(57)【要約】チタン含有合金を一般的に記載する。チタン含有合金は、ある特定の実施形態によれば、ナノ結晶である。ある特定の実施形態によれば、チタン含有合金は、高い相対密度を有する。チタン含有合金は、ある特定の実施形態によれば、相対的に安定でありうる。本発明のチタン含有合金を製造するための方法も、本明細書に記載する。本発明のチタン含有合金を製造するための方法は、ある特定の実施形態によれば、チタンおよび少なくとも１種の他の金属を含むナノ結晶微粒子を焼結することであって、チタン含有ナノ結晶合金を形成することを含みうる。
2019532179.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｔｉおよび
第２の金属
を含む焼結ナノ結晶金属合金であって、
Ｔｉが、前記焼結ナノ結晶金属合金において原子百分率で最も豊富な金属であり、
前記焼結ナノ結晶金属合金が、少なくとも８０％の相対密度を有する、焼結ナノ結晶金属合金。
【請求項２】
Ｔｉおよび
第２の金属
を含む焼結ナノ結晶金属合金であって、
前記第２の金属およびＴｉが、溶解度ギャップを示し、
前記焼結ナノ結晶金属合金が、少なくとも８０％の相対密度を有する、焼結ナノ結晶金属合金。
【請求項３】
Ｔｉおよび
第２の金属
を含むバルクナノ結晶金属合金であって、
Ｔｉが、前記バルクナノ結晶金属合金において原子百分率で最も豊富な金属であり、
前記バルクナノ結晶金属合金が、１００℃より高いまたはそれと等しい温度で実質的に安定である、バルクナノ結晶金属合金。
【請求項４】
Ｔｉおよび
第２の金属
を含むバルクナノ結晶金属合金であって、
Ｔｉが、前記バルクナノ結晶金属合金において原子百分率で最も豊富な金属であり、
前記バルクナノ結晶金属合金が、３００ｎｍ未満の平均粒径を有する、バルクナノ結晶金属合金。
【請求項５】
Ｔｉおよび
Ｍｇ
を含む金属合金であって、
８０％より高いまたはそれと等しい相対密度を有する、金属合金。
【請求項６】
前記第２の金属が、アルカリ土類金属を含む、先行する請求項のいずれか一項に記載の金属合金。
【請求項７】
前記第２の金属が、Ｍｇ、Ｌａ、Ｙ、Ｔｈ、Ｓｃ、Ｃｒ、Ａｇ、Ｆｅ、Ｍｎ、Ｃｕ、およびＬｉからなる群から選択される、先行する請求項のいずれか一項に記載の金属合金。
【請求項８】
前記第２の金属がＭｇである、先行する請求項のいずれか一項に記載の金属合金。
【請求項９】
前記第２の金属が、前記ナノ結晶金属合金の４０原子パーセント未満の量で、前記ナノ結晶金属合金中に存在する、先行する請求項のいずれか一項に記載の金属合金。
【請求項１０】
前記第２の金属が、前記ナノ結晶金属合金の１原子パーセント〜４０原子パーセントの量で、前記ナノ結晶金属合金中に存在する、先行する請求項のいずれか一項に記載の金属合金。
【請求項１１】
前記第２の金属が、前記ナノ結晶金属合金の８原子パーセント〜３２原子パーセントの量で、前記ナノ結晶金属合金中に存在する、先行する請求項のいずれか一項に記載の金属合金。
【請求項１２】
Ｔｉが、少なくとも５０原子パーセントの量で、前記ナノ結晶合金中に存在する、先行する請求項のいずれか一項に記載の金属合金。
【請求項１３】
前記ナノ結晶金属合金が、二相金属合金である、先行する請求項のいずれか一項に記載の金属合金。
【請求項１４】
前記ナノ結晶金属合金が、第３の金属をさらに含む、先行する請求項のいずれか一項に記載の金属合金。
【請求項１５】
前記第２の金属およびＴｉが、溶解度ギャップを示す、先行する請求項のいずれか一項に記載の金属合金。
【請求項１６】
前記ナノ結晶金属合金が、３００ｎｍ未満の平均粒径を有する、先行する請求項のいずれか一項に記載の金属合金。
【請求項１７】
前記ナノ結晶金属合金が、１５０ｎｍ未満の平均粒径を有する、先行する請求項のいずれか一項に記載の金属合金。
【請求項１８】
前記ナノ結晶金属合金が、１２５ｎｍ未満の平均粒径を有する、先行する請求項のいずれか一項に記載の金属合金。
【請求項１９】
前記ナノ結晶金属合金が、１００ｎｍ未満の平均粒径を有する、先行する請求項のいずれか一項に記載の金属合金。
【請求項２０】
前記ナノ結晶金属合金が、少なくとも８０％の相対密度を有する、先行する請求項のいずれか一項に記載の金属合金。
【請求項２１】
前記ナノ結晶金属合金が、少なくとも８５％の相対密度を有する、先行する請求項のいずれか一項に記載の金属合金。
【請求項２２】
前記ナノ結晶金属合金が、少なくとも９０％の相対密度を有する、先行する請求項のいずれか一項に記載の金属合金。
【請求項２３】
前記ナノ結晶金属合金が、少なくとも９５％の相対密度を有する、先行する請求項のいずれか一項に記載の金属合金。
【請求項２４】
前記ナノ結晶金属合金が、少なくとも９７％の相対密度を有する、先行する請求項のいずれか一項に記載の金属合金。
【請求項２５】
前記ナノ結晶金属合金が、少なくとも９９％の相対密度を有する、先行する請求項のいずれか一項に記載の金属合金。
【請求項２６】
前記ナノ結晶金属合金が、バルクナノ結晶金属合金である、先行する請求項のいずれか一項に記載の金属合金。
【請求項２７】
前記ナノ結晶金属合金が、１００℃より高いまたはそれと等しい温度で実質的に安定である、先行する請求項のいずれか一項に記載の金属合金。
【請求項２８】
前記ナノ結晶金属合金が、３００℃より高いまたはそれと等しい温度で実質的に安定である、先行する請求項のいずれか一項に記載の金属合金。
【請求項２９】
前記ナノ結晶金属合金が、５００℃より高いまたはそれと等しい温度で実質的に安定である、先行する請求項のいずれか一項に記載の金属合金。
【請求項３０】
前記ナノ結晶金属合金が、７００℃より高いまたはそれと等しい温度で実質的に安定である、先行する請求項のいずれか一項に記載の金属合金。
【請求項３１】
前記ナノ結晶金属合金が、８００℃より高いまたはそれと等しい温度で実質的に安定である、先行する請求項のいずれか一項に記載の金属合金。
【請求項３２】
Ｔｉが、前記第２の金属に少なくとも部分的に溶解性である、先行する請求項のいずれか一項に記載の金属合金。
【請求項３３】
Ｔｉおよび前記第２の金属が、固溶体である、先行する請求項のいずれか一項に記載の金属合金。
【請求項３４】
前記ナノ結晶金属合金が第１の粒径を有し、前記第２の金属の非存在下でＴｉを含む焼結材料が第２の粒径を有し、前記第１の粒径が、前記第２の粒径より小さい、先行する請求項のいずれか一項に記載の金属合金。
【請求項３５】
ナノ結晶金属合金を形成する方法であって、
複数のナノ結晶微粒子を焼結することであって、前記ナノ結晶金属合金を形成することを含み、
前記ナノ結晶微粒子の少なくとも一部が、Ｔｉおよび第２の金属を含み、Ｔｉが、前記ナノ結晶微粒子の少なくとも一部において原子百分率で最も豊富な金属である、方法。
【請求項３６】
ナノ結晶金属合金を形成する方法であって、
複数のナノ結晶微粒子を焼結することであって、前記ナノ結晶金属合金を形成することを含み、
前記ナノ結晶微粒子の少なくとも一部が、Ｔｉおよび第２の金属を含み、
前記複数のナノ結晶微粒子を焼結することが、前記ナノ結晶微粒子を、１０分より長いまたはそれと等しく、かつ２４時間未満またはそれと等しい焼結継続時間の間、３００℃より高いまたはそれと等しく、かつ８５０℃未満またはそれと等しい第１の焼結温度に加熱することを含む、方法。
【請求項３７】
ナノ結晶金属合金を形成する方法であって、
複数のナノ結晶微粒子を焼結することであって、前記ナノ結晶金属合金を形成することを含み、
前記ナノ結晶微粒子の少なくとも一部が、Ｔｉおよび第２の金属を含み、
前記複数のナノ結晶微粒子を焼結することが、前記ナノ結晶微粒子が、２４時間より長い間、１２００℃より高いまたはそれと等しい温度にならないように、前記ナノ結晶微粒子を加熱することを含む、方法。
【請求項３８】
ナノ結晶金属合金を形成する方法であって、
複数のナノ結晶微粒子を焼結することであって、前記ナノ結晶金属合金を形成することを含み、
前記ナノ結晶微粒子の少なくとも一部が、Ｔｉおよび第２の金属を含み、
Ｔｉが、前記ナノ結晶微粒子の少なくとも一部において原子百分率で最も豊富な金属であり、
前記焼結することが、前記ナノ結晶微粒子を、前記第２の金属の非存在下でＴｉを焼結するのに必要な第２の焼結温度より低い第１の焼結温度に加熱することを含む、方法。
【請求項３９】
ナノ結晶金属合金を形成する方法であって、
複数のナノ結晶微粒子を焼結することであって、前記ナノ結晶金属合金を形成することを含み、
前記ナノ結晶微粒子の少なくとも一部が、Ｔｉおよび第２の金属を含み、
前記第２の金属およびＴｉが、溶解度ギャップを示す、方法。
【請求項４０】
ナノ結晶金属合金を形成する方法であって、
複数のナノ結晶微粒子を焼結することであって、前記ナノ結晶金属合金を形成することを含み、
前記ナノ結晶微粒子の少なくとも一部が、Ｔｉおよび第２の金属を含み、
Ｔｉが、前記ナノ結晶微粒子の少なくとも一部において原子百分率で最も豊富な金属であり、
前記ナノ結晶金属合金が、少なくとも８０％の相対密度を有する、方法。
【請求項４１】
金属合金を形成する方法であって、
ＴｉおよびＭｇを含む粉末を焼結することであって、前記金属合金を生成することを含み、前記金属合金が、８０％より高いまたはそれと等しい相対密度を有する、方法。
【請求項４２】
前記Ｔｉおよび前記第２の金属が、非平衡相中に存在する、請求項３５〜４１のいずれか一項に記載の方法。
【請求項４３】
前記非平衡相が、前記焼結中に分解を経る、請求項３５〜４２のいずれか一項に記載の方法。
【請求項４４】
前記非平衡相が、前記焼結中に分解を経て、前記非平衡相の前記分解が、前記ナノ結晶微粒子の焼結速度を加速する、請求項３５〜４３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項４５】
前記非平衡相が、Ｔｉ中に溶解した前記第２の金属を含む過飽和相を含む、請求項３５〜４４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項４６】
前記第２の金属がアルカリ土類金属を含む、請求項３５〜４５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項４７】
前記第２の金属が、Ｍｇ、Ｌａ、Ｙ、Ｔｈ、Ｓｃ、Ｃｒ、Ａｇ、Ｆｅ、Ｍｎ、Ｃｕ、およびＬｉからなる群から選択される、請求項３５〜４６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項４８】
前記第２の金属がＭｇである、請求項３５〜４７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項４９】
前記焼結前の時間の少なくとも一部分の間、前記複数のナノ結晶微粒子を冷圧することをさらに含む、請求項３５〜４８のいずれか一項に記載の方法。
【請求項５０】
前記冷圧することが、前記複数のナノ結晶微粒子の３００ＭＰａより大きいまたはそれと等しい力での冷間圧縮を含む、請求項３５〜４９のいずれか一項に記載の方法。
【請求項５１】
前記冷圧することが、前記複数のナノ結晶微粒子の３００ＭＰａより大きいまたはそれと等しく、かつ２５００ＭＰａより小さいまたはそれと等しい力での冷間圧縮を含む、請求項３５〜５０のいずれか一項に記載の方法。
【請求項５２】
前記焼結することが、前記ナノ結晶微粒子を、前記第２の金属の非存在下でＴｉを焼結するのに必要な第２の焼結温度より低い第１の焼結温度に加熱することを含む、請求項３５〜５１のいずれか一項に記載の方法。
【請求項５３】
前記焼結することが、前記ナノ結晶微粒子を、１０分より長いまたはそれと等しく、かつ２４時間未満またはそれと等しい継続時間の間、３００℃より高いまたはそれと等しく、かつ８５０℃未満またはそれと等しい温度に加熱することを含む、請求項３５〜５２のいずれか一項に記載の方法。
【請求項５４】
前記焼結することが、前記ナノ結晶微粒子を、２０分より長いまたはそれと等しく、かつ３時間未満またはそれと等しい継続時間の間、３００℃より高いまたはそれと等しく、かつ８５０℃未満またはそれと等しい温度に加熱することを含む、請求項３５〜５３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項５５】
前記焼結することが、前記ナノ結晶微粒子を、２０分より長いまたはそれと等しく、かつ３時間未満またはそれと等しい継続時間の間、３００℃より高いまたはそれと等しく、かつ４５０℃未満またはそれと等しい温度に加熱することを含む、請求項３５〜５４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項５６】
前記第１の焼結温度が、７００℃未満またはそれと等しい、請求項３５〜５５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項５７】
前記非平衡相が固溶体を含む、請求項３５〜５６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項５８】
Ｔｉおよび前記第２の金属を含む粉末を機械加工することによって、前記ナノ結晶微粒子の少なくとも一部を形成することをさらに含む、請求項３５〜５７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項５９】
