The effects of Cr and Fe addition on the mechanical properties of Ti-6Al-4V alloys prepared by direct energy deposition were investigated. As the Cr and Fe concentrations were increased from 0 to 2 mass%, the tensile strength increased because of the fine-grained equiaxed prior ${\beta}$ phase and martensite. An excellent combination of strength and ductility was obtained in these alloys. When the Cr and Fe concentrations were increased to 4 mass%, extremely fine-grained martensitic structures with poor ductility were obtained. In addition, Fe-added Ti-6Al-4V resulted in a partially melted Ti-6Al-4V powder because of the large difference between the melting temperatures of the Fe eutectic phase (Ti-33Fe) and the Ti-6Al-4V powder, which induced the formation of a thick liquid layer surrounding Ti-6Al-4V. The ductility of Fe-added Ti-6Al-4V was thus poorer than that of Cr-added Ti-6Al-4V.
Kim, Tae-Yong;Lim, Ka-Ram;Lee, Yong-Tai;Cho, Kyung-Mok;Lee, Dong-Geun
Korean Journal of Materials Research
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v.25
no.11
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pp.636-641
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2015
Titanium has many special characteristics such as specific high strength, low elastic modulus, excellent corrosion and oxidation resistance, etc. Beta titanium alloys, because of their good formability and strength, are used for jet engines, and as turbine blades in the automobile and aerospace industries. Low cost beta titanium alloys were developed to take economic advantage of the use of low-cost beta stabilizers such as Mo, Fe, and Cr. Generally, adding a trace of boron leads to grain refinement in casted titanium alloys due to the pinning effect of the TiB phases. This study analyzed and evaluated the microstructural and mechanical properties after plastic deformation and heat treatment in boron-modified Ti-2Al-9.2Mo-2Fe alloy. The results indicate that a trace of boron addition made grains finer; this refinement effect was found to be maintained after subsequent processes such as hot forging and solution treatment. This can effectively reduce the number of required manufacturing process steps and lead to savings in the overall cost as well as low-cost beta elements.
Cp-Ti and Ti-6Al-4V alloys commonly used dental implant materials, particularly for orthopaedic and osteosynthesis because of its suitable mechanical properties and excellent biocompatibility. This alloys have excellent corrosion behavior in the clinical environment. The first factor to decide the success of dental implantation is sufficient osseointegration and high corrosion resistance between on implant fixture and its surrounding bone tissue. In this study, in order to increase corrosion resistance and biocompatibility of Cp-Ti and Ti-6Al-4V alloy that surface of manufactured alloy was coated with TiN by RF-magnetron sputtering method. The electrochemical behavior of TiN coated Cp-Ti and Ti-6Al-4V alloy were investigated using potentiodynamic (EG&G Co, PARSTAT 2273. USA) and potentiostatic test (250mV) in 0.9% NaCl solution at 36.5 $\pm$ 1$^{\circ}C$. These results are as follows : 1. From the microstructure analysis, Cp-Ti showed the acicular structure of $\alpha$-phase and Ti-6Al-4V showed the micro-acicular structure of ${\alpha}+{\beta}$ phase. 2. From the potentiodynamic test, Ecorr value of Cp-Ti and Ti-6Al-4V alloys showed -702.48mV and -319.87mV, respectively. Ti-6Al-4V alloy value was higher than Cp-Ti alloy. 3. From the analysis of TiN and coated layer, TIN coated surface showed columnar structure with 800 nm thickness. 4. The corrosion resistance of TiN coated Cp-Ti and Ti-6Al-4V alloys were higher than those of the non-coated Ti alloys in 0.9% NaCl solution from potentiodynamic test, indicating better protective effect. 5. The passivation current density of TiN coated Cp-Ti and Ti-6Al-4V alloys were smaller than that of the noncoated implant fixture in 0.9% NaCl solution, indicating the good protective effect resulting from more compact and homogeneous layer formation.
