专利名称：Ti-Cu-Sn钛合金组成物的制作方法
技术领域：
本发明是关于一种钛合金组成物，特别是一种高强度、低弹性模数、耐磨耗及无毒性的T1-Cu-Sn钛合金组成物。
背景技术：
纯钛或T1-6A1_4V合金已经广泛应用于各式需要高强度的材料制程领域，甚至将该些生产成生医级纯钛或T1-6A1-4V钛合金的组成物，应用于生医材料(如齿用材料、人工骨头等)。现有钛合金组成物，如中国台湾公告第442272号《具有一金属核心之陶瓷牙科用齿台》、公告第M348589号《植体愈合帽》及公告第M380793号《齿冠支柱体之结构》等专利案，是揭示用于形成 齿用结构(支柱体、愈合帽、植体)的组成成分，该成分可以为氧化锆、钛合金、招合金、氮化钛、纯钛等合金成分。以纯钛或钛合金产品的制作层面而言，通常必须先对纯钛或钛合金组成物进行加工处理后方可获得纯钛或钛合金的产品。若以纯钛作为加工材质，纯钛的熔点高达1670°C，且其必须于真空环境且高于1670°C的高温情形下，进行真空熔炼及铸造。由于钛为高活性元素，一般在600 900°C情形下进行加工处理，将会容易产生氧化作用，且随着加工温度越高，氧化速率越快，所造成的氧化现象越严重，将会影响到纯钛产品的性质；再者，纯钛的弹性模数高及韧性较高，以切削工具对其进行切削加工时，容易造成切削工具快速磨损，以及加工精准度不佳的缺点；再者，纯钛的强度、硬度及刚性均明显不足，造成该材料的应用有所限制。若以钛合金作为加工材质，以生医级T1-6A1_4V合金为例，虽然其具有优异强度及机械性质，但由于其合金组成物铝、钒元素会与人体发生化学反应形成离子，如铝离子被认为与阿兹海默症的发生有关，且钒离子具有细胞毒性，可能对组织产生不良影响，因此该T1-6A1-4V钛合金也应用于生医材料领域作为人体植入物的材料使用，以免铝或钒离子于生物体内溶出而对细胞及组织产生毒性伤害，甚至导致人体各种慢性病的生成。因此，确实有必要开发新一代的钛合金组成物及材料，以取代现有纯钛或钛合金组成物。
发明内容
本发明为改良上述缺点，以提供一种T1-Cu-Sn钛合金组成物，通过于该钛合金中加入锡与铜的成分，形成高性能纳米结构，强化钛合金的机械性质。本发明次一目的是提供一低熔点的T1-Cu-Sn钛合金组成物，以降低加工过程中的氧化速率。本发明再一目的是提供一无毒性的T1-Cu-Sn钛合金组成物，且具有良好生物兼容性，以供应用于生医材料领域。本发明另一目的是提供一高强度、高硬度的T1-Cu-Sn钛合金组成物，以降低加工困难度。本发明一种T1-Cu-Sn钛合金组成物，包含以重量百分比计0.1% 15%的铜、
0.1% 20%的锡以及79.9% 99.8%的钛。优选的，该T1-Cu-Sn钛合金组成物为Ti_7Cu_XSn合金，X重量百分比为0.1% 15%。优选的，该T1-Cu-Sn钛合金组成物为Ti_7Cu_5Sn合金。优选的，该T1-Cu-Sn钛合金组成物另包含钯、钥、钼、铬、钽或其混合合金，其重量百分比为0.1% 3%o借此,本发明的T1-Cu-Sn钛合金组成物可形成高性能纳米结构,机械性质优于一般商业纯钛，具有高强度、低弹性模数及耐磨耗等特性，提升钛合金加工性并减少切削刀具磨耗；再者，本发明的T1-Cu-Sn钛合金组成物另具有无毒性及生物兼容性佳等特性，可应用于生医材料制作；再者，该铜及锡的添加可降低钛合金熔点，并降低氧化速率。