Ｔｉおよび前記第２の金属を含む粉末をボールミリングすることによって、前記ナノ結晶微粒子の少なくとも一部を形成することをさらに含む、請求項３５〜５８のいずれか一項に記載の方法。
【請求項６０】
前記ナノ結晶微粒子の少なくとも一部が、５０ｎｍ未満またはそれと等しい粒径を有する、請求項３５〜５９のいずれか一項に記載の方法。
【請求項６１】
前記ナノ結晶微粒子の少なくとも一部が、５ｎｍより大きいまたはそれと等しく、かつ２５ｎｍ未満またはそれと等しい粒径を有する、請求項３５〜６０のいずれか一項に記載の方法。
【請求項６２】
前記ナノ結晶微粒子の少なくとも一部が、１０ｎｍより大きいまたはそれと等しく、かつ２０ｎｍ未満またはそれと等しい粒径を有する、請求項３５〜６１のいずれか一項に記載の方法。
【請求項６３】
前記第２の金属が、前記ナノ結晶微粒子の４０原子パーセント未満またはそれと等しい量で、前記ナノ結晶微粒子中に存在する、請求項３５〜６２のいずれか一項に記載の方法。
【請求項６４】
前記第２の金属が、前記ナノ結晶微粒子の８原子パーセントより多いまたはそれと等しく、かつ３２原子パーセント未満またはそれと等しい量で、前記ナノ結晶微粒子中に存在する、請求項３５〜６３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項６５】
前記ナノ結晶金属合金が、第３の金属材料をさらに含む、請求項３５〜６４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項６６】
前記ナノ結晶金属合金が、少なくとも８０％、少なくとも８５％、少なくとも９０％、少なくとも９５％、少なくとも９７％、または少なくとも９９％の相対密度を有する、請求項３５〜６５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項６７】
前記焼結することが、前記焼結中に前記ナノ結晶微粒子の表面および粒界の少なくとも１つで第２の相を形成することをさらに含み、Ｔｉが前記第２の相に不溶性である、請求項３５〜６６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項６８】
前記焼結することが、前記焼結中に前記ナノ結晶微粒子の表面および粒界の少なくとも１つで第２の相を形成することをさらに含み、前記第２の相が前記第２の金属に富んでいる、請求項３５〜６７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項６９】
前記ナノ結晶金属合金が第１の粒径を有し、前記第２の金属の非存在下でＴｉを含む焼結材料が第２の粒径を有し、前記第１の粒径が、前記第２の粒径より小さい、請求項３５〜６８のいずれか一項に記載の方法。
【請求項７０】
前記ナノ結晶金属合金が、１００℃より高いもしくはそれと等しい温度で、２００℃より高いもしくはそれと等しい温度で、３００℃より高いもしくはそれと等しい温度で、５００℃より高いもしくはそれと等しい温度で、６００℃より高いもしくはそれと等しい温度で、および／または７００℃より高いもしくはそれと等しい温度で実質的に安定である、請求項３５〜６９のいずれか一項に記載の方法。
【請求項７１】
前記焼結することが、本質的に外部負荷応力なしで実施される、請求項３５〜７０のいずれか一項に記載の方法。
【請求項７２】
請求項３５〜７１のいずれか一項に記載の方法によって生成されるナノ結晶金属合金。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願
本出願は、２０１６年９月７日に出願され、そして“Ｓｔａｂｌｅ  Ｎａｎｏ−Ｄｕｐｌｅｘ  Ｔｉｔａｎｉｕｍ−Ｍａｇｎｅｓｉｕｍ  Ａｌｌｏｙｓ”と題する米国仮出願番号第６２／３８４，２３２号への米国特許法第１１９条（ｅ）項の下、優先権を主張しており、この仮出願は、その全体がすべての目的のために本明細書中に援用される。
【０００２】
技術分野
チタン含有合金および関連する製造方法について、一般的に記載する。
【背景技術】
【０００３】
背景
ナノ結晶材料は、粒成長の影響を受けやすいことがある。ある特定の場合において、チタンベースの合金の先行技術の焼結技術は、小さい粒径および高い相対密度の両方を有するナノ結晶材料（バルクナノ結晶材料を含む）の生成を困難にした。改善されたシステムおよび方法、ならびに関連の金属合金が望ましい。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００４】
要旨
チタン含有合金について一般的に記載する。チタン含有合金は、ある特定の実施形態によれば、ナノ結晶である。ある特定の実施形態によれば、チタン含有合金は、高い相対密度を有する。チタン含有合金は、ある特定の実施形態によれば、相対的に安定でありうる。本発明のチタン含有合金を製造するための方法も、本明細書に記載する。本発明のチタン含有合金を製造するための方法は、ある特定の実施形態によれば、チタンおよび少なくとも１種の他の金属を含むナノ結晶微粒子を焼結することであって、チタン含有ナノ結晶合金を形成することを含みうる。本発明の主題は、一部の場合では、相互に関係のある生成物、特定の課題に対する代替的な解決、ならびに／または１つもしくは複数のシステムおよび／もしくは物品の複数の異なる使用を含む。
【０００５】
一態様によれば、本発明の金属合金を提供する。
【０００６】
ある特定の実施形態は、Ｔｉおよび第２の金属を含む焼結ナノ結晶金属合金であって、Ｔｉが、焼結ナノ結晶金属合金において原子百分率で最も豊富な金属であり、焼結ナノ結晶金属合金が、少なくとも８０％の相対密度を有する、焼結ナノ結晶金属合金に関する。
【０００７】
一部の実施形態によれば、焼結ナノ結晶金属合金は、Ｔｉおよび第２の金属を含み、第２の金属およびＴｉは、溶解度ギャップを示し、焼結ナノ結晶金属合金は、少なくとも８０％の相対密度を有する。
【０００８】
一部の実施形態は、Ｔｉおよび第２の金属を含むバルクナノ結晶金属合金であって、Ｔｉが、バルクナノ結晶金属合金において原子百分率で最も豊富な金属であり、バルクナノ結晶金属合金が、１００℃より高いまたはそれと等しい温度で実質的に安定である、バルクナノ結晶金属合金に関する。
【０００９】
ある特定の実施形態は、Ｔｉおよび第２の金属を含むバルクナノ結晶金属合金であって、Ｔｉが、バルクナノ結晶金属合金において原子百分率で最も豊富な金属であり、バルクナノ結晶金属合金が、３００ｎｍ未満の平均粒径を有する、バルクナノ結晶金属合金に関する。
【００１０】
一部の実施形態によれば、金属合金は、ＴｉおよびＭｇを含み、金属合金は、８０％より高いまたはそれと等しい相対密度を有する。一部のこのような実施形態では、金属合金は、Ｔｉ富化粒およびＭｇ富化析出物を含むか、またはこれらからなるナノデュープレックス構造を含む。
【００１１】
別の態様では、金属合金を形成する方法を提供する。
【００１２】
一部の実施形態によれば、ナノ結晶金属合金を形成する方法は、複数のナノ結晶微粒子を焼結することであって、ナノ結晶金属合金を形成することを含み、ナノ結晶微粒子の少なくとも一部は、Ｔｉおよび第２の金属を含み、Ｔｉは、ナノ結晶微粒子の少なくとも一部において原子百分率で最も豊富な金属である。
【００１３】
ある特定の実施形態によれば、ナノ結晶金属合金を形成する方法は、複数のナノ結晶微粒子を焼結することであって、ナノ結晶金属合金を形成することを含み、ナノ結晶微粒子の少なくとも一部は、Ｔｉおよび第２の金属を含み、複数のナノ結晶微粒子を焼結することは、ナノ結晶微粒子を、１０分より長いまたはそれと等しく、かつ２４時間未満またはそれと等しい焼結継続時間の間、３００℃より高いまたはそれと等しく、かつ８５０℃未満またはそれと等しい第１の焼結温度に加熱することを含む。
【００１４】
一部の実施形態では、ナノ結晶金属合金を形成する方法は、複数のナノ結晶微粒子を焼結することであって、ナノ結晶金属合金を形成することを含み、ナノ結晶微粒子の少なくとも一部は、Ｔｉおよび第２の金属を含み、複数のナノ結晶微粒子を焼結することは、ナノ結晶微粒子が、２４時間より長い間、１２００℃より高いまたはそれと等しい温度にならないように、ナノ結晶微粒子を加熱することを含む。
【００１５】
ある特定の実施形態によれば、ナノ結晶金属合金を形成する方法は、複数のナノ結晶微粒子を焼結することであって、ナノ結晶金属合金を形成することを含み、ナノ結晶微粒子の少なくとも一部は、Ｔｉおよび第２の金属を含み、Ｔｉは、ナノ結晶微粒子の少なくとも一部において原子百分率で最も豊富な金属であり、焼結することは、ナノ結晶微粒子を、第２の金属の非存在下でＴｉを焼結するのに必要な第２の焼結温度より低い第１の焼結温度に加熱することを含む。
【００１６】
一部の実施形態では、ナノ結晶金属合金を形成する方法は、複数のナノ結晶微粒子を焼結することであって、ナノ結晶金属合金を形成することを含み、ナノ結晶微粒子の少なくとも一部は、Ｔｉおよび第２の金属を含み、第２の金属およびＴｉは、溶解度ギャップを示す。
【００１７】
ある特定の実施形態では、ナノ結晶金属合金を形成する方法は、複数のナノ結晶微粒子を焼結することであって、ナノ結晶金属合金を形成することを含み、ナノ結晶微粒子の少なくとも一部は、Ｔｉおよび第２の金属を含み、Ｔｉは、ナノ結晶微粒子の少なくとも一部において原子百分率で最も豊富な金属であり、ナノ結晶金属合金は、少なくとも８０％の相対密度を有する。
【００１８】
一部の実施形態によれば、金属合金を形成する方法は、ＴｉおよびＭｇを含む粉末を焼結することであって、金属合金を生成することを含み、金属合金は、８０％より高いまたはそれと等しい相対密度を有する。一部のこのような実施形態では、方法は、元素ＴｉおよびＭｇの粉末を粉砕することをさらに含む。例えば、元素ＴｉおよびＭｇの粉末を混合して粉砕してもよい（例えば、過飽和およびナノメートルスケールへの粒径の縮小を達成する）。一部のこのような実施形態では、焼結前に粉末を圧縮してもよい。一部のこのような実施形態によれば、Ｔｉ富化粒およびＭｇ富化析出物からなるナノデュープレックス構造が作られる。
【００１９】
本発明の他の利点および新規の特色は、以下の本発明のさまざまな非限定的な実施形態の詳細な説明から、添付の図面と併せて考慮して、明らかになるであろう。参照により組み込まれる本明細書および文献が、相反および／または矛盾する開示を含む場合では、本明細書が支配する。
【００２０】
本発明の非限定的な実施形態を、概略的であり、縮尺通りに描かれていることを意図しない添付の図面を参照して、例として説明する。図中、例示する同一またはほぼ同一の各構成要素は、典型的には、単一の数字で表される。明確にするために、当業者が本発明を理解するために例示が必要でない場合、全ての図の全ての構成要素を標識化するわけでも、本発明の各実施形態の全ての構成要素を示すわけでもない。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】図１Ａ〜１Ｃは、ある特定の実施形態による焼結プロセスを示す概略図である。
【００２２】
【図２】図２は、一部の実施形態による、さまざまな金属のチタンとの偏析エンタルピー（ｅｈｔｈａｌｐｙ  ｏｆ  ｓｅｇｒｅａｔｉｏｎ）ΔＨｓｅｇ（ｋＪ／ｍｏｌ）対混合エンタルピー（ｅｈｔａｌｐｙ  ｏｆ  ｍｉｘｉｎｇ）ΔＨｍｉｘ（ｋＪ／ｍｏｌ）のプロットである。
【００２３】
【図３】図３は、ある特定の実施形態による、ナノ結晶粉末試料の一連のＸ線回折（ＸＲＤ）スペクトルを示す。
【００２４】
【図４】図４は、一部の実施形態による、チタンならびに１０ａｔ．％Ｍｇ、２０ａｔ．％Ｍｇおよび３０ａｔ．％Ｍｇを含有していたナノ結晶粉末の粒径および格子定数のプロットである。
【００２５】
【図５】図５は、一部の実施形態による、チタンならびに１０ａｔ．％Ｍｇ、２０ａｔ．％Ｍｇおよび３０ａｔ．％Ｍｇを含有していたナノ結晶粉末の一連のＴＥＭ画像および対応する電子回折パターンである。
【００２６】
【図６】図６は、一部の実施形態による、Ｔｉ−２０ａｔ．％ＭｇのＴＥＭからの電子回折パターンである。
【００２７】
【図７】図７Ａ〜７Ｂは、ある特定の実施形態による、冷圧し、タンタル（Ｔａ）箔（図７Ａ）または銅（Ｃｕ）管（図７Ｂ）で覆った、種々の原子百分率のチタンおよびマグネシウムを含有する粉末である試料の写真一式である。
【００２８】
【図８】図８は、一部の実施形態による、印加負荷の関数としての相対密度のプロットである。
【００２９】
【図９】図９は、一部の実施形態による、焼結温度の関数としての相対密度の変化のプロットである。
【００３０】
【図１０】図１０Ａ〜１０Ｃは、ある特定の実施形態による、５００℃で８時間焼結した後のＴｉ−２０ａｔ．％Ｍｇの走査型透過電子顕微鏡−エネルギー分散型Ｘ線分光法（ＳＴＥＭ−ＥＤＳ）画像を示す。
【００３１】
【図１１】図１１は、ある特定の実施形態による、焼結前（点線）および焼結後（実線）のＸＲＤプロットである。
【００３２】
【図１２】図１２は、一部の実施形態による、焼結後の金属合金のＳＴＥＭ画像である。
【００３３】
【図１３】図１３は、ある特定の実施形態による、焼結後の金属合金のＳＴＥＭ画像である。
【発明を実施するための形態】
【００３４】
詳細な説明
