具有高强度和超低弹性模量的钛合金制造技术

本发明专利技术涉及可进行非线性弹性变形且同时具有超高强度、超低弹性模量及稳定超弹性特性的钛合金。本发明专利技术的钛合金的特征在于，包含Nb、Zr及O来作为合金元素，其余包含Ti和不可避免的杂质，价电子数与原子数之比(e/a)为4.17～4.22，Mo当量(Moeq)为7.50～9.72，Al当量(Aleq)为1.42～14.53。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】具有高强度和超低弹性模量的钛合金
本专利技术涉及可进行非线性弹性变形并具有超高强度、超低弹性模量及稳定超弹性的钛合金。本专利技术涉及如下的钛合金，即，上述钛合金具有1000MPa以上的强度，60GPa以下的弹性模量，并进行相对于氧浓度(质量百分比)增加的超弹性伸长率(％)减少的相关系数为-0.5(％/质量百分比)以上的非线性弹性变形，同时具有超高强度、超低弹性模量及稳定超弹性特性。本专利技术涉及如下的钛合金，即，上述钛合金完全不包含对人体具有毒性的铝(Al)、钒(V)、镍(Ni)等的元素和在生物体内耐腐蚀性低的锡(Sn)，仅由对人体无害的钛(Ti)、铌(Nb)、锆(Zr)、氧(O)形成，并进行非线性弹性变形且同时具有超高强度、超低弹性模量、超弹性特性。本专利技术涉及如下的钛合金，即，上述钛合金不包含或少量包含既重且具有高熔点的钽(Ta，熔点：3017℃)，从而可防止溶解及凝固时因钽(Ta)导致的组成不均匀，进行既轻且可大量生产的非线性弹性变形，并同时具有超高强度、超低弹性模量、超弹性特性。
技术介绍
众所周知，钛合金为代表性的轻量金属，基于其他原材料无法具有的特殊性，在各产业领域创造大附加价值。如上所述，因具有高的比强度及优秀的耐蚀性，钛合金可以广泛应用于航空航天用材料、化学工业用材料、生物体用材料、电子用品材料、运动用品材料等多种领域。在上述材料中，生物体用材料使用纯钛、Ti-6Al-4V、Ti-6Al-7Nb、Ti-Ni合金等，但是，相比于人体的骨骼，这种金属的弹性模量过高，在弹性模量相对较低的骨组织产生引起较少应力的应力遮挡(stressshielding)现象，由此具有如下问题，即，人体系统将引起较少应力的骨组织识别为不必要的部分，从而使破骨细胞活化来溶解骨骼。并且，铝、钒、镍等的元素在生物体组织内具有毒性，因此需要开发由对人体无害的钛、铌、锆、钽等的元素形成的、具有生物相容性的低弹性模量钛合金。为响应这种需要，开发了由生物相容性钛、铌、锆、钽等的元素形成，且具有低弹性模量的如Ti-13Nb-13Zr、Ti-35Nb-5Ta-7Zr等的合金。但是，就通常金属的特性而言，若弹性模量降低，则强度也降低，在由这种原材料制作的部件的情况下，抗疲劳性显著降低，部件的小型化受到限制，因此对于施行有利于患者的微创方法受到限制。并且，在整形外科用或牙齿矫正用材料的情况下，要求同时具有低弹性模量及高强度特性以及高的超弹性伸长率。而且，同时体现超高强度、超低弹性模量、超弹性特性的原材料还可以用于作为未来产业的柔性显示器(flexibledisplay)和可穿戴设备(wearabledevice)的结构体及其他用途。另一方面，用于柔性显示器及可穿戴设备的金属不包含具有诱发皮肤和过敏的争议的镍，同时需使柔韧性最大化。柔韧性大致分为原材料本身的柔韧性及结构柔韧性，为了提高原材料本身的柔韧性，需要可以进行非线性弹性变形并具有稳定的超弹性及超低弹性模量特性，才能借助小的力量也可使原材料容易地弯曲。并且，结构柔韧性随着原材料的厚度变薄而提高，在强度低的情况下，若厚度变薄，则原材料本身的抗疲劳性将显著减少，因此，要求具有高强度化。因此，可以知道用于柔性显示器及可穿戴设备的金属所具有的特性与生物体用金属相同，考虑到上述产业为高科技高附加价值产业，需要开发既具有生物相容性，且具有超高强度、超低弹性模量、稳定的超弹性特性的钛合金。与此相关地，美国授权专利第7261782号(专利文献1)公开了进行非线性弹性变形并具有超弹性特性的钛合金。但是，专利文献1中公开的钛合金具有随着强度的提高弹性模量急剧增加的缺点。并且，包含对人体具有毒性的钒，因此，难以应用于生物体用钛。此外，包含熔点为3017℃的很高的钽，因此具有如下问题，即，需要重复进行溶解，不仅制作费用高，而且由于重的钽，频繁地产生合金组成不均匀的现象。并且，微量的氧含量的变化，也会使超弹性伸长率急剧变化，因此，当大量生产时，难以控制均匀的特性。并且，美国授权专利第7722805号(专利文献2)也公开了呈现超低弹性和高强度特性的钛合金。