图1a为本发明T1-Cu-Sn钛合金组成物的微组织结构的光学显微图。图1b为本发明T1-Cu-Sn钛合金组成物的微组织结构的扫描式电子显微图。图2a为本发明另一 T1-Cu-Sn钛合金组成物的微组织结构的光学显微图。图2b为本发明另一 T1-Cu-Sn钛合金组成物的微组织结构的扫描式电子显微图。·
具体实施例方式为让本发明的上述及其它目的、特征及优点能更明显易懂，下文特举本发明的较佳实施例作详细说明如下:本发明的T1-Cu-Sn钛合金组成物主要是于钛(Ti)金属中添加铜及锡的成分，以通过该铜(Cu)及锡(Sn)金属的添加来降低整体钛金属的熔点并提高材料硬度及机械性质。本发明的T1-Cu-Sn钛合金组成物是通过下列方式制成的:本发明的T1-Cu-Sn钛合金组成物先于真空环境下，以高温使钛、铜及锡金属熔化后，成均匀钛-铜-锡合金的熔汤，并浇铸进预定铸模内，在凝固过程中析出钛相及介金属相。更详言之，该熔融后的钛-铜-锡合金组成于凝固过程中，经过凝固点时，将会先于凝固成核、成长形成固溶Sn及Cu的体心结构P-Ti (Sn, Cu)相,称为0-Ti (Sn, Cu),以及纳米级Ti3Sn的介金属相。接着，随着温度下降至转变温度835 882°C (该转变温度依组成金属配比的不同而定)时，该固溶锡和铜的P-Ti (Sn，Cu)将会转变为固溶锡的六方紧密堆积结构的a-TUSn)并析出成(Ti，Sn) 2Cu的介金属相。其中，锡固溶于六方紧密堆积结构的a -Ti (Sn)相，能有效地造成晶格扭曲效果，而增加差排密度，成为固溶强化作用。其二，纳米级Ti3Sn介金属相能成为析出(Ti, Sn) 2Cu介金属相的成核点,进而促进析出近似纳米级(Ti, Sn) 2Cu介金属相。如添加5wt%锡的Ti_7Cu_5Sn的微组织结构，其能使Ti2Cu达到纳米级，如图2b所表示。如此，前述所产生的Ti3Sn介金属相于此阶段将能够促使Ti2Cu介金属相成长为纳米级的晶相，能提升该Ti2Cu晶相的致密度，使得本发明的T1-Cu-Sn钛合金组成物于凝固后为具有纳米级组织结构、高机械性质型态高强度的钛-铜-锡三元钛合金合金。因此本发明可增加钛-铜-锡合金的固溶强化相作用及提高纳米级的介金属的析出量，进而提升本发明T1-Cu-Sn钛合金组成物的整体强度。因此，本发明的T1-Cu-Sn钛合金组成物包含有以重量百分比计的0.1% 15%的铜、0.1% 20%的锡以及作为平衡相79.9% 99.8%的钛。其中，该铜及锡的添加是用以于钛合金凝固过程中共同析出固溶强化的锡元素于a-TUSn)纯钛相及纳米级介金属相；再者，该锡的添加如前述可增加钛的固溶强化并促使Ti2Cu介金属相析出成为纳米级的晶相，因此可增加钛合金的整体强度；再者，该铜及锡的添加也可用以降低纯钛的高熔点及高弹性模数，有利于后续加工制程的进行。而本发明的T1-Cu-Sn钛合金组成物由于并未含有如铝或钒等可能对细胞产生毒性的物质，具有极佳的生物兼容性，因此可进一步应用于人体植入物等生医材料的制备，而不会有对生物体产生不良影响的疑虑。其中，本发明的T1-Cu-Sn钛合金组成物中，该铜金属的含量若高于15wt%,则可能会形成过多Ti2Cu介金属相成为脆化而难于加工成形；若低于0.1wt %，则该纳米级Ti2Cu的介金属相的比例不高，对提升钛合金整体强度及硬度的效果相对较为有限。