ナノ結晶金属は、粒界の体積分率が大きいために、その微結晶性対応物より優れたある特定の利点を有する。一例として、ナノ結晶合金は、一般的に、非常に高い引っ張り強さを有する。しかし、バルク材料の処理におけるナノスケールの粒の保持がかなり難しいため、ナノ結晶金属は主に薄膜として処理されてきた。
【００３５】
本開示は、一般的に、チタンを含む金属合金を対象とする。チタンを含む金属合金は、ある特定の実施形態によれば、ナノ結晶金属合金である。本明細書に記載の金属合金のある特定のものは、高い相対密度を有することができると同時に、ナノ結晶の特徴も維持する。加えて、ある特定の実施形態によれば、金属合金は、バルク金属合金であってもよい。本明細書に記載の金属合金のある特定のものは、粒成長に対して安定である。
【００３６】
本発明のチタン含有合金を製造するための方法も、本明細書に記載する。例えば、ある特定の実施形態は、相対的に低い温度で、かつ／または相対的に短期間にわたって焼結が達成される、焼結方法を対象とする。一部の実施形態によれば、また、以下により詳細に記載するように、（例えば、材料および／または焼結条件の選択により）不要な粒成長が制限または排除されるように焼結を実施することができる。ある特定の実施形態は、ナノ結晶化度を維持しながら、相対的に短時間にわたって、かつ／または相対的に低温でチタン含有材料を焼結することができるという認識を対象とする。
【００３７】
本明細書に記載の実施形態のある特定のものは、先行物品、システム、および方法に対して利点を提供することができる。例えば、（全てである必要はないが）ある特定の実施形態によれば、チタン含有金属合金は、高強度、高硬度、および／または粒成長に対する高耐性を有することができる。（全てである必要はないが）一部の実施形態によれば、本明細書に記載の金属合金を形成するための方法は、例えば、用いられる相対的に短い焼結時間および／または相対的に低い焼結温度のため、相対的に少量のエネルギーを使用することができる。
【００３８】
上述したように、ある特定の実施形態は、本発明の金属合金に関する。金属合金は、ある特定の実施形態によれば、チタンおよび少なくとも１種の他の金属を含む。
【００３９】
ある特定の実施形態によれば、金属合金は、チタン（Ｔｉ）を含む。金属合金は、一部の実施形態によれば、相対的に大量のチタンを含有することができる。例えば、一部の実施形態では、Ｔｉは金属合金において原子百分率で最も豊富な金属である。（原子百分率は、本明細書中、「ａｔ．％」または「ａｔ％」と略す）。ある特定の実施形態によれば、Ｔｉは、少なくとも５０ａｔ．％、少なくとも５５ａｔ．％、少なくとも６０ａｔ．％、少なくとも７０ａｔ．％、少なくとも８０ａｔ．％、少なくとも９０ａｔ．％、または少なくとも９５ａｔ．％の量で金属合金中に存在する。一部の実施形態では、Ｔｉは、最大９６ａｔ．％、最大９７ａｔ．％、最大９８ａｔ．％、またはそれよりも多い量で金属合金中に存在する。これらの範囲の組合せも可能である。他の値も可能である。
【００４０】
本明細書に記載の金属合金は、第２の金属を含むことができる。語句「第２の金属」は、Ｔｉではない任意の金属元素を説明するために本明細書において使用される。用語「元素」は、周期表にある元素を指すために本明細書において使用される。「金属元素」は、水素（Ｈ）を除く周期表にある１〜１２族の元素；周期表の１３族のＡｌ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｔｌ、およびＮｈ；周期表の１４族のＳｎ、ＰｂおよびＦｌ；周期表の１５族のＢｉおよびＭｃ；周期表の１６族のＰｏおよびＬｖ；ランタニド；ならびにアクチニドである。一部の実施形態では、第２の金属は、耐火金属元素（例えば、Ｎｂ、Ｔａ、Ｍｏ、Ｗ、および／またはＲｅ）である。一部の実施形態では、第２の金属は、遷移金属（すなわち、周期表の３〜１２族のもののいずれか）である。一部の実施形態では、第２の金属はランタニド（原子番号５７〜７１（両端を含む）の元素）である。一部の実施形態では、第２の金属は、希土類元素、例えば、スカンジウム（Ｓｃ）、イットリウム（Ｙ）、またはランタニドである。一部の実施形態では、第２の金属は、アクチニド（原子番号８９〜１０３（両端を含む）の元素）である。ある特定の実施形態によれば、第２の金属は、リチウム（Ｌｉ）、ナトリウム（Ｎａ）、カリウム（Ｋ）、ルビジウム（Ｒｂ）、セシウム（Ｃｓ）、フランシウム（Ｆｒ）、ベリリウム（Ｂｅ）、マグネシウム（Ｍｇ）、カルシウム（Ｃａ）、ストロンチウム（Ｓｒ）、バリウム（Ｂａ）、ラジウム（Ｒａ）、スカンジウム（Ｓｃ）、イットリウム（Ｙ）、ランタン（Ｌａ）、セリウム（Ｃｅ）、プラセオジム（Ｐｒ）、ネオジム（Ｎｄ）、プロメチウム（Ｐｍ）、サマリウム（Ｓｍ）、ユーロピウム（Ｅｕ）、ガドリニウム（Ｇｄ）、テルビウム（Ｔｂ）、ジスプロシウム（Ｄｙ）、ホルミウム（Ｈｏ）、エルビウム（Ｅｒ）、ツリウム（Ｔｍ）、イッテルビウム（Ｙｂ）、ルテチウム（Ｌｕ）、アクチニウム（Ａｃ）、トリウム（Ｔｈ）、プロトアクチニウム（Ｐａ）、ウラン（Ｕ）、ネプツニウム（Ｎｐ）、プルトニウム（Ｐｕ）、アメリシウム（Ａｍ）、キュリウム（Ｃｍ）、バークリウム（Ｂｋ）、カリホルニウム（Ｃｆ）、アインスタイニウム（Ｅｓ）、フェルミウム（Ｆｍ）、メンデレビウム（Ｍｄ）、ノーベリウム（Ｎｏ）、およびローレンシウム（Ｌｒ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ハフニウム（Ｈｆ）、ラザホージウム（Ｒｆ）、バナジウム（Ｖ）、ニオブ（Ｎｂ）、タンタル（Ｔａ）、ドブニウム（Ｄｂ）、クロム（Ｃｒ）、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）、シーボーギウム（Ｓｇ）、マンガン（Ｍｎ）、テクネチウム（Ｔｃ）、レニウム（Ｒｅ）、ボーリウム（Ｂｈ）、鉄（Ｆｅ）、ルテニウム（Ｒｕ）、オスミウム（Ｏｓ）、ハッシウム（Ｈｓ）、コバルト（Ｃｏ）、ロジウム（Ｒｈ）、イリジウム（Ｉｒ）、マイトネリウム（Ｍｔ）、ニッケル（Ｎｉ）、パラジウム（Ｐｄ）、白金（Ｐｔ）、ダルムスタチウム（Ｄｓ）、銅（Ｃｕ）、銀（Ａｇ）、金（Ａｕ）、レントゲニウム（Ｒｇ）、亜鉛（Ｚｎ）、カドミウム（Ｃｄ）、水銀（Ｈｇ）、コペルニシウム（Ｃｎ）、アルミニウム（Ａｌ）、ガリウム（Ｇａ）、インジウム（Ｉｎ）、タリウム（Ｔｌ）、ニホニウム（Ｎｈ）、スズ（Ｓｎ）、鉛（Ｐｂ）、フレロビウム（Ｆｌ）、ビスマス（Ｂｉ）、モスコビウム（Ｍｃ）、ポロニウム（Ｐｏ）、およびリバモリウム（Ｌｖ）からなる群から選択される。金属合金は、一部の実施形態では、これらの２つまたはそれよりも多くの組合せを含むことができる。
【００４１】
ある特定の実施形態によれば、第２の金属は、アルカリ土類金属を含む。語句「アルカリ土類金属」は、周期表の２族の元素（すなわち、Ｂｅ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、ＢａおよびＲａ）を説明するために本明細書で使用される。ある特定の実施形態では、第２の金属は、Ｍｇ、Ｌａ、Ｙ、Ｔｈ、Ｓｃ、Ｃｒ、Ａｇ、Ｆｅ、Ｍｎ、Ｃｕ、およびＬｉからなる群から選択される。一部の実施形態では、第２の金属はＭｇである。
【００４２】
ある特定の実施形態によれば、第２の金属およびＴｉは、溶解度ギャップを示す。２つの元素の相図が、２つの元素の混合物が２つまたはそれよりも多い相として存在する領域を含む場合、これらの２つの元素は、「溶解度ギャップ」を示すといわれる。第２の金属およびＴｉが溶解度ギャップを示す一部の実施形態では、第２の金属およびＴｉは、少なくとも２相の金属合金で存在することができる。
【００４３】
一部の実施形態では、Ｔｉは、第２の金属に少なくとも部分的に溶解性である。例えば、一部の実施形態では、Ｔｉおよび第２の金属は、固溶体である。
【００４４】
第２の金属は、さまざまな好適な百分率で金属合金中に存在しうる。ある特定の実施形態によれば、第２の金属は、４０ａｔ．％未満もしくはそれと等しい、３５ａｔ．％未満もしくはそれと等しい、３２ａｔ．％未満もしくはそれと等しい、３０ａｔ．％未満もしくはそれと等しい、２５ａｔ．％未満もしくはそれと等しい、２２ａｔ．％未満もしくはそれと等しい、２０ａｔ．％未満もしくはそれと等しい、１５ａｔ．％未満もしくはそれと等しい、または１２ａｔ．％未満もしくはそれと等しい量で金属合金中に存在する。一部の実施形態では、第２の金属は、少なくとも１ａｔ．％、少なくとも２ａｔ．％、少なくとも３ａｔ．％、少なくとも４ａｔ．％、少なくとも５ａｔ．％、少なくとも６ａｔ．％、少なくとも７ａｔ．％、少なくとも８ａｔ．％、少なくとも９ａｔ．％、少なくとも１０ａｔ．％、またはそれよりも多い量で金属合金中に存在する。これらの範囲の組合せも可能である。例えば、一部の実施形態では、第２の金属は、金属合金の１ａｔ．％〜４０ａｔ．％の量で金属合金中に存在する。一部の実施形態では、第２の金属は、金属合金の８ａｔ．％〜３２ａｔ．％の量で金属合金中に存在する。他の値も可能である。
【００４５】
一部の実施形態では、第２の金属は、Ｔｉに対して、活化元素であってもよい。活化元素は、活化元素の非存在下（それ以外では同一の条件下）で観察される焼結速度に対して、材料の焼結の速度を高める元素である。活化元素は、以下でより詳細に説明する。
【００４６】
ある特定の実施形態では、第２の金属は、Ｔｉに対して、安定化元素であってもよい。安定化元素は、安定化元素の非存在下（それ以外では同一の条件下）で観察される粒成長速度に対して、材料の粒成長の速度を低下させる元素である。安定化元素は、以下でより詳細に説明する。一部の実施形態では、第２の金属は、安定化元素および活化元素の両方であってもよい。
【００４７】
ある特定の実施形態によれば、第２の金属（例えば、Ｔｉと共に合金を形成するための）は、以下の条件の１つまたは複数に基づいて選択することができる。
１．  ナノ結晶粒径の熱力学的安定化、
２．  焼結温度より高温で延伸された相分離領域、
３．  より低い融解温度を有する第２の（例えば、溶質）元素、および／または
４．  析出された第２の相中のＴｉの溶解度。
【００４８】
一部の実施形態によれば、第２の金属（例えば、Ｍｇ）は、Ｔｉと共にナノデュープレックス構造を形成する。例えば、一部の実施形態では、金属合金は、Ｔｉ富化粒およびＭｇ富化析出物からなるナノデュープレックス構造を含む。一部の実施形態では、およそ１１０ｎｍの粒径を有するナノ結晶構造を、５００℃（Ｍｇでは融解温度の８４％およびＴｉでは３０％である）で８時間後でも維持することができる。一部の実施形態によれば、Ｔｉ−２０ａｔ．％ＭｇおよびＴｉ−３０ａｔ．％Ｍｇで高い相対密度を実現することができる。
【００４９】
一部の実施形態では、金属合金は、Ｔｉおよび第２の金属のみ（すなわち、追加の金属または他の元素はなく、Ｔｉおよび第２の金属）を含む。他の実施形態では、金属合金は、Ｔｉ、第２の金属、および第３の元素を含む。例えば、一部の実施形態では、金属合金は、第３の金属（Ｔｉおよび第２の金属に加えて）を含む。語句「第３の金属」は、Ｔｉではなく、第２の金属でもない金属を説明するために本明細書において使用される。
【００５０】
第３の金属は、さまざまな好適な百分率で金属合金中に存在してもよい。ある特定の実施形態によれば、第３の金属は、４０ａｔ．％未満もしくはそれと等しい、３５ａｔ．％未満もしくはそれと等しい、３２ａｔ．％未満もしくはそれと等しい、３０ａｔ．％未満もしくはそれと等しい、２５ａｔ．％未満もしくはそれと等しい、２２ａｔ．％未満もしくはそれと等しい、２０ａｔ．％未満もしくはそれと等しい、１５ａｔ．％未満もしくはそれと等しい、または１２ａｔ．％未満もしくはそれと等しい量で金属合金中に存在する。一部の実施形態では、第３の金属は、少なくとも１ａｔ．％、少なくとも２ａｔ．％、少なくとも３ａｔ．％、少なくとも４ａｔ．％、少なくとも５ａｔ．％、少なくとも６ａｔ．％、少なくとも７ａｔ．％、少なくとも８ａｔ．％、少なくとも９ａｔ．％、少なくとも１０ａｔ．％、またはそれよりも多い量で金属合金中に存在する。これらの範囲の組合せも可能である。他の値も可能である。
【００５１】
ある特定の実施形態によれば、第３の金属は、安定化元素、活化元素、または安定化元素および活化元素の両方であってもよい。
【００５２】
一部の実施形態では、金属合金は、ＴｉならびにＭｇ、Ｌａ、Ｙ、Ｔｈ、Ｓｃ、Ｃｒ、Ａｇ、Ｆｅ、Ｍｎ、Ｃｕ、およびＬｉの少なくとも１つを含む。一部の実施形態では、金属合金は、Ｔｉ、Ｍｇ、ならびにＬａ、Ｙ、Ｔｈ、Ｓｃ、Ｃｒ、Ａｇ、Ｆｅ、Ｍｎ、Ｃｕ、およびＬｉの少なくとも１つを含む。
【００５３】
ある特定の実施形態によれば、金属合金中のＴｉではない全金属元素（例えば、第２の金属、任意選択の第３の金属、および任意の追加の任意選択の金属）の総量は、金属合金の５０ａｔ．％未満、４０ａｔ．％未満もしくはそれと等しい、３５ａｔ．％未満もしくはそれと等しい、３２ａｔ．％未満もしくはそれと等しい、３０ａｔ．％未満もしくはそれと等しい、２５ａｔ．％未満もしくはそれと等しい、２２ａｔ．％未満もしくはそれと等しい、２０ａｔ．％未満もしくはそれと等しい、１５ａｔ．％未満もしくはそれと等しい、または１２ａｔ．％未満もしくはそれと等しい量を占める。一部の実施形態では、金属合金中のＴｉではない全金属元素（例えば、第２の金属、任意選択の第３の金属、および任意の追加の任意選択の金属）の総量は、少なくとも１ａｔ．％、少なくとも２ａｔ．％、少なくとも３ａｔ．％、少なくとも４ａｔ．％、少なくとも５ａｔ．％、少なくとも６ａｔ．％、少なくとも７ａｔ．％、少なくとも８ａｔ．％、少なくとも９ａｔ．％、少なくとも１０ａｔ．％、またはそれよりも多くを占める。これらの範囲の組合せも可能である。他の値も可能である。