Kim Jeoung Han;Yeom Jong Taek;Park Nho Kwang;Lee Chong Soo
Transactions of Materials Processing
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v.14
no.8
s.80
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pp.681-688
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2005
The high-temperature deformation mechanisms of a ${\alpha}+{\beta}$ titanium alloy (Ti-6Al-4V), near-a titanium alloy (Ti-6.85Al-1.6V) and a single-phase a titanium alloy (Ti-7.0Al-1.5V) were deduced within the framework of inelastic-deformation theory. For this purpose, load relaxation tests were conducted on three alloys at temperatures ranging from 750 to $950^{\circ}C$. The stress-versus-strain rate curves of both alloys were well fitted with inelastic-deformation equations based on grain matrix deformation and grain-boundary sliding. The constitutive analysis revealed that the grain-boundary sliding resistance is higher in the near-${\alpha}$ alloy than in the two-phase ${\alpha}+{\beta}$ alloy due to the difficulties in relaxing stress concentrations at the triple-junction region in the near-${\alpha}$ alloy. In addition, the internal-strength parameter (${\sigma}^*$) of the near-${\alpha}$ alloy was much higher than that of the ${\alpha}+{\beta}$ alloy, thus implying that dislocation emission/ slip transfer at ${\alpha}/{\alpha}$ boundaries is more difficult than at ${\alpha}/{\beta}$ boundaries.
A.C. impedance properties of HA/Ti compound layer coated Ti-30Ta-($3{\sim}15$)Nb alloys have been studied by electrochemical method. Ti-30Ta binary alloys contained 3, 7, 10 and 15 wt% Nb were manufactured by the vacuum furnace system. And then specimen was homogenized at $1000^{\circ}C$ for 24 hrs. The sample was cut and polished for corrosion test and coating. It was coated with HA/Ti compound layer by magnetron sputter. The non-coated and coated morphology of Ti alloy were analyzed by X-ray diffractometer (XRD), energy X-ray dispersive spectroscopy (EDX) and filed emission scanning electron microscope (FE-SEM). The corrosion behaviors were investigated using A.C. impedance test (PARSTAT 2273, USA) in 0.9% NaCl solution at $36.5{\pm}1^{\circ}C$. Ti-30Ta-($3{\sim}15\;wt%$)Nb alloys showed the ${\alpha}+{\beta}$ phase, and $\beta$ phase peak was predominantly appeared in the case of increasingly Nb contents. The microstructures of Ti alloy were transformed from needle-like structure to equiaxed structure as Nb content increased. From the analysis of coating surface, HA/Ti composite surface uniformed coating layer with 750 nm thickness. The growth directions of film were (211), (112), (300) and (202) for HA/Ti composite coating on the surface after heat treatment at $550^{\circ}C$, whereas, the growth direction of film was (110) for Ti coating. The polarization resistance ($R_p$) of HA/Ti composite coated Ti-alloys were higher than those of the Ti and HA coated samples in 0.9% NaCl solution at $36.5{\pm}1^{\circ}C$. Especially, corrosion resistance of Ti-Ta-Nb system increased as Nb content increased.
(1) The flow data of f (stress) and ${\dot{s}$ (strain rate) for Fe and Ti alloys were plotted in the form of f vs. -ln ${\dot{s}$ by using the literature values. (2) The plot showed two distinct patterns A and B; Pattern A is a straight line with a negative slope, and Pattern B is a curve of concave upward. (3) According to Kim and Ree's generalized theory of plastic deformation, pattern A & B belong to Case 1 and 2, respectively; in Case 1, only one kind of flow units acts in the deformation, and in Case 2, two kinds flow units act, and stress is expressed by $f={X_1f_1}+{X_2f_2}$where $f_1\;and\;f_2$ are the stresses acting on the flow units of kind 1 and 2, respectively, and $X_1,\;X_2$ are the fractions of the surface area occupied by the two kinds of flow units; $f_j=(1/{\alpha}_j) sinh^{-1}\;{\beta}_j{{\dot{s}}\;(j=1\;or\;2)$, where $1/{\alpha}_j\;and\;{\beta}_j$ are proportional to the shear modulus and relaxation time, respectively. (4) We found that grain-boundary flow units only act in the deformation of Fe and Ti alloys whereas dislocation flow units do not show any appreciable contribution. (5) The deformations of Fe and Ti alloys belong generally to pattern A (Case 1) and B (Case 2), respectively. (6) By applying the equations, f=$(1/{\alpha}_{g1}) sinh^-1({\beta}_{g1}{\dot{s}}$) and $f=(X_{g1}/{\alpha}_{g1})sinh^{-1}({\beta}_{g1}{\dot{s}})+ (X_{g2}/{\alpha}_{g2})\;shih^{-1}({\beta}_{g2}{\dot{s}})$ to the flow data of Fe and Ti alloys, the parametric values of $x_{gj}/{\alpha}_{gj}\;and\;{\beta}_{gs}(j=1\;or\;2)$ were determined, here the subscript g signifies a grain