而该锡金属的含量若高于20wt %，则可能会形成过多T1-Sn介金属相成为脆化而难于加工成形；若低于0.lwt%，则固溶锡的a-Ti (Sn)相的含量较低，可能无法有效促使Ti2Cu介金属相成长为纳米级的晶相，因此对提升钛合金整体强度及硬度的效果也不佳。此外，本发明的T1-Cu-Sn钛合金组成物中也可依需求选择性的添加1% 3%的钯(Pd)、l% 3%的钥(Mo)、l% 3%的钼(Pt)、l% 3%的锆(Zr)或1% 3%的钽(Ta)等成分，以通过钯、钼及钽提升合金的耐蚀性及机械性质，通过无毒性的钥及锆提升合金3相的稳定性，并增加延性及机械性质。为证实本发明的T1-Cu-Sn钛合金组成物具有前述优异纳米级结构组织机械性质优异等特点，另将本发明不同配比的T1-Cu-Sn钛合金组成物的性质详列于下，并配合图la、图1b及图2a、图2b所示。其中，图1a及图1b皆为Ti_7Cu钛合金微组织结构图，且图1a为光学显微图(OM);图1b则为扫描式电子显微图(SEM)。图2a及图2b为Ti_7Cu_5Sn钛合金微组织结构图，且图2a为光学显微图(OM);图2b则为扫描式电子显微图(SEM)。由图la、图1b及图2a、图2b所示，图1a及图1b皆为Ti_7Cu钛合金微组织结构图，其图1b中的灰色为a-Ti基底，白色为Ti2Cu介金属相；图2&及图2b则皆为再添加5wt%锡的T1-7Cu-5Sn钛合金SEM为组织结构图，其图2b中的白色为Ti2Cu介金属相，其因锡元素添加于钛合金而细化成纳米级Ti2Cu。再者 ，表一所述的T1-7Cu_lSn指钛合金中含有7wt%的铜、lwt%的锡以及达平衡的钛金属，其余标示依此类推，且下述各实施例的T1-Cu-Sn钛合金组成物皆是以前述方式所制成。表一:本发明不同配比的T1-Cu-Sn钛合金组成物的性质。
权利要求
1.一种Ti-Cu-Sn钛合金组成物，其特征在于，包含 以重量百分比计的0. 1% 15%的铜、0. 1% 20%的锡以及79. 9% 99. 8%的钛。
2.如权利要求I所述的Ti-Cu-Sn钛合金组成物,其特征在于,该Ti-Cu-Sn钛合金组成物为Ti-7Cu-XSn合金，其中，X的重量百分比为0. 1% 15%。
3.如权利要求I所述的Ti-Cu-Sn钛合金组成物,其特征在于,该Ti-Cu-Sn钛合金组成物为Ti-7Cu-5Sn合金。
4.如权利要求I所述的Ti-Cu-Sn钛合金组成物,其特征在于,该Ti-Cu-Sn钛合金组成物另包含重量百分比为0. 1% 3%的钯、钥、钼、铬、钽或其混合合金。
全文摘要
一种Ti-Cu-Sn钛合金组成物，包含以重量百分比计0.1%～15%的铜、0.1%～20%的锡以及79.9%～99.8%的钛。使得本发明的Ti-Cu-Sn钛合金组成物可具有高强度、低弹性模数及耐磨耗等特性，提升钛合金加工性并减少切削刀具磨耗；再者，本发明的Ti-Cu-Sn钛合金组成物另具有无毒性及生物兼容性佳等特性，可应用于生医材料制作；再者，该铜及锡的添加也可降低钛合金熔点，并降低氧化速率。
文档编号C22C14/00GK103255316SQ20131001672
公开日2013年8月21日 申请日期2013年1月16日 优先权日2012年2月7日
发明者曹龙泉 申请人:屏东科技大学