【００５４】
ある特定の実施形態によれば、金属合金は、ナノ結晶金属合金である。ナノ結晶材料は、一般的に、粒径が１０００ｎｍ未満またはそれと等しい少なくとも一部の粒を含む材料を指す。一部の実施形態では、ナノ結晶材料は、粒径が９００ｎｍ未満もしくはそれと等しい、８００ｎｍ未満もしくはそれと等しい、７００ｎｍ未満もしくはそれと等しい、６００ｎｍ未満もしくはそれと等しい、５００ｎｍ未満もしくはそれと等しい、４００ｎｍ未満もしくはそれと等しい、３００ｎｍ未満もしくはそれと等しい、２００ｎｍ未満もしくはそれと等しい、１００ｎｍ未満もしくはそれと等しい、５０ｎｍ未満もしくはそれと等しい、または２０ｎｍ未満もしくはそれと等しい粒を含む。これに応じて、金属合金の場合では、ナノ結晶金属合金は、粒径が１０００ｎｍ未満またはそれと等しい粒を含む金属合金である。一部の実施形態では、ナノ結晶金属合金は、粒径が９００ｎｍ未満もしくはそれと等しい、８００ｎｍ未満もしくはそれと等しい、７００ｎｍ未満もしくはそれと等しい、６００ｎｍ未満もしくはそれと等しい、５００ｎｍ未満もしくはそれと等しい、４００ｎｍ未満もしくはそれと等しい、３００ｎｍ未満もしくはそれと等しい、２００ｎｍ未満もしくはそれと等しい、１５０ｎｍ未満もしくはそれと等しい、１２５ｎｍ未満もしくはそれと等しい、１００ｎｍ未満もしくはそれと等しい、５０ｎｍ未満もしくはそれと等しい、または２０ｎｍ未満もしくはそれと等しい粒を含む。他の値も可能である。
【００５５】
粒の「粒径」は、一般的に、粒の最大寸法を指す。最大寸法は、その幾何学的形状に応じて、粒の直径、長さ、幅、または高さであってもよい。ある特定の実施形態によれば、粒は、球形、立方体、円錐形、円柱形、針状、または任意の他の好適な幾何学的形状であってもよい。
【００５６】
ある特定の実施形態によれば、体積百分率が相対的に高い金属合金は、小粒で構成されている。例えば、一部の実施形態では、金属合金の体積の少なくとも５０％、少なくとも７５％、少なくとも９０％、少なくとも９５％、少なくとも９９％、または実質的に全ては、粒径が１０００ｎｍ未満もしくはそれと等しい、９００ｎｍ未満もしくはそれと等しい、８００ｎｍ未満もしくはそれと等しい、７００ｎｍ未満もしくはそれと等しい、６００ｎｍ未満もしくはそれと等しい、５００ｎｍ未満もしくはそれと等しい、４００ｎｍ未満もしくはそれと等しい、３００ｎｍ未満もしくはそれと等しい、２００ｎｍ未満もしくはそれと等しい、１５０ｎｍ未満もしくはそれと等しい、１２５ｎｍ未満もしくはそれと等しい、１００ｎｍ未満もしくはそれと等しい、５０ｎｍ未満もしくはそれと等しい、または２０ｎｍ未満もしくはそれと等しい粒で構成されている。他の値も可能である。
【００５７】
ある特定の実施形態によれば、金属合金は、相対的に小さい平均粒径を有してもよい。材料（例えば、金属合金）の「平均粒径」は、材料中の粒の粒径の数平均を指す。ある特定の実施形態によれば、金属合金（例えば、バルクおよび／またはナノ結晶金属合金）は、１０００ｎｍ未満もしくはそれと等しい、９００ｎｍ未満もしくはそれと等しい、８００ｎｍ未満もしくはそれと等しい、７００ｎｍ未満もしくはそれと等しい、６００ｎｍ未満もしくはそれと等しい、５００ｎｍ未満もしくはそれと等しい、４００ｎｍ未満もしくはそれと等しい、３００ｎｍ未満もしくはそれと等しい、２００ｎｍ未満もしくはそれと等しい、１５０ｎｍ未満もしくはそれと等しい、１２５ｎｍ未満もしくはそれと等しい、１００ｎｍ未満もしくはそれと等しい、５０ｎｍ未満もしくはそれと等しい、または２０ｎｍ未満もしくはそれと等しい平均粒径を有する。ある特定の実施形態では、金属合金は、２５ｎｍほどの大きさしかない、１０ｎｍほどの大きさしかない、１ｎｍほどの大きさしかない、またはそれより小さい平均粒径を有する。これらの範囲の組合せも可能である。他の値も可能である。
【００５８】
ある特定の実施形態によれば、金属合金の幾何学的中心と交差する金属合金の少なくとも１つの断面は、小さい体積平均断面粒径を有する。金属合金の所与の断面の「体積平均断面粒径」は、物体の断面を得、物体の断面の画像（透過型電子顕微鏡から得られた画像などの、拡大像でもよい）中の各粒の周囲をトレースし、トレースした各粒断面の円相当径Ｄｉを計算することによって決定される。粒断面の「円相当径」は、物体の断面中の粒の断面積に等しい面積（Ａ＝πｒ２によって決定されるＡ）を有する円の直径に対応する。体積平均断面粒径（ＧＣＳ，ａｖｇ）は、
【化１】
2019532179.tif 000003
［式中、ｎは断面中の粒の数であり、Ｄｉは粒ｉの円相当径である］
のように計算される。
【００５９】
ある特定の実施形態によれば、金属合金の幾何学的中心と交差する金属合金の少なくとも１つの断面は、１０００ｎｍ未満もしくはそれと等しい、９００ｎｍ未満もしくはそれと等しい、８００ｎｍ未満もしくはそれと等しい、７００ｎｍ未満もしくはそれと等しい、６００ｎｍ未満もしくはそれと等しい、５００ｎｍ未満もしくはそれと等しい、４００ｎｍ未満もしくはそれと等しい、３００ｎｍ未満もしくはそれと等しい、２００ｎｍ未満もしくはそれと等しい、１５０ｎｍ未満もしくはそれと等しい、１２５ｎｍ未満もしくはそれと等しい、１００ｎｍ未満もしくはそれと等しい、５０ｎｍ未満もしくはそれと等しい、または２０ｎｍ未満もしくはそれと等しい体積平均断面粒径を有する。ある特定の実施形態では、金属合金の幾何学的中心と交差する金属合金の少なくとも１つの断面は、２５ｎｍほどの大きさしかない、１０ｎｍほどの大きさしかない、１ｎｍほどの大きさしかない、またはそれより小さい体積平均断面粒径を有する。これらの範囲の組合せも可能である。他の値も可能である。
【００６０】
ある特定の実施形態によれば、（任意選択で、金属合金の幾何学的中心と交差する）金属合金の少なくとも１つの断面は、１０００ｎｍ未満もしくはそれと等しい、９００ｎｍ未満もしくはそれと等しい、８００ｎｍ未満もしくはそれと等しい、７００ｎｍ未満もしくはそれと等しい、６００ｎｍ未満もしくはそれと等しい、５００ｎｍ未満もしくはそれと等しい、４００ｎｍ未満もしくはそれと等しい、３００ｎｍ未満もしくはそれと等しい、２００ｎｍ未満もしくはそれと等しい、１５０ｎｍ未満もしくはそれと等しい、１２５ｎｍ未満もしくはそれと等しい、１００ｎｍ未満もしくはそれと等しい、５０ｎｍ未満もしくはそれと等しい、または２０ｎｍ未満もしくはそれと等しい（および／または２５ｎｍほどの大きさしかない、１０ｎｍほどの大きさしかない、１ｎｍほどの大きさしかない、もしくはそれよりも小さい）体積平均断面粒径を有し、少なくとも（任意選択で、金属合金の幾何学的中心と交差する）第１の断面に対して垂直である金属合金の第２の断面は、１０００ｎｍ未満もしくはそれと等しい、９００ｎｍ未満もしくはそれと等しい、８００ｎｍ未満もしくはそれと等しい、７００ｎｍ未満もしくはそれと等しい、６００ｎｍ未満もしくはそれと等しい、５００ｎｍ未満もしくはそれと等しい、４００ｎｍ未満もしくはそれと等しい、３００ｎｍ未満もしくはそれと等しい、２００ｎｍ未満もしくはそれと等しい、１５０ｎｍ未満もしくはそれと等しい、１２５ｎｍ未満もしくはそれと等しい、１００ｎｍ未満もしくはそれと等しい、５０ｎｍ未満もしくはそれと等しい、または２０ｎｍ未満もしくはそれと等しい（および／または２５ｎｍほどの大きさしかない、１０ｎｍほどの大きさしかない、１ｎｍほどの大きさしかない、もしくはそれよりも小さい）体積平均断面粒径を有する。他の値も可能である。
【００６１】
ある特定の実施形態によれば、（任意選択で、金属合金の幾何学的中心と交差する）金属合金の少なくとも１つの断面は、１０００ｎｍ未満もしくはそれと等しい、９００ｎｍ未満もしくはそれと等しい、８００ｎｍ未満もしくはそれと等しい、７００ｎｍ未満もしくはそれと等しい、６００ｎｍ未満もしくはそれと等しい、５００ｎｍ未満もしくはそれと等しい、４００ｎｍ未満もしくはそれと等しい、３００ｎｍ未満もしくはそれと等しい、２００ｎｍ未満もしくはそれと等しい、１５０ｎｍ未満もしくはそれと等しい、１２５ｎｍ未満もしくはそれと等しい、１００ｎｍ未満もしくはそれと等しい、５０ｎｍ未満もしくはそれと等しい、または２０ｎｍ未満もしくはそれと等しい（および／または２５ｎｍほどの大きさしかない、１０ｎｍほどの大きさしかない、１ｎｍほどの大きさしかない、もしくはそれよりも小さい）体積平均断面粒径を有し、少なくとも（任意選択で、同様に金属合金の幾何学的中心と交差する、あるいはその反対の）第１の断面に対して垂直である金属合金の第２の断面は、１０００ｎｍ未満もしくはそれと等しい、９００ｎｍ未満もしくはそれと等しい、８００ｎｍ未満もしくはそれと等しい、７００ｎｍ未満もしくはそれと等しい、６００ｎｍ未満もしくはそれと等しい、５００ｎｍ未満もしくはそれと等しい、４００ｎｍ未満もしくはそれと等しい、３００ｎｍ未満もしくはそれと等しい、２００ｎｍ未満もしくはそれと等しい、１５０ｎｍ未満もしくはそれと等しい、１２５ｎｍ未満もしくはそれと等しい、１００ｎｍ未満もしくはそれと等しい、５０ｎｍ未満もしくはそれと等しい、または２０ｎｍ未満もしくはそれと等しい（および／または２５ｎｍほどの大きさしかない、１０ｎｍほどの大きさしかない、１ｎｍほどの大きさしかない、もしくはそれよりも小さい）体積平均断面粒径を有し、少なくとも（任意選択で、同様に金属合金の幾何学的中心と交差する）第１の断面に対して垂直であり、第２の断面に対して垂直である金属合金の第３の断面は、１０００ｎｍ未満もしくはそれと等しい、９００ｎｍ未満もしくはそれと等しい、８００ｎｍ未満もしくはそれと等しい、７００ｎｍ未満もしくはそれと等しい、６００ｎｍ未満もしくはそれと等しい、５００ｎｍ未満もしくはそれと等しい、４００ｎｍ未満もしくはそれと等しい、３００ｎｍ未満もしくはそれと等しい、２００ｎｍ未満もしくはそれと等しい、１５０ｎｍ未満もしくはそれと等しい、１２５ｎｍ未満もしくはそれと等しい、１００ｎｍ未満もしくはそれと等しい、５０ｎｍ未満もしくはそれと等しい、または２０ｎｍ未満もしくはそれと等しい（および／または２５ｎｍほどの大きさしかない、１０ｎｍほどの大きさしかない、１ｎｍほどの大きさしかない、もしくはそれよりも小さい）体積平均断面粒径を有する。
【００６２】
一部の実施形態では、金属合金は、相対的に等軸の粒を含む。ある特定の実施形態では、金属合金中の粒の少なくとも一部分は、２未満もしくはそれと等しい、１．８未満もしくはそれと等しい、１．６未満もしくはそれと等しい、１．４未満もしくはそれと等しい、１．３未満もしくはそれと等しい、１．２未満もしくはそれと等しい、または１．１未満もしくはそれと等しい（また、一部の実施形態では、１まで）アスペクト比を有する。粒のアスペクト比は、粒の幾何学的中心と交差する粒の最大断面寸法を、粒の最大断面寸法に対して垂直な粒の最大寸法を割って計算する。粒のアスペクト比は、単数で表し、１は等軸粒に対応する。一部の実施形態では、金属合金中の粒のアスペクト比の数平均は、２未満もしくはそれと等しい、１．８未満もしくはそれと等しい、１．６未満もしくはそれと等しい、１．４未満もしくはそれと等しい、１．３未満もしくはそれと等しい、１．２未満もしくはそれと等しい、または１．１未満もしくはそれと等しい（また、一部の実施形態では、１まで）。
【００６３】
いかなる特定の理論にも束縛されることを望むものではないが、金属合金が加圧の非存在下（または実質的非存在下で）生成される場合（例えば、常圧または実質的に常圧の焼結プロセスによる）、相対的に等軸の粒は存在しうると考えられる。
【００６４】
ある特定の実施形態では、金属合金は、相対的に低い断面平均粒アスペクト比を有する。一部の実施形態では、金属合金中の断面平均粒アスペクト比は、２未満もしくはそれと等しい、１．８未満もしくはそれと等しい、１．６未満もしくはそれと等しい、１．４未満もしくはそれと等しい、１．３未満もしくはそれと等しい、１．２未満もしくはそれと等しい、または１．１未満もしくはそれと等しい（また、一部の実施形態では、１まで）。金属合金の「断面平均粒アスペクト比」は、金属合金の幾何学的中心と交差する金属合金の少なくとも１つの断面が、特定の範囲内に含まれる平均アスペクト比を有する粒断面で構成される場合、その範囲内に含まれるといわれる。例えば、金属合金が、金属合金の幾何学的中心と交差する少なくとも１つの断面を含み、断面が、２未満の平均アスペクト比を有する粒断面で構成される場合、金属合金の断面平均粒アスペクト比は、２未満でありうる。金属合金の断面を構成する粒断面の平均アスペクト比（本明細書において「粒断面の平均アスペクト比」とも呼ばれる）を決定するために、金属合金の断面を得、金属合金の断面の画像（透過型電子顕微鏡から得られた画像などの、拡大像でもよい）中の各粒の周囲をトレースし、トレースした各粒断面のアスペクト比を計算する。粒断面のアスペクト比は、（粒断面の幾何学的中心と交差する）粒断面の最大断面寸法を、粒断面の最大断面寸法に対して垂直な粒断面の最大寸法で割って計算する。粒断面のアスペクト比は、単数で表し、１は等軸粒断面に対応する。金属合金の断面を構成する粒断面の平均アスペクト比（ＡＲａｖｇ）は、数平均：
