Lee Kyung Won;Ban Jae Sam;Kim Sun Jin;Cho Kyu Zong
Journal of Mechanical Science and Technology
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제20권1호
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pp.13-18
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2006
Ti-8Ta-3Nb, as a new biomaterial, was prepared by cast and swaging process. Their deformation behavior of Ti-8Ta-3Nb alloy has been characterized on the basis of its flow stress variation obtained from the true strain rate compression testing in the temperature of $700-900^{\circ}C$ and strain rate of $0.001-10\;s^{-1}$. At the strain rates lower than $0.1\;s^{-1}$ and the all temperature ranges which consist of two phase ${\alpha}+{\beta}$ as well as single ${\beta}$ phase fields, the flow curves show a small degree of flow softening behavior. In contrast, the shapes of the flow curves at other strain rates indicate unstable behavior. The shapes of the flow curves were similar in both as-cast and swaged specimen as well as in both ${\alpha}+{\beta}$ phase and ${\beta}$ phase. The flow stress data did not obey the kinetic rate equation over the entire regime of testing but a good fit has been obtained in the intermediate range of temperatures ($750-850^{\circ}C$). In this range, a stress exponent value of about 7.7 in as-cast specimens and about 6.2 in swaged specimens with an apparent activation energy of about 300 kJ/mol and about 206 kJ/mol respectively have been evaluated.
The $\beta$ phase Ti-Nb-Sn-HA bio materials were successfully fabricated by high energy mechanical milling and pulse current activated sintering (PCAS). Ti-6Al-4V ELI alloy has been widely used as biomaterial. But the Al has been inducing Alzheimer disease and V is classified as toxic element. In this study, ultra fine sized Ti-Nb-Sn-HA powder was produced by high energy mechanical milling machine. The $\beta$ phase Ti-Nb-Sn-HA powders were obtained after 12hr milling from $\alpha$ phase. And ultra fine grain sized Ti-Nb-Sn-HA composites could be fabricated using PCAS without grain growth. After sintering, the microstructures and phase-transformation of Ti-Nb-Sn-HA biomaterials were analyzed by scanning electron microscope (SEM) and X-ray diffraction (XRD). The relative density was obtained by Archimedes principle and the hardness was measured by Vickers hardness tester. The $\beta$-Ti phase was obtained after 12h milling. As result of hardness and relative density, 12h milled Ti-Nb-Sn-HA composite has the highest values.
In the present work, a new hydrogen added argon heat treatment process that prevents the formation of hydrides and eliminates the dehydrogenation step, is developed. Dissolved hydrogen has a good effect on sintering properties such as oxidation resistance and density of greens. This process can also reduce costs and processing time. In the experiment, commercially available Ti-6Al-4V powders are used. The powders are annealed using tube furnace in an argon atmosphere at $700^{\circ}C$ and $900^{\circ}C$ for 120 min. Hydrogen was injected temporarily during argon annealing to dissolve hydrogen, and a dehydrogenation process was performed simultaneously under an argon-only atmosphere. Without hydride formation, hydrogen was dissolved in the Ti-6Al-4V powder by X-ray diffraction and gas analysis. Hydrogen is first solubilized on the beta phase and expanded the beta phases' cell volume. TGA analysis was carried out to evaluate the oxidation resistance, and it is confirmed that hydrogen-dissolved Ti-6Al-4V powders improves oxidation resistance more than raw materials.
The process design for large-scale ring rolling of Ti-6Al-4V alloy was performed by calculation method, processing map approach and FEM simulation. The ring rolling design includes geometry design and optimization of process variables. The calculation method was used to make geometry design such as initial billet and blank sizes, and final rolled ring shape. A commercial FEM code, SHAPE-RR was used to simulate the effect of process variables in ring rolling on the distribution of the internal state variables such as strain, strain rate and temperature. In order to predict the forming defects during ring rolling and the formation of over-heating above $\beta$-transus temperature due to deformation heating, the process-map approach based on Ziegler's instability criterion was used with FEM simulation. Finally, an optimum process design to obtain sound Ti-6Al-4V rings without forming defects was suggested through combined approach of Ziegler's instability map and FEM simulation results.
In this study, Ti-X (X=Mn, Fe, Mo) powder alloys were designed and manufactured by both powder metallurgy (PM) and metal powder injection molding (MIM) process to improve strength and formability compared to CP-Ti powder materials. It was found that the lamellar microstructure consisted of α and β phases was formed in PM-processed alloys. However, MIM-processed alloys showed not the lamellar microstucture but the equiaxed α + β microstructure. It was also revealed that the contents of X component and feedstock were not affected to microstructure evolution. The reason why different microstructure was appeared between PM-processed and MIM-processed alloys is not clear yet, but supposed to be the effect of intersticial elements such as C, H and N derived from feedstock during debinding process of MIM.
