦中熵合金的壓縮應變大於50%。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之富鈦中熵合金，其中，該富鈦中熵合金的壓縮破裂強度大於1000MPa。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之富鈦中熵合金，其中，該富鈦中熵合金的壓縮降伏強度大於600MPa。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之富鈦中熵合金，其中，該富鈦中熵合金的斷裂伸長率大於20%。
  10. 如申請專利範圍第1項所述之富鈦中熵合金，其中，該富鈦中熵合金的斷裂伸長率大於30%。
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