【化２】
2019532179.tif 000004
［式中、ｎは断面中の粒の数であり、ＡＲｉは粒ｉの断面のアスペクト比である］
として計算する。
【００６５】
ある特定の実施形態によれば、特定の範囲（例えば、本明細書中の他の箇所に記載される範囲のいずれか）内に含まれる断面平均粒アスペクト比を有する金属合金は、金属合金の幾何学的中心を交差し、その範囲内に含まれる粒断面の平均アスペクト比を有する第１の断面と、第１の断面に対して垂直であり、金属合金の幾何学的中心を交差し、その範囲内に含まれる粒断面の平均アスペクト比を有する、少なくとも第２の断面と、を有する。例えば、ある特定の実施形態によれば、２未満の断面平均粒アスペクト比を有する金属合金は、金属合金の幾何学的中心を交差し、２未満の粒断面の平均アスペクト比を有する断面と、第１の断面に対して垂直であり、金属合金の幾何学的中心を交差し、２未満の粒断面の平均アスペクト比を有する、少なくとも第２の断面と、を含む。
【００６６】
ある特定の実施形態によれば、特定の範囲（例えば、本明細書中の他の箇所に記載される範囲のいずれか）内に含まれる断面平均粒アスペクト比を有する金属合金は、金属合金の幾何学的中心を交差し、その範囲内に含まれる粒断面の平均アスペクト比を有する第１の断面と、第１の断面に対して垂直であり、金属合金の幾何学的中心を交差し、その範囲内に含まれる粒断面の平均アスペクト比を有する第２の断面と、第１の断面および第２の断面に対して垂直であり、金属合金の幾何学的中心を交差し、その範囲内に含まれる粒断面の平均アスペクト比を有する、少なくとも第３の断面と、を有する。例えば、ある特定の実施形態によれば、２未満の断面平均粒アスペクト比を有する金属合金は、金属合金の幾何学的中心を交差し、２未満の粒断面の平均アスペクト比を有する、第１の断面と、第１の断面に対して垂直であり、金属合金の幾何学的中心を交差し、２未満の粒断面の平均アスペクト比を有する、第２の断面と、第１の断面および第２の断面に対して垂直であり、金属合金の幾何学的中心を交差し、２未満の粒断面の平均アスペクト比を有する、少なくとも第３の断面と、を含む。
【００６７】
ある特定の実施形態によれば、金属合金中の粒は、相対的に小さく、相対的に等軸の両方であることができる。例えば、ある特定の実施形態によれば、少なくとも１つの断面（および、一部の実施形態では、少なくとも、第１の断面に対して垂直である第２の断面、ならびに／または、少なくとも、第１および第２の断面に対して垂直である第３の断面）は、上または本明細書中の他の箇所に概説されるいずれかの範囲内に含まれる体積平均断面粒径および粒断片の平均アスペクト比を有することができる。
【００６８】
金属合金は、ある特定の実施形態によれば、バルク金属合金（例えば、バルクナノ結晶金属合金）であってもよい。「バルク金属合金」は、薄膜の形態ではない金属合金である。ある特定の実施形態では、バルク金属合金は、少なくとも１ミクロンの最小寸法を有する。一部の実施形態では、バルク金属合金は、少なくとも１０ミクロン、少なくとも２５ミクロン、少なくとも５０ミクロン、少なくとも１００ミクロン、少なくとも５００ミクロン、少なくとも１ミリメートル、少なくとも１センチメートル、少なくとも１０センチメートル、少なくとも１００センチメートル、または少なくとも１メートルの最小寸法を有する。他の値も可能である。ある特定の実施形態によれば、金属合金は、コーティングの形態ではない。
【００６９】
ある特定の実施形態では、金属合金は、少なくとも１ｍｍ３、少なくとも５ｍｍ３、少なくとも１０ｍｍ３、少なくとも０．１ｃｍ３、少なくとも０．５ｃｍ３、少なくとも１ｃｍ３、少なくとも１０ｃｍ３、少なくとも１００ｃｍ３、または少なくとも１ｍ３の体積を占める。他の値も可能である。
【００７０】
ある特定の実施形態によれば、金属合金は、多相を含む。例えば、一部の実施形態では、金属合金は、二相金属合金である。
【００７１】
一部の実施形態では、金属合金は、高い相対密度を有する。用語「相対密度」は、金属合金の実験的に測定された密度の金属合金の最大理論密度に対する比を指す。「相対密度」（ρｒｅｌ）は、百分率で表し、
【化３】
2019532179.tif 000005
［式中、ρｍｅａｓｕｒｅｄは、金属合金の実験的に測定された密度であり、ρｍａｘｉｍｕｍは、金属合金と同じ組成を有する合金の最大理論密度である］
ように計算する。
【００７２】
一部の実施形態では、金属合金（例えば、焼結金属合金、ナノ結晶金属合金、および／またはバルク金属合金）は、少なくとも８０％、少なくとも８５％、少なくとも９０％、少なくとも９２％、少なくとも９５％、少なくとも９６％、少なくとも９７％、少なくとも９８％、または少なくとも９９％の（および／または、ある特定の実施形態では、最大９９．８％、最大９９．９％、またはそれより高い）相対密度を有する。一部の実施形態では、ナノ結晶合金は、１００％の相対密度を有する。他の値も可能である。
【００７３】
ある特定の実施形態によれば、金属合金は、完全に緻密である。本明細書で利用する場合、用語「完全に緻密」（または「完全密度」）は、少なくとも９８％の相対密度を有する材料を指す。ある特定の実施形態によれば、金属合金の相対密度は、金属合金の他の材料特性に影響しうる。したがって、金属合金の相対密度を制御することによって、金属合金の他の材料特性を制御することができる。
【００７４】
ある特定の実施形態によれば、本明細書に記載の金属合金は、相対的に高温で安定であることができる。金属合金が、特定の温度で「実質的に安定」であるといわれるのは、金属合金が、合金の幾何学的中心を交差し、金属合金をその温度にアルゴン雰囲気下で２４時間加熱すると、断面の体積平均断面粒径（上記）が（もとの体積平均断面粒径に対して）２０％よりも大きく増加しない、少なくとも１つの断面を含むときである。当業者は、物品の断面を取り、２５℃で断面の体積平均断面粒径を決定し、断面をアルゴン雰囲気下で２４時間、特定の温度に加熱し、断面を２５℃に冷却して戻し、加熱後の断面の体積平均断面粒径を決定することによって、金属合金が特定の温度で安定であるかを決定することができうる。加熱ステップ後の断面の体積平均断面粒径が、加熱ステップ前の断面の体積平均断面粒径の１２０％未満であれば、金属合金は安定であるといわれうる。ある特定の実施形態によれば、特定の温度で安定である金属合金は、金属合金の幾何学的中心を交差し、物体をその温度にアルゴン雰囲気下で２４時間加熱すると、断面の体積平均断面粒径が、（もとの体積平均粒径に対して）１５％よりも大きく、１０％よりも大きく、５％よりも大きく、または２％よりも大きく増加しない、少なくとも１つの断面を含む。
【００７５】
一部の実施形態では、金属合金は、摂氏１００度（℃）より高いまたはそれと等しい少なくとも１つの温度で、実質的に安定である。ある特定の実施形態では、金属合金は、２００℃より高いもしくはそれと等しい、３００℃より高いもしくはそれと等しい、４００℃より高いもしくはそれと等しい、５００℃より高いもしくはそれと等しい、６００℃より高いもしくはそれと等しい、７００℃より高いもしくはそれと等しい、８００℃より高いもしくはそれと等しい、９００℃より高いもしくはそれと等しい、１０００℃より高いもしくはそれと等しい、１１００℃より高いもしくはそれと等しい、１２００℃より高いもしくはそれと等しい、１３００℃より高いもしくはそれと等しい、または１４００℃より高いもしくはそれと等しい少なくとも１つの温度で、実質的に安定である。他の範囲も可能である。
【００７６】
本明細書に記載の金属合金のある特定のものは、焼結金属合金である。本開示による金属合金を生成するために使用することができる例示的焼結方法を、以下で詳細に説明する。
【００７７】
本発明の金属合金（例えば、焼結金属合金、バルク金属合金、および／またはナノ結晶金属合金）を形成する方法も本明細書において記載する。本明細書に記載の本発明の方法のある特定のものは、上および本明細書中の他の箇所に記載の本発明の金属合金を形成するために使用することができる。例えば、本明細書に記載の方法のある特定のものは、例えば、上または本明細書中の他の箇所に記載の粒径および／または粒径分布のいずれかを含めたナノ結晶金属合金を形成するために使用することができる。本明細書に記載の方法のある特定のものは、上または本明細書中の他の箇所に記載の相対密度のいずれかを含めた、高い相対密度を有する金属合金を形成するために使用することができる。本明細書に記載の方法のある特定のものは、例えば、上または本明細書中の他の箇所に記載のサイズのいずれかを有する、バルクナノ結晶金属合金を形成するために使用することができる。本明細書に記載の方法のある特定のものは、例えば、上または本明細書中の他の箇所に記載の（例えば、粒成長に対する）安定性のいずれかを有する、安定である金属合金を形成するために使用することができる。
【００７８】
一部の実施形態では、金属合金は、複数の微粒子を焼結することによって形成される。微粒子の形状は、例えば、球形、立方体、円錐形、円柱形、針状、不規則形状、または任意の他の好適な幾何学的形状であってもよい。一部の実施形態では、少なくとも一部（例えば、少なくとも５０％、少なくとも７５％、少なくとも９０％、または少なくとも９５％）の微粒子は、単結晶である。ある特定の実施形態では、少なくとも一部（例えば、少なくとも５０％、少なくとも７５％、少なくとも９０％、または少なくとも９５％）の微粒子は、多結晶である。
【００７９】
焼結された微粒子は、ある特定の実施形態によれば、ナノ結晶微粒子であってもよい。ナノ結晶微粒子は、ある特定の実施形態によれば、粒径が、１０００ｎｍ未満もしくはそれと等しい、９００ｎｍ未満もしくはそれと等しい、８００ｎｍ未満もしくはそれと等しい、７００ｎｍ未満もしくはそれと等しい、６００ｎｍ未満もしくはそれと等しい、５００ｎｍ未満もしくはそれと等しい、４００ｎｍ未満もしくはそれと等しい、３００ｎｍ未満もしくはそれと等しい、２００ｎｍ未満もしくはそれと等しい、１５０ｎｍ未満もしくはそれと等しい、１２５ｎｍ未満もしくはそれと等しい、１００ｎｍ未満もしくはそれと等しい、５０ｎｍ未満もしくはそれと等しい、４０ｎｍ未満もしくはそれと等しい、３０ｎｍ未満もしくはそれと等しい、または２０ｎｍ未満もしくはそれと等しい粒を含むことができる。ある特定の実施形態によれば、ナノ結晶微粒子の少なくとも一部は、５０ｎｍ未満またはそれと等しい粒径を有する。一部の実施形態では、ナノ結晶微粒子の少なくとも一部は、５ｎｍより大きいまたはそれと等しく、かつ２５ｎｍ未満またはそれと等しい粒径を有する。一部の実施形態では、ナノ結晶微粒子の少なくとも一部は、１０ｎｍより大きいまたはそれと等しく、かつ２０ｎｍ未満またはそれと等しい粒径を有する。
【００８０】
ある特定の実施形態によれば、ナノ結晶微粒子の少なくとも一部は、Ｔｉおよび／または第２の金属を含む。一部の実施形態では、ナノ結晶微粒子の一方の部分はＴｉで構成され、一方で、ナノ結晶微粒子の他方の部分は第２の金属で構成されている。ある特定の実施形態では、ナノ結晶微粒子の少なくとも一部は、Ｔｉおよび第２の金属の両方を含む。
【００８１】
一部の実施形態では、Ｔｉは、ナノ結晶微粒子の少なくとも一部において原子百分率で最も豊富な金属である。一部の実施形態では、微粒子の少なくとも一部は、Ｔｉを少なくとも５０ａｔ．％、少なくとも５５ａｔ．％、少なくとも６０ａｔ．％、少なくとも７０ａｔ．％、少なくとも８０ａｔ．％、少なくとも９０ａｔ．％、または少なくとも９５ａｔ．％の量で含有する。一部の実施形態では、微粒子の少なくとも一部は、Ｔｉを最大９６ａｔ．％、最大９７ａｔ．％、最大９８ａｔ．％、またはそれよりも多い量で含有する。これらの範囲の組合せも可能である。他の値も可能である。
【００８２】
一部の実施形態では、Ｔｉは、微粒子材料において原子百分率で最も豊富な金属である。ある特定の実施形態によれば、微粒子材料中に存在するＴｉの総量は、微粒子材料の少なくとも５０ａｔ．％、少なくとも５５ａｔ．％、少なくとも６０ａｔ．％、少なくとも７０ａｔ．％、少なくとも８０ａｔ．％、少なくとも９０ａｔ．％、または少なくとも９５ａｔ．％である。一部の実施形態では、微粒子材料中に存在するＴｉの総量は、微粒子材料の最大９６ａｔ．％、最大９７ａｔ．％、最大９８ａｔ．％、またはそれよりも多い。これらの範囲の組合せも可能である。他の値も可能である。
【００８３】
第２の金属は、例えば、上記の第２の金属のいずれかであってもよい。
【００８４】
一部の実施形態では、微粒子の少なくとも一部分は、第２の金属を４０ａｔ．％未満もしくはそれと等しい、３５ａｔ．％未満もしくはそれと等しい、３２ａｔ．％未満もしくはそれと等しい、３０ａｔ．％未満もしくはそれと等しい、２５ａｔ．％未満もしくはそれと等しい、２２ａｔ．％未満もしくはそれと等しい、２０ａｔ．％未満もしくはそれと等しい、１５ａｔ．％未満もしくはそれと等しい、または１２ａｔ．％未満もしくはそれと等しい量で含む。一部の実施形態では、微粒子の少なくとも一部分は、第２の金属を少なくとも１ａｔ．％、少なくとも２ａｔ．％、少なくとも３ａｔ．％、少なくとも４ａｔ．％、少なくとも５ａｔ．％、少なくとも６ａｔ．％、少なくとも７ａｔ．％、少なくとも８ａｔ．％、少なくとも９ａｔ．％、少なくとも１０ａｔ．％、またはそれよりも多い量で含む。これらの範囲の組合せも可能である。例えば、一部の実施形態では、微粒子の少なくとも一部分は、第２の金属を、微粒子材料の１ａｔ．％〜４０ａｔ．％の量で含む。一部の実施形態では、微粒子の少なくとも一部分は、第２の金属を、微粒子材料の８ａｔ．％〜３２ａｔ．％の量で含む。他の値も可能である。