Additive manufacturing by electron beam melting is an affordable process for fabricating near net shaped parts of titanium and its alloys. 3D additive-manufactured parts have various kinds of voids, lack of fusion, etc., and they may affect crack initiation and propagation. Post process is necessary to eliminate or minimize these defects. Hot isostatic pressing (HIP) is the main method, which is expensive. The objective of this paper is to achieve an optimum and simple post heat treatment process without the HIP process. Various post heat treatments are conducted for the 3D-printed Ti-6Al-4V specimen below and above the beta transus temperature ($996^{\circ}C$). The as-fabricated EBM Ti-6Al-4V alloy has an ${\alpha}^{\prime}$-martensite structure and transforms into the ${\alpha}+{\beta}$ duplex phase during the post heat treatment. The fatigue strength of the as-fabricated specimen is 400 MPa. The post heat treatment at $1000^{\circ}C/30min/AC$ increases the fatigue strength to 420 MPa. By post heat treatment, the interior pore size and the pore volume fraction are reduced and this can increase the fatigue limit.
W-10 wt% Ti alloys that have a homogeneous microstructure are prepared by thermal decomposition of $WO_3-TiH_2$ powder mixtures and spark plasma sintering. The reduction and dehydrogenation behavior of $WO_3$ and $TiH_2$ are analyzed by temperature programmed reduction and a thermogravimetric method, respectively. The X-ray diffraction analysis of the powder mixture, heat-treated in an argon atmosphere, shows W- oxides and $TiO_2$ peaks. Conversely, the powder mixtures heated in a hydrogen atmosphere are composed of W, $WO_2$ and $TiO_2$ phases at $600^{\circ}C$ and W and W-rich ${\beta}$ phases at $800^{\circ}C$. The densified specimen by spark plasma sintering at $1500^{\circ}C$ in a vacuum using hydrogen-reduced $WO_3-TiH_2$ powder mixtures shows a Vickers hardness value of 4.6 GPa and a homogeneous microstructure with pure W, ${\beta}$ and Ti phases. The phase evolution dependent on the atmosphere and temperature is explained by the thermal decomposition and reaction behavior of $WO_3$ and $TiH_2$.
Hot-forging process and die design were made for a large-scale compressor wheel of Ti-6Al-4V alloy by using the results of 2-D FEM simulation. The design integrated the geometry-controlled approach and the processing contour map based on the dynamic materials model and the flow stability criteria. In order to obtain the processing contour map of Ti-6Al-4V alloy, compression tests were carried out in the temperature range of $915^{\circ}C$ to $1015^{\circ}C$ and the strain rate range of $10^{-3}s^{-1}$ to $10s^{-1}$. In the die design of the compressor wheel using the rigid-plastic FEM simulation, forging dimensional accuracy, the capacity of the forging machine and defect-free forging were considered as main design factors. The microstructure of hot forged wheel using the designed die showed a typical alpha-beta structure without forging-defects.
Plasma electrolytic oxidation of Ti-25Ta-xHf alloy in electrolyte containing Ca and P for dental implants was investigated using various experimental techniques. Ti-25Ta-xHf (x=0 and 15 wt.%) alloys were manufactured in an arc-melting vacuum furnace. Micropores were formed in PEO films on Ti-25Ta-xHf alloys in 0.15 M calcium acetate monohydrate + 0.02 M calcium glycerophosphate at 240 V, 270 V and 300 V for 3 min, respectively. The microstructure of Ti-25Ta-xHf alloys changed from (${\alpha}^{\prime}+{\alpha}^{{\prime}{\prime}}$) phase to (${\alpha}^{{\prime}{\prime}}+{\beta}$) phase by addition of Hf. As the applied potential increased, the number of pore and the area ratio of occupied by micro-pore decreased, whereas the pore size increased. The anatase phase increase as the applied potential increased. Also, the crystallite size of anatase-$TiO_2$ can be controlled by applied voltage.
Metastable β titanium alloys have been used in implants due to their high specific strength and excellent corrosion resistance. However, the high cost of β-stabilizing elements limits the application of metastable β titanium alloys. Consequently, research has been conducted on low-cost metastable β titanium alloys using relatively inexpenisve β-stabilizing elements such as Mo and Fe. This study analyzes the wear resistance of Ti-5Mo-xFe (x=2,4 wt%) alloys, designed and manufactured as low-cost metastable β titanium alloys. The wear mechanisms of Ti-5Mo-xFe alloys were identified through ball-on disk testing and observation of the worn surfaces. Additionally, the influence of Fe addition on the microstructure and the resulting changes in wear resistance were examined. The wear resistance of the Ti-5Mo-xFe alloys were evaluated in comparison to the Ti-6Al-4V ELI alloy.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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