Ti-Cu-Sn钛合金组成物

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。

说明书

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Ti-Cu-Sn钛合金组成物。

背景技术

纯钛或Ti-6Al-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Ti-6Al-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、铝合金、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℃，且其必须于真空 环境且高于1670℃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℃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Ti-6Al-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Ti-6Al-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Ti-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Ti-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Ti-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Ti-Cu-Sn钛合金组成物， 以降低加工困难度。

本发明一种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。

优选的，该Ti-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Ti-Cu-Sn钛合金组成物为Ti-7Cu-5Sn合金。

优选的，该Ti-Cu-Sn钛合金组成物另包含钯、钼、铂、铬、钽或其 混合合金，其重量百分比为0.1%～3%。

借此，本发明的Ti-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，该铜及锡的添加可降低钛合金熔点，并降低氧化速率。

附图说明

图1a为本发明Ti-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Ti-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Ti-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Ti-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Ti-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Ti-Cu-Sn钛合金组成物是通过下列方式制成的：

本发明的Ti-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β-Ti(Sn,Cu)相，称为β-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℃（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β-Ti(Sn,Cu)将会转变为固溶锡的 六方紧密堆积结构的α-Ti(Sn)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α-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Ti-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Ti-Cu-Sn钛合金组成物的整体强度。

因此，本发明的Ti-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α-Ti(Sn)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 Ti-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Ti-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Ti-Sn介金属 相成为脆化而难于加工成形；若低于0.1wt％，则固溶锡的α-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Ti-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）、1%～3％的钼（Mo）、1%～3％的铂（Pt）、1%～ 3％的锆（Zr）或1%～3％的钽（Ta）等成分，以通过钯、铂及钽提升合 金的耐蚀性及机械性质，通过无毒性的钼及锆提升合金β相的稳定性， 并增加延性及机械性质。

为证实本发明的Ti-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Ti-Cu-Sn钛合金组成物 的性质详列于下，并配合图1a、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1a、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α-Ti基底，白色为Ti2Cu介金属 相；图2a及图2b则皆为再添加5wt%锡的Ti-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Ti-7Cu-1Sn指钛合金中含有7wt%的铜、1wt%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Ti-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Ti-Cu-Sn钛合金组成物的性质。

由表一可得知，本发明的Ti-Cu-Sn钛合金组成物由于如前述具有较 为致密的晶相，因此相较于现有纯钛确实具有较高的硬度及机械性质， 相较于纯钛具有较低的降低弹性系数，有利于后续加工制程的进行。其 中，另加入铂、钯及钽能于Ti-Cu-Sn钛合金组成物表面形成一层氧化物 保护膜，进而增加Ti-Cu-Sn钛合金组成物的耐蚀性，并会提高Ti-Cu-Sn 钛合金组成物的硬度及机械性质。

综上所述，本发明的Ti-Cu-Sn钛合金组成物通过前述制程，可借助 铜及锡共同添加所形成的二次变相，使钛合金具有固溶强化、析出强化 等强化机构，可促使由添加铜金属所析出的Ti2Cu介金属成长为近似纳 米级的晶相，因此可进一步强化钛合金的整体硬度及强度，有利于后续 的切削加工，提升该组成物的加工性，进而减缓切削刀具的磨损。

本发明的Ti-Cu-Sn钛合金组成物通过添加该铜与锡的成分可于凝固 过程中与钛形成稳定介金属相，同时可降低整体钛合金的熔点，因此可 减缓氧化速率。

本发明的Ti-Cu-Sn钛合金组成物具有良好生物兼容性且无细胞毒 性，因此可应用于生医材料。例如本发明实施例以该钛、铜及锡的组成 成分制作支台齿或植入生医材料，使得该支台齿具有较佳的生物兼容性 且不会释出对人体有害的毒性，借以达到耐磨损及耐酸蚀等的功效。

只是以上所述的，仅为本发明的较佳实施例而已，当不能以此限定 本发明实施范围；故，凡依本发明申请专利范围及本发明说明书内容所 作的简单的等效变化与修饰，皆应仍属本发明专利涵盖之范围内。