【００８５】
一部の実施形態では、微粒子材料中の第２の金属の総量は、微粒子材料の４０ａｔ．％未満もしくはそれと等しい、３５ａｔ．％未満もしくはそれと等しい、３２ａｔ．％未満もしくはそれと等しい、３０ａｔ．％未満もしくはそれと等しい、２５ａｔ．％未満もしくはそれと等しい、２２ａｔ．％未満もしくはそれと等しい、２０ａｔ．％未満もしくはそれと等しい、１５ａｔ．％未満もしくはそれと等しい、または１２ａｔ．％未満もしくはそれと等しい。一部の実施形態では、微粒子材料中の第２の金属の総量は、微粒子材料の少なくとも１ａｔ．％、少なくとも２ａｔ．％、少なくとも３ａｔ．％、少なくとも４ａｔ．％、少なくとも５ａｔ．％、少なくとも６ａｔ．％、少なくとも７ａｔ．％、少なくとも８ａｔ．％、少なくとも９ａｔ．％、少なくとも１０ａｔ．％、またはそれよりも多い。これらの範囲の組合せも可能である。例えば、一部の実施形態では、微粒子材料中に存在する第２の金属の総量は、微粒子材料の１ａｔ．％〜４０ａｔ．％である。一部の実施形態では、微粒子材料中に存在する第２の金属の総量は、微粒子材料の８ａｔ．％〜３２ａｔ．％である。他の値も可能である。
【００８６】
ある特定の実施形態によれば、ナノ結晶微粒子の少なくとも一部は、Ｔｉおよび第２の金属を含む粉末を機械加工することによって形成される。例えば、ある特定の実施形態は、複数のＴｉ微粒子および複数の第２の金属微粒子を含む粉末を機械加工することによって、少なくとも部分的に、ナノ結晶微粒子を作製することを含む。ある特定の実施形態は、Ｔｉおよび第２の金属の両方を含む微粒子を機械加工することによって、少なくとも部分的に、ナノ結晶微粒子を作製することを含む。
【００８７】
機械加工を使用する実施形態では、機械加工する任意の適当な方法を用いて、粉末を機械加工し、ナノ結晶微粒子を形成することができる。ある特定の実施形態によれば、ナノ結晶微粒子の少なくとも一部は、Ｔｉおよび第２の金属を含む粉末をボールミリングすることによって形成される。ボールミリングプロセスは、例えば、高エネルギーボールミリングプロセスであってもよい。非限定的な例示的ボールミリングプロセスでは、２：１〜５：１のボールと粉末の比で、ステアリン酸ミリング助剤（ｐｒｏｃｅｓｓ  ｃｏｎｔｒｏｌ  ａｇｅｎｔ）の含有量が０．０１ｗｔ％〜３ｗｔ％の炭化タングステンまたは鋼製のミリングバイアルを用いてもよい。一部の実施形態では、機械加工は、１ｗｔ％、２ｗｔ％、または３ｗｔ％の含有量のステアリン酸ミリング助剤の存在下で実施することができる。ある特定の他の実施形態によれば、機械加工は、ミリング助剤の非存在下で実施する。他のタイプの機械加工、例えばシェイカーミリングおよび遊星ミリングも用いることができるが、これらに限定されない。一部の実施形態では、機械加工（例えば、ボールミリングまたは別のプロセスを介したもの）は、過飽和相を含むナノ結晶微粒子を生成するのに十分な条件下で実施することができる。過飽和相は、以下でより詳細に記載される。
【００８８】
ある特定の実施形態では、機械加工（例えば、ボールミリング）は、２時間より長いまたはそれと等しい（例えば、４時間より長いもしくはそれと等しい、６時間より長いもしくはそれと等しい、８時間より長いもしくはそれと等しい、１０時間より長いもしくはそれと等しい、１２時間より長いもしくはそれと等しい、１５時間より長いもしくはそれと等しい、２０時間より長いもしくはそれと等しい、２５時間より長いもしくはそれと等しい、３０時間より長いもしくはそれと等しい、または３５時間より長いもしくはそれと等しい）時間の間、実施することができる。一部の実施形態では、機械加工（例えば、ボールミリング）は、１時間〜３５時間（例えば、２時間〜３０時間、４時間〜２５時間、６時間〜２０時間、８時間〜１５時間、または１０時間〜１２時間）の時間の間、実施することができる。一部の場合では、機械加工時間が長すぎる場合、Ｔｉおよび／または第２の金属が、機械加工を実施するために使用される材料（例えば、ミリングバイアル材料）によって汚染されうる。Ｔｉ中に溶解する第２の金属の量は、一部の場合では、機械加工（例えば、ミリング）時間が長くなるにつれて増加しうる。一部の実施形態では、機械加工ステップ（例えば、ボールミリングステップ）後、第２の金属の材料に富んだ相が存在しうる。
【００８９】
ある特定の実施形態によれば、Ｔｉおよび第２の金属は、非平衡相中の微粒子中に存在する。微粒子は、ある特定の実施形態によれば、第２の金属がＴｉ中に溶解した非平衡相を含む。一部の実施形態では、非平衡相は、固溶体を含む。一部の実施形態によれば、非平衡相は、Ｔｉ中に溶解した第２の金属を含む過飽和相であってもよい。「過飽和相」は、本明細書で使用される場合、材料が、溶解限度を超える量で、別の材料中に溶解している相を指す。過飽和相は、一部の実施形態では、Ｔｉ中に強制的に溶解させた活化元素および／または安定化元素を、別法でＴｉの平衡相中に溶解されうる活化元素および／または安定化元素の量を超える量で含むことができる。例えば、一組の実施形態では、過飽和相は、平衡Ｔｉ相中に別法で溶解されうる活化元素の量を超える量でＴｉ中に強制的に溶解させた活化元素を含む相である。
【００９０】
一部の実施形態では、過飽和相は、機械加工（例えば、ボールミリング）プロセス後に存在する唯一の相であってもよい。ある特定の実施形態では、第２の金属に富んだ第２の相は、機械加工（例えば、ボールミリング）プロセス後に存在してもよい。例えば、一部の場合では、活化元素に富んだ第２の相は、機械加工（例えば、ボールミリング）後に存在してもよい。
【００９１】
ある特定の実施形態によれば、非平衡相は、ナノ結晶微粒子の焼結（この焼結については、以下でより詳細に説明する）中に分解を経ることがある。ナノ結晶微粒子を焼結することは、ナノ結晶微粒子の表面および粒界の少なくとも１つで、第２の金属に富んだ相の形成をもたらしうる。一部のこのような実施形態では、Ｔｉは、第２の金属に富んだ相に溶解性である。第２の金属に富んだ相の形成は、焼結中の非平衡相の分解の結果でありうる。第２の金属に富んだ相は、ある特定の実施形態によれば、Ｔｉの高速拡散経路として作用することができ、焼結動態を強化し、ナノ結晶微粒子の焼結の速度を加速する。一部の実施形態によれば、ナノ結晶微粒子の焼結中の非平衡相の分解は、ナノ結晶微粒子の焼結の速度を加速する。
【００９２】
必ずしも全てではないが、ある特定の実施形態は、焼結前の時間の少なくとも一部分の間、複数のナノ結晶微粒子を冷圧することを含む。ある特定の実施形態によれば、Ｔｉおよび第２の金属（例えば、ＴｉおよびＭｇ）を含む金属合金は、同時に加熱する必要なく、高い相対密度を達成するように圧縮することができることが見出されている。一部の実施形態では、冷圧は、３００ＭＰａより大きいもしくはそれと等しい、４００ＭＰａより大きいもしくはそれと等しい、５００ＭＰａより大きいもしくはそれと等しい、７５０ＭＰａより大きいもしくはそれと等しい、１０００ＭＰａより大きいもしくはそれと等しい、１５００ＭＰａより大きいもしくはそれと等しい、２０００ＭＰａより大きいもしくはそれと等しい、またはそれより大きい力で複数のナノ結晶微粒子を圧縮することを含む。一部の実施形態では、冷間圧縮は、最大２５００ＭＰａまたはそれより大きい力で複数のナノ結晶微粒子を圧縮することを含む。これらの範囲の組合せも可能である（例えば、３００ＭＰａより大きいまたはそれと等しく、かつ２５００ＭＰａより小さいまたはそれと等しい）。他の範囲も可能である。
【００９３】
ある特定の実施形態によれば、冷間圧縮は、相対的に低い温度で実施される。例えば、一部の実施形態では、微粒子が１５０℃より低いもしくはそれと等しい、１００℃より低いもしくはそれと等しい、７５℃より低いもしくはそれと等しい、５０℃より低いもしくはそれと等しい、４０℃より低いもしくはそれと等しい、３５℃より低いもしくはそれと等しい、３０℃より低いもしくはそれと等しい、２５℃より低いもしくはそれと等しい、または２０℃より低いもしくはそれと等しい温度である間に冷間圧縮を実施する。一部の実施形態では、周辺の周囲環境の温度で冷間圧縮を実施する。
【００９４】
上述したように、ある特定の実施形態は、複数のナノ結晶微粒子を焼結することであってナノ結晶金属合金を形成することを含む。当業者は、材料が単一固体塊になるように、焼結する材料（例えば、微粒子）に熱を加えることを含む焼結プロセスを熟知している。
【００９５】
図１Ａ〜１Ｃは、ある特定の実施形態による焼結プロセスを示す例示的概略図である。図１Ａでは、球形の形態の複数の微粒子１００を示す（しかし、別の箇所に述べたように、他の形状を使用することもできる）。図１Ｂに示すように、微粒子１００は、互いに接触するように配列することができる。図１Ｃに示すように、微粒子を加熱すると、凝集して単一固形物１１０を形成する。焼結プロセス中、ある特定の実施形態によれば、微粒子１００間の間隙１０５（図１Ｂに示す）を大幅に減少させるまたは排除することができ、その結果、高い相対密度を有する固体が形成される（図１Ｃに示す）。
【００９６】
ある特定の実施形態によれば、高い相対密度、小さい粒径、および／または等軸粒を有する金属合金を形成する能力を維持しながら、金属微粒子が相対的に低い温度のとき、かつ／または相対的に短期間の間、焼結を実施することができる。
【００９７】
ある特定の実施形態によれば、複数のナノ結晶微粒子を焼結することは、ナノ結晶微粒子を、１２００℃より低いもしくはそれと等しい、１１００℃より低いもしくはそれと等しい、１０００℃より低いもしくはそれと等しい、９００℃より低いもしくはそれと等しい、８５０℃より低いもしくはそれと等しい、８００℃より低いもしくはそれと等しい、７５０℃より低いもしくはそれと等しい、７００℃より低いもしくはそれと等しい、６５０℃より低いもしくはそれと等しい、６００℃より低いもしくはそれと等しい、５５０℃より低いもしくはそれと等しい、５００℃より低いもしくはそれと等しい、４５０℃より低いもしくはそれと等しい、または４００℃より低いもしくはそれと等しい焼結温度に加熱することを含む。ある特定の実施形態によれば、複数のナノ結晶微粒子を焼結することは、ナノ結晶微粒子を、３００℃より高いもしくはそれと等しい、３５０℃より高いもしくはそれと等しい、４００℃より高いもしくはそれと等しい、５００℃より高いもしくはそれと等しい、６００℃より高いもしくはそれと等しい、７００℃より高いもしくはそれと等しい、または９００℃より高いもしくはそれと等しい焼結温度に加熱することを含む。これらの範囲の組合せも可能である。例えば、一部の実施形態では、複数のナノ結晶微粒子を焼結することは、ナノ結晶微粒子を、３００℃より高いまたはそれと等しく、かつ８５０℃より低いまたはそれと等しい焼結温度に加熱することを含む。一部の実施形態では、複数のナノ結晶微粒子を焼結することは、ナノ結晶微粒子を、３００℃より高いまたはそれと等しく、かつ４５０℃より低いまたはそれと等しい焼結温度に加熱することを含む。一部の実施形態では、焼結材料の温度は、焼結時間の少なくとも１０％、少なくとも２５％、少なくとも５０％、少なくとも７５％、少なくとも９０％、または少なくとも９９％の間でこれらの範囲内である。
【００９８】
ある特定の実施形態によれば、複数のナノ結晶微粒子を焼結することは、７２時間未満、４８時間未満、２４時間未満もしくはそれと等しい、１２時間未満もしくはそれと等しい、６時間未満もしくはそれと等しい、４時間未満もしくはそれと等しい、３時間未満もしくはそれと等しい、２時間未満もしくはそれと等しい、または１時間未満もしくはそれと等しい時間の間（および／または、一部の実施形態では、少なくとも１０分間、少なくとも２０分間、少なくとも３０分間、または少なくとも５０分間）、ナノ結晶微粒子を焼結温度の範囲内で維持することを含む。これらの範囲の組合せも可能である。例えば、一部の実施形態では、複数のナノ結晶微粒子を焼結することは、１０分より長いまたはそれと等しく、かつ２４時間未満またはそれと等しい焼結継続時間の間、ナノ結晶微粒子を、３００℃より高いまたはそれと等しく、かつ８５０℃未満またはそれと等しい第１の焼結温度に加熱することを含む。一部の実施形態では、焼結することは、２０分より長いまたはそれと等しく、かつ３時間未満またはそれと等しい継続時間の間、ナノ結晶微粒子を、３００℃より高いまたはそれと等しく、かつ８５０℃未満またはそれと等しい温度に加熱することを含む。一部の実施形態では、焼結することは、５０分より長いまたはそれと等しく、かつ２時間未満またはそれと等しい継続時間の間、ナノ結晶微粒子を、３００℃より高いまたはそれと等しく、かつ４５０℃未満またはそれと等しい温度に加熱することを含む。ある特定の実施形態では、焼結することは、１０分より長いまたはそれと等しく、かつ２時間未満またはそれと等しい継続時間の間、ナノ結晶微粒子を、３００℃より高いまたはそれと等しく、かつ８５０℃未満またはそれと等しい温度に加熱することを含む。
【００９９】