但是，专利文献2公开的钛合金在为了使强度上升而添加氧的情况下，具有使超弹性伸长率急剧降低的缺点，相比于钛、铌、锆等，作为主要合金元素添加的锡在生物体内具有显著低的耐蚀性，因此，具有容易产生腐蚀的缺点。并且，为了提高强度，需要进行追加的热处理工序，由于复杂的工序，使制作费用提高，因此不可取。并且，微量的氧含量的变化，也会使超弹性伸长率急剧变化，因此当大量生产时，难以控制均匀的特性。并且，专利文献1公开了不包含钽和锡的Ti-Nb-Zr-O类合金。但是，在这种合金的情况下，若氧含量过低，则无法进行高强度化，若氧含量过高，则由于弹性模量急剧上升，具有如下问题，即，不仅难以成形，而且，由于弹性变形率的偏差增大，难以大量生产。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题本专利技术的目的在于，提供如下的钛合金，即，上述钛合金不包含对人体具有毒性或在生物体内耐蚀性低或具有高熔点且重的合金元素，且可以具有高强度、超低弹性模量及既优秀又对氧含量变化稳定的超弹性伸长率。技术方案为了实现上述目的，本专利技术提供如下的钛合金，即，在上述钛合金包含Nb、Zr及O来作为合金元素，其余包含Ti和不可避免的杂质，价电子数与原子数之比(e/a)为4.17～4.22，Mo当量(Moeq)为7.50～9.72，Al当量(Aleq)为1.42～14.53。并且，上述价电子数与原子数之比(e/a)可以为4.19～4.21，Mo当量(Moeq)可以为8.19～9.03，Al当量(Aleq)可以为。并且，上述钛合金可包含30～34质量百分比的Nb、5.7～9.7质量百分比的Zr以及0.03～1.0质量百分比的O。并且，上述钛合金进行冷加工后，相对于氧浓度增加的超弹性伸长率(％)减少的相关系数(％/质量百分比)可以为-0.5以上。并且，上述钛合金进行冷加工后可具有2.5％以上的超弹性伸长率。并且，上述钛合金进行冷加工后可具有60GPa以下的弹性模量和1000MPa以上的抗拉强度。并且，上述钛合金进行冷加工后，抗拉强度(MPa)除以平均弹性模量(GPa)的值为0.020。有益效果如图1所示，本专利技术的钛合金可同时保持高强度和超低弹性模量，因此，可使弹性伸长率显著提高，可应用于要求具有优秀的超弹性特性的柔性显示器、可穿戴设备、航空航天领域、发电领域、生活用品领域等多种领域。并且，本专利技术的钛合金的根据氧含量变化的超弹性伸长率的偏差很低，当实际进行大量投产时，即使不可避免地产生各部位氧含量偏差，也可以实现均匀的原材料物性，因此具有优秀的大规模生产性。并且，本专利技术的钛合金不包含对人体具有毒性的如铝、钒、镍的元素，不包含在生物体内耐蚀性低的锡，因此可适当用作生物体用材料。并且，本专利技术的钛合金有利于实现低弾性，不添加既重又具有高熔点的钽也可以实现高强度及超低弹性，因此，相比于包含钽的现有钛合金，制备容易，并可生产几乎不存在组成不均匀的钛合金。并且，本专利技术的钛合金具有优秀的成形性，可以进行90％以上的冷成形。附图说明图1为用于说明与现有钛合金进行比较的本专利技术的钛合金的超弹性特性的图。图2为在Ti-Nb-Zr-(O)合金中对于价电子数与原子数本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种钛合金，其特征在于，包含Nb、Zr及O来作为合金元素，其余包含Ti和不可避免的杂质，价电子数与原子数之比(e/a)为4.17～4.22，用Moeq表示的Mo当量为7.50～9.72，用Aleq表示的Al当量为1.42～14.53。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.09.30 KR 10-2014-01309031.一种钛合金，其特征在于，包含Nb、Zr及O来作为合金元素，其余包含Ti和不可避免的杂质，价电子数与原子数之比(e/a)为4.17～4.22，用Moeq表示的Mo当量为7.50～9.72，用Aleq表示的Al当量为1.42～14.53。2.根据权利要求1所述的钛合金，其特征在于，价电子数与原子数之比e/a为4.19～4.21，用Moeq表示的Mo当量为8.19～9.03，用Aleq表示的Al当量为1.60～10.78。3.根据权利要求1所述的钛合金，其特征在于，上述钛合金包含30～34质量百分比的Nb、5.7～9.7质量百...

【专利技术属性】
技术研发人员：朴赞熙，廉宗泽，李学星，洪在根，
申请(专利权)人：韩国机械硏究院，
类型：发明
国别省市：韩国,KR