ある特定の実施形態によれば、焼結ステップ中、ナノ結晶微粒子は、短期間の間のみ、非常に高温にある（または全くない）。一部の実施形態では、２４時間より長い、１２時間より長い、６時間より長い、２時間より長い、１時間より長い、３０分より長い、１０分より長い、１分より長い、１０秒より長い、またはそれ未満の間、ナノ結晶微粒子が１２００℃より高いもしくはそれと等しい（または１１００℃より高いもしくはそれと等しい、１０００℃より高いもしくはそれと等しい、９００℃より高いもしくはそれと等しい、８００℃より高いもしくはそれと等しい、７００℃より高いもしくはそれと等しい、６００℃より高いもしくはそれと等しい、５００℃より高いもしくはそれと等しい、４００℃より高いもしくはそれと等しい、または３００℃より高いもしくはそれと等しい）温度にないように、焼結を実施する。一部の実施形態では、ナノ結晶微粒子が１２００℃の温度を超えない（または、１１００℃の温度を超えない、１０００℃の温度を超えない、９００℃の温度を超えない、８００℃の温度を超えない、７００℃の温度を超えない、６００℃の温度を超えない、または５００℃の温度を超えない）ように、焼結を実施する。
【０１００】
ある特定の実施形態によれば、焼結することは、第２の金属の非存在下でＴｉを焼結するために必要な第２の焼結温度より低い第１の焼結温度にナノ結晶微粒子を加熱することを含む。このような条件が満たされるかを決定するために、当業者は、Ｔｉおよび第２の金属を含有する試料における焼結を達成するために必要な温度を、Ｔｉを含有して第２の金属は含まないが、それ以外はＴｉおよび第２の金属を含有する試料と同一の試料における焼結を達成するために必要な温度と比較しうる。一部の実施形態では、第１の焼結温度は、第２の焼結温度より少なくとも２５℃、少なくとも５０℃、少なくとも１００℃、または少なくとも２００℃低くてもよい。
【０１０１】
ある特定の実施形態によれば、ナノ結晶微粒子中に存在する非平衡相（例えば、上または本明細書中の他の箇所に記載の非平衡相のいずれか）は、焼結中に分解を経る。一部のこのような実施形態では、非平衡相の分解は、ナノ結晶微粒子の焼結速度を加速する。
【０１０２】
一部の実施形態では、焼結することは、焼結中にナノ結晶微粒子の表面および粒界の少なくとも１つで第２の相を形成することをさらに含む。一部のこのような実施形態では、Ｔｉは第２の相に不溶性である。一部のこのような実施形態では、第２の相は、第２の金属に富んでいる。相中の元素の含有量に対して、用語「富む」は、少なくとも５０ａｔ．％（例えば、少なくとも６０ａｔ．％、少なくとも７０ａｔ．％、少なくとも８０ａｔ．％、少なくとも９０ａｔ．％、少なくとも９９ａｔ．％、またはそれより高い）相中の元素の含有量を指す。用語「相」は、一般的には、物質の状態を指すために本明細書で使用される。例えば、相は、相図に示す相を指すことができる。
【０１０３】
ある特定の実施形態によれば、焼結中、Ｔｉはそれ自体で第１の拡散率、および第２の金属に富んだ第２の相中に第２の拡散率を有し、第１の拡散率は、第２の拡散率より大きい（例えば、少なくとも１％、少なくとも５％、少なくとも１０％、少なくとも２５％、少なくとも５０％、または少なくとも１００％大きい）。
【０１０４】
焼結は、さまざまな好適な環境で実施することができる。ある特定の実施形態では、ナノ結晶微粒子は、焼結プロセス中、不活性雰囲気中にある。不活性雰囲気の使用は、例えば、反応性金属がナノ結晶微粒子中に用いられるとき、有用でありうる。例えば、ＴｉおよびＭｇは、酸素の存在下で互いに反応性である。
【０１０５】
一部の実施形態では、焼結は、少なくとも９０ｖｏｌ．％、少なくとも９５ｖｏｌ．％、少なくとも９９ｖｏｌ．％、または実質的に全ての雰囲気が不活性ガスで構成される雰囲気で実施される。不活性ガスは、例えば、ヘリウム、アルゴン、キセノン、ネオン、クリプトン、これらの２つもしくはそれより多くの組合せ、または他の不活性ガスであってもよい、あるいはこれらを含んでもよい。
【０１０６】
ある特定の実施形態では、酸素捕捉剤（例えば、ゲッター）は、焼結環境中に含まれうる。酸素捕捉剤の使用は、焼結プロセス中に金属が酸化される度合いを低減することができ、これは、ある特定の実施形態によれば有利でありうる。一部の実施形態では、酸素が１ｖｏｌ．％未満、０．１ｖｏｌ．％未満、１００百万分率（ｐｐｍ）未満、１０ｐｐｍ未満、または１ｐｐｍ未満の量で存在するように、焼結環境を制御することができる。
【０１０７】
ある特定の実施形態によれば、焼結は、本質的に外部負荷応力なしで実施される。例えば、一部の実施形態では、焼結を実施する時間の少なくとも２０％、少なくとも５０％、少なくとも７５％、少なくとも９０％、または少なくとも９８％の間、ナノ結晶微粒子に加えられる最大外圧は、２ＭＰａより小さいもしくはそれと等しい、１ＭＰａより小さいもしくはそれと等しい、０．５ＭＰａより小さいもしくはそれと等しい、または０．１ＭＰａより小さいもしくはそれと等しい。ナノ結晶微粒子に加えられる最大外圧は、ナノ結晶微粒子に外部の力を印加した結果として加えられる最大圧力を指し、重力によって生じる圧力およびナノ結晶微粒子とナノ結晶微粒子が焼結プロセス中に位置する表面との間で起こる圧力は除外する。本明細書に記載の焼結プロセスのある特定のものは、焼結プロセス中に加えられる外圧の非存在下、または実質的に非存在下でも、相対的に高度に緻密な焼結された超微細なナノ結晶材料の生成を可能にすることができる。ある特定の実施形態によれば、焼結は、常圧焼結プロセスであってもよい。
【０１０８】
ある特定の実施形態によれば、焼結プロセス中、少なくとも１つの活化元素が存在しうる。活化元素は、Ｔｉの焼結動態を強化することができる。ある特定の実施形態によれば、活化元素は、Ｔｉ原子の高拡散経路をもたらしうる。例えば、一部の実施形態では、活化元素の原子は、Ｔｉ原子を囲んで、Ｔｉ原子の相対的に高度な輸送拡散経路をもたらし、それによってＴｉの拡散の活性化エネルギーを減少させうる。一部の実施形態では、この技術は、活性化焼結と呼ばれる。活化元素は、一部の実施形態では、ナノ結晶微粒子を焼結するために必要な温度を、活化元素の非存在下だが、それ以外は同一の条件下のナノ結晶微粒子を焼結するために必要でありうる温度に対して、低下させることができる。したがって、焼結することは、ある特定の実施形態によれば、第１の焼結温度を含み、第１の焼結温度は、第２の金属の非存在下でＴｉを焼結するために必要な第２の焼結温度より低くてもよい。第２の金属の非存在下でＴｉを焼結するために必要な焼結温度を決定するために、第２の金属を含有しないが、それ以外はナノ結晶微粒子材料と同一であるＴｉ材料の試料を調製しうる。次いで、第２の金属を含まない試料を焼結するために必要な最低温度を決定しうる。一部の実施形態では、第２の金属の存在は、焼結温度を少なくとも２５℃、少なくとも５０℃、少なくとも１００℃、少なくとも２００℃、またはそれよりも多く低下させる。
【０１０９】
ある特定の実施形態によれば、少なくとも１つの安定化元素が、焼結プロセス中に存在しうる。安定化元素は、安定化元素の非存在下だが、それ以外は同一の条件下で起こりうる量に対して、起こる粒成長の量を減少させることができる任意の元素であってもよい。一部の実施形態では、安定化元素は、焼結材料の粒界エネルギーを低減することによって、および／または粒成長の推進力を低減することによって、粒成長を低減する。安定化元素は、ある特定の実施形態によれば、焼結材料との正の混合熱を示しうる。安定化元素は、粒界中の偏析によってナノ結晶Ｔｉを安定化することができる。この偏析は、粒界エネルギーを低減することができ、かつ／または合金中の粒成長に対する推進力を低減することができる。
【０１１０】
一部の実施形態では、安定化元素は、活化元素でもありうる。安定化および活化元素の両方としての単一元素の使用は、ある特定の実施形態によれば、活性化剤と安定化剤との間の相互作用を考慮する必要をなくす付加利益を有する。一部の実施形態では、活化元素および安定化元素の両方として利用することができる元素は、金属元素であってもよく、これは、前述の金属元素のいずれかであってもよい。
【０１１１】
ある特定の実施形態によれば、１つの元素が、安定化剤および活性化剤の両方として作用することができない場合、２つの元素を用いてもよい。２つの元素間の相互作用は、一部の実施形態によれば、活性化剤および安定化剤の役割を適正に果たすことを確保するように説明される。例えば、活性化剤および安定化剤が金属間化合物を形成する場合、元素の各々は、一部の場合では、それらの指定された役割を果たすことを妨げられることがある。結果として、予想される焼結温度で金属間化合物を形成する能力を有する活性化剤および安定化剤の組合せは、少なくとも一部の例では、避けるべきである。２つの元素間の金属間化合物の形成の可能性は、相図により分析することができる。
【０１１２】
一組の実施形態によれば、チタン粉末およびマグネシウム粉末（例えば、１０、２０、または３０ａｔ．％のＭｇおよび残りはチタン）を、ボールミリング、冷間圧縮、および後続のアニーリング（例えば、数時間、熱機械分析計中）によって機械的に合金にすることができる。一部の実施形態では、Ｔｉ−Ｍｇ合金系は、ナノデュープレックス構造の形成によってナノ結晶粒径の安定化を示す。
【０１１３】
ある特定の実施形態によれば、元素ＴｉおよびＭｇの粉末を混合し、粉砕して、過飽和および粒径のナノメートルスケールへの縮小を達成する。一部の実施形態では、圧縮粉末のアニーリングは、Ｔｉ富化粒およびＭｇ富化析出物からなるナノデュープレックス構造の発達をもたらす。一部の実施形態では、５００℃（Ｍｇでは融解温度の８４％であり、Ｔｉでは３０％である）で８時間後でも粒径がおよそ１１０ｎｍのナノ結晶構造を維持することができる。一部の実施形態では、Ｔｉ−２０ａｔ．％ＭｇおよびＴｉ−３０ａｔ．％Ｍｇで高い相対密度を達成することができる。これは、加速された高密度化が可能であることを示すことができると考えられる。
【０１１４】
「Ｓｔａｂｌｅ  Ｎａｎｏ−Ｄｕｐｌｅｘ  Ｔｉｔａｎｉｕｍ−Ｍａｇｎｅｓｉｕｍ  Ａｌｌｏｙｓ」と題する、２０１６年９月７日出願の米国仮特許出願第６２／３８４，２３２号は、あらゆる目的のために参照によりその全内容が本明細書に組み込まれる。
【０１１５】
以下の実施例は、本発明のある特定の実施形態を例示するためのものであり、本発明の全範囲を例証するものではない。
【実施例】
【０１１６】
本実施例は、低温により焼結方法を加速した処理が、いかにして、熱安定性および高い相対密度を有するナノ結晶チタン−マグネシウム（Ｔｉ−Ｍｇ）合金を生成するために適用できたかを実証する。
【０１１７】
種々のマグネシウム粉末（１０、２０、および３０ａｔ．％Ｍｇ）を添加したチタン粉末を、ステンレス鋼バイアルおよびステンレス鋼媒体中で高エネルギーボールミリングによって機械的に合金した。このプロセスにより、およそ１５時間のミリング時間の後、微結晶粒子およびナノ結晶粒のサイズの過飽和粉末を生成した。次いで、粉末を冷間圧縮し、続いて純アルゴン雰囲気下で焼結した。粉砕した粉末の微細構造は、およそ１０〜２０ｎｍのサイズを有する過飽和チタン粒からなっていた。６００℃に焼結（本明細書中「アニーリング」とも呼ばれる）した後、粒径はおよそ１００ｎｍに増加し、チタン富化およびマグネシウム富化の粒に分離した。延長した焼結時間の後でも、構造は安定なままであった。
【０１１８】
加速されたナノ結晶合金の焼結（常圧）を実施した。過飽和粉末の生成は、高エネルギーボールミリングによって実現した。焼結は、析出および溶媒上の溶質のネック形成を含んだと考えられる。ネックの効果は、過剰空格子点による高速溶質拡散および溶質中の溶媒の溶解度によるネック中の溶媒の拡散が関与し得、結果として高密度化が強化された。
【０１１９】
図２は、偏析エンタルピーΔＨｓｅｇ（ｋＪ／ｍｏｌ）およびさまざまな金属のチタンとの混合エンタルピーΔＨｍｉｘ（ｋＪ／ｍｏｌ）を示す。マグネシウム（アルカリ土類金属）は、スカンジウム（Ｓｃ）およびイットリウム（Ｙ）（遷移金属）、トリウム（Ｔｈ）（アクチニド）、ランタン（Ｌａ）（ランタニド）、クロム（Ｃｒ）、銀（Ａｇ）、鉄（Ｆｅ）、マンガン（Ｍｎ）、銅（Ｃｕ）、ならびにリチウム（Ｌｉ）と共にチタンとの合金に良好な候補であると決定した。これは、正の混合エンタルピーが相分離をもたらし、正の偏析エンタルピーが粒界偏析をもたらし、ナノ結晶構造を安定化したことに起因する。図２に示すように、Ｍｇは、溶媒富化および溶質富化相におけるナノ相分離のためのＴｉを有するナノデュープレックス領域中にある。Ｔｉ−Ｍｇ相図は、大きな溶解度ギャップ（図示せず）を示した。Ｍｇの融解点は６５０℃であり、Ｔｉの融解温度１６６８℃よりかなり低い。
【０１２０】
図３は、５グラムのＴｉ−Ｍｇ混合物と１ｗｔ％のステアリン酸を使用して、０時間、２時間、４時間、８時間、１２時間、１６時間、および２０時間、毎分１０００サイクルで高エネルギーボールミリングによって処理したチタンおよび２０ａｔ．％のマグネシウム（Ｔｉ−２０ａｔ．％Ｍｇ）を含有していたナノ結晶粉末試料の一連のＸ線回折（ＸＲＤ）スペクトルを示す。Ｔｉピークはより低い角度に移動し、Ｍｇピークは消失し、ミリング中、粉末のＴｉ中のＭｇが過飽和であることを実証した。チタン中でマグネシウムが溶解した。０〜２０時間のミリング後のＸＲＤパターンは、ミリング中のＴｉ−２０ａｔ．％Ｍｇ粉末の過飽和および粒径の縮小（より低い角度へのピークシフトおよびピークの広がり）を実証した。図４は、１６時間のミリングの後の粒径２０ｎｍ未満の明確な縮小および全混合物の格子定数ｃおよびａの増加を示す。加えて、図４は、過飽和相が形成されたことを実証する。
【０１２１】
Ｔｉ−ｘＭｇの処理は、ｘ＝１０ａｔ．％、２０ａｔ．％、および３０ａｔ．％で行った。混合元素粉末Ｔｉ−ｘＭｇ（ｘ＝１０ａｔ．％、２０ａｔ．％、３０ａｔ．％）の高エネルギーボールミリングを実施して、過飽和粉末を生成した。
【０１２２】
図４は、５グラムのＴｉ−Ｍｇ混合物と１ｗｔ％のステアリン酸を使用して０時間、２時間、４時間、８時間、１２時間、１６時間、および２０時間、毎分１０００サイクルで高エネルギーボールミリングすることによって作製され、Ｘ線回折（ＸＲＤ）および透過電子顕微鏡法（ＴＥＭ）で測定された、チタンならびに１０ａｔ．％Ｍｇ、２０ａｔ．％Ｍｇ、および３０ａｔ．％Ｍｇを含有していたナノ結晶粉末の粒径のプロットを示す。ミリング製法：鋼バイアルおよび媒体、ボール：粉末の比１０：１、１重量パーセント（ｗｔ％）のステアリン酸、ミリング時間、例えば２０時間を使用。図４で見られるように、ミリング時間が長くなるにつれて、粒径は激減した。
【０１２３】
図５は、５グラムのＴｉ−Ｍｇ混合物と１ｗｔ％のステアリン酸を使用して２０時間、毎分１０００サイクルで高エネルギーボールミリングすることによって作製された、チタンならびに１０ａｔ．％Ｍｇ、２０ａｔ．％Ｍｇ、および３０ａｔ．％Ｍｇを含有していたナノ結晶粉末の一連のＴＥＭ画像および対応する電子回折パターンを示す。図４に示すように、これらの粉末の平均粒径は、画像解析によって測定した場合、１０ａｔ．％Ｍｇで１８ｎｍ、２０ａｔ．％Ｍｇで１５ｎｍ、および３０ａｔ．％Ｍｇで１０ｎｍであった。図５の全ＴＥＭ画像のスケールバーは３０ｎｍである。電子回折パターン中の連続するリングは、一般に、ナノ結晶試料の特徴である。
【０１２４】
図６は、上述の高エネルギーボールミリング後のＴｉ−２０ａｔ．％ＭｇのＴＥＭからの電子回折パターンを示し、ミラーブラヴェ指数（１０−１０）、（０００２）、（１０−１１）、（１０−１２）、および（１０−２０）の過飽和チタンの回折リング（六方最密結晶構造に対応する）を、強調のためにパターンに重ね合わせた。表１は、ｄが原子面間の距離であり、ｄ計算値がブラッグの式を使用した格子定数で計算され、ｄ測定値が回折パターン中で測定されたことを示す。
【０１２５】
【表１】
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【０１２６】
圧縮試料を、機器の標準パラメーターを使用して、熱機械分析計（Ｎｅｔｚｓｃｈ）中で焼結した。冷間圧縮試料（ｈ＝４ｍｍ、ｄ＝６ｍｍ）の焼結を熱機械分析計中で行い、例えば５００℃で等温で８時間保持して、ナノ結晶構造の安定性を決定し、例えば５Ｋ／分の一定加熱速度で例えば５５０℃に上げて焼結挙動を探査した。先ず、粉末の冷間圧縮を種々の負荷（１ｔ〜６ｔ）で実施し、ｔからＭＰａへの変換を表２に表示する。
【０１２７】
【表２】
2019532179.tif 000007
【０１２８】
代表的な試料サイズは、約４ｍｍの高さおよび約６ｍｍの直径を有していた。試料をタンタル（Ｔａ）箔（図７Ａ）または銅（Ｃｕ）管（図７Ｂ）で覆った。等温条件下および一定加熱速度で焼結を実施した。等温条件は、４００℃〜６００℃（例えば５００℃）で８時間であった。一定加熱速度条件は、最大温度５５０℃〜７００℃までの５Ｋ／分〜２０Ｋ／分（例えば５Ｋ／分）の加熱速度であった。
【０１２９】
図８は、Ｔｉと２０ａｔ．％Ｍｇのナノ結晶合金の相対密度（％）に対する冷間圧縮中の印加負荷（ｔ単位）の効果を実証している。未加工体は室温でプレスのみ行い、焼結試料は、ランプ速度５Ｋ／分を使用して６００℃に焼結した。先ず、粉末を、５グラムのＴｉ−Ｍｇ混合物と１ｗｔ％のステアリン酸を使用して、毎分１０００サイクルで２０時間、高エネルギーボールミリングした。試料の寸法を使用して相対密度を測定し、次いで試料の理論密度を使用して計算した。図８が実証するように、８０％より高い相対密度への圧密が未加工体で、９５％より高い相対密度への圧密が焼結試料で達成された。
【０１３０】
表３は、チタンおよびマグネシウム単独の融解温度（Ｔｍ）、ＴｉおよびＭｇの融解温度の半分（半融解温度は、ケルビンへの第１の変換によって計算した）（０．５・Ｔｍ）、チタンおよびマグネシウムの融解温度に対する室温（ケルビンへの第１の変換によって計算した）（ＲＴ）を示す。表３は、通常の焼結と比べて、この実施例で使用した焼結温度は非常に低いことを示す。
【０１３１】
【表３】
2019532179.tif 000008
【０１３２】
図９は、種々の組成のＴｉ−Ｍｇ合金についての、５５０℃〜６００℃で焼結した試料の相対密度（％）のｉｎ  ｓｉｔｕ進行を示す。合金の最終相対密度は、組成、Ｔｉ−Ｍｇ粉末の冷間圧縮中の圧密圧力、および焼結温度に少なくとも部分的に依存していた。曲線の偏差は、試料を包んでいたＴａ箔が剛性であったことが原因でありうる。
【０１３３】
Ｔｉ−Ｍｇ合金についての焼結後の微細構造は、走査型透過電子顕微鏡−エネルギー分散型Ｘ線分光法（ＳＴＥＭ−ＥＤＳ）によって分析した。図１０Ａ〜１０Ｃは、５００℃で８時間焼結した後のＴｉ−２０ａｔ．％Ｍｇ合金のＳＴＥＭ−ＥＤＳを示す（スケールバー６００ｎｍ）。ＴｉのＥＤＳマップ（図１０Ｂ）は、チタンが、主に、ＳＴＥＭ画像（図１０Ａ）の薄灰色の連続領域内に集中していたことを示す。ＭｇのＥＤＳマップ（図１０Ｃ）は、マグネシウムが、主に、ＳＴＥＭ画像（図１０Ａ）の黒色の単離領域内に集中していたことを示す。
【０１３４】
図１１は、焼結前（点線）および焼結後（実線）のＸＲＤパターンの比較を示す。Ｔｉピークは、純Ｔｉの方向に戻ってシフトし狭くなっていた。小さいＭｇピークは焼結後に出現し、Ｍｇ富化相の出現と一致し、一部の粒成長がＳＴＥＭ結果に示された。
【０１３５】
図１２、１３、および１０Ａは、純Ａｒ雰囲気下、５００℃で８時間焼結した後の種々のＴｉ−Ｍｇ合金組成のＳＴＥＭ画像ならびにＴｉ−２０ａｔ．％ＭｇについてのＴｉおよびＭｇ分布のＳＴＥＭ−ＥＤＳ画像を示す。図１２（Ｔｉ−１０ａｔ．％Ｍｇ、ｄ＝１１９ｎｍ、スケールバー＝３００ｎｍ）、図１３（Ｔｉ−３０ａｔ．％Ｍｇ、ｄ＝１２６ｎｍ、スケールバー＝３００ｎｍ）、および図１０Ａ（Ｔｉ−２０ａｔ．％Ｍｇ、ｄ＝１０７ｎｍ、スケールバー＝３００ｎｍ）はＳＴＥＭ画像であり、図１０Ｂおよび１０ＣはＴｉ−２０ａｔ．％ＭｇのＳＴＥＭ−ＥＤＳ画像である。粒径は、平均１１０ｎｍで安定化し、３つの試料の粒構造は全て、ＳＴＥＭ−ＥＤＳ画像中の元素分布によって示される、Ｔｉ富化粒およびＭｇ富化析出物を含む、十分発達したナノデュープレックス構造を示した。
【０１３６】
表４は、Ｔｉ−１０ａｔ．％Ｍｇ、Ｔｉ−２０ａｔ．％Ｍｇ、およびＴｉ−３０ａｔ．％Ｍｇ合金についての焼結後の粒径を示す。加えて、表４は、冷間圧縮粉末と結果として得られた焼結合金との間の相対密度の変化を示す。粒径は、ＴＥＭおよびＸＲＤによって決定した。図９は、種々のＴｉ−Ｍｇ合金について一定の加熱速度５Ｋ／分で５５０℃に焼結する間の相対密度の変化を示す。明確な高密度化が、Ｔｉ−２０ａｔ．％ＭｇおよびＴｉ−３０ａｔ．％Ｍｇで３５０℃より高い温度で生じた。冷間圧縮は、予想より高い相対密度をもたらした。焼結後に９０％より高い相対密度が達成された。
【０１３７】
【表４】
2019532179.tif 000009
【０１３８】
本発明のいくつかの実施形態を本明細書において記載し説明してきたが、当業者は、機能を実行し、かつ／または結果および／もしくは本明細書に記載の１つもしくは複数の利点を得るための、さまざまな他の手段および／または構造を容易に思い描き、このような変形および／または修正の各々は、本発明の範囲内とみなされる。より一般的には、当業者は、本明細書に記載の全てのパラメーター、寸法、材料、および構成が例示的なものであることを意味し、実際のパラメーター、寸法、材料、および／または構成は、本発明の教示が使用される具体的な用途（単数または複数）によって決まることを容易に理解するであろう。当業者は、本明細書に記載した本発明の具体的な実施形態に対する多くの同等物を認識し、または常例の実験だけを使用して確かめることができる。したがって、前述の実施形態は、例としてのみ提示され、添付の特許請求の範囲およびその同等物の範囲内であると理解され、本発明は、具体的に記載され、特許請求された内容とは別に実践することができる。本発明は、本明細書に記載の個々の特色、システム、物品、材料、および／または方法を対象とする。加えて、このような特色、システム、物品、材料、および／または方法の２つまたはそれより多くの任意の組合せが、かかる特色、システム、物品、材料、および／または方法が互いに矛盾しなければ、本発明の範囲内に含まれる。
本明細書中および特許請求の範囲中で使用される不定冠詞「ａ」および「ａｎ」は、別段それとは明確な反対の指示がない限り、「少なくとも１つ」を意味すると理解すべきである。
【０１３９】
本明細書中および特許請求の範囲中で使用される語句「および／または」は、結合された要素、すなわち、一部の場合では結合されて存在し、他の場合では分離して存在する要素の「いずれかまたは両方」を意味すると理解すべきである。「および／または」の節によって具体的に識別されている要素とは別に、これらの具体的に識別された要素と関連しているか関連していないかにかかわらず、別段それとは明確な反対の指示がない限り、その他の要素が任意選択で存在していてもよい。したがって、非限定的な例として、「Ａおよび／またはＢ」への言及は、「含む」などのオープンエンドの言語と併せて使用する場合、一実施形態では、Ｂを含まないＡ（任意選択でＢ以外の要素を含む）、別の実施形態では、Ａを含まないＢ（任意選択でＡ以外の要素を含む）、さらに別の実施形態では、ＡおよびＢの両方（任意選択で他の要素を含む）などを指すことができる。
【０１４０】
本明細書中および特許請求の範囲中で使用する場合、「または」は、上記の「および／または」と同じ意味を有すると理解すべきである。例えば、一覧の中の別々の項目「または」あるいは「および／または」は、包括的である、すなわち、要素の数または一覧のうち少なくとも１つを含むが、１つよりも多くも含み、任意選択で列挙されていない追加の項目も含むと解釈するものとする。それとは明確に反対を指示する唯一の用語、例えば「の１つだけ」もしくは「のちょうど１つ」、または特許請求の範囲中で使用する場合、「からなる」は、要素の数または一覧のちょうど１つの要素を含むことを指す。一般的に、用語「または」は、本明細書で使用する場合、「いずれか」、「の１つ」、「の１つだけ」、または「のちょうど１つ」などの排他性の用語が前に付くとき、排他的な選択肢（すなわち、「一方または他方であるが両方ではない」）を示すとだけ解釈されるものとする。「から本質的になる」は、特許請求の範囲で使用する場合、特許法の分野で使用される通常の意味を有するものとする。
【０１４１】
本明細書中および特許請求の範囲中で使用する場合、語句「少なくとも１つ」は、１つまたは複数の要素の一覧に関して、要素の一覧にある任意の１つまたは複数の要素から選択される少なくとも１つの要素を意味するが、要素の一覧中に具体的に列挙されるそれぞれの要素の少なくとも１つを含む必要はなく、要素の一覧にある要素の任意の組合せを除外しないことを意味することを理解すべきである。この定義は、語句「少なくとも１つ」が指す要素の一覧の中で具体的に識別される要素以外にも、これらの具体的に識別される要素に関連するか関連していないかにかかわらず、要素が任意選択で存在できるようにする。したがって、非限定的な例として、「ＡおよびＢの少なくとも１つ」（または、同等に「ＡまたはＢの少なくとも１つ」、または、同等に「Ａおよび／またはＢの少なくとも１つ」）は、一実施形態では、少なくとも１つの（任意選択で１つより多くを含む）Ａであり、Ｂが存在しない（任意選択でＢ以外の要素を含む）ことを；別の実施形態では、少なくとも１つの（任意選択で１つより多くを含む）Ｂであり、Ａが存在しない（任意選択でＡ以外の要素を含む）ことを；さらに別の実施形態では、少なくとも１つの（任意選択で１つより多くを含む）Ａと少なくとも１つの（任意選択で１つより多くを含む）Ｂ（任意選択で他の要素を含む）などを指すことができる。
【０１４２】
特許請求の範囲および上記の明細書において、「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」、「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」、「担持する（ｃａｒｒｙｉｎｇ）」、「有する（ｈａｖｉｎｇ）」、「含有する（ｃｏｎｔａｉｎｉｎｇ）」、「含む（ｉｎｖｏｌｖｉｎｇ）」、「保持する（ｈｏｌｄｉｎｇ）」などの移行句は全て、オープンエンドであり、すなわち、非限定的に含むことを意味すると理解される。「からなる」および「から本質的になる」の移行句のみ、米国特許庁の特許審査基準、セクション２１１１．０３に記載のとおり、それぞれクローズまたは半クローズの移行句とする。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【国際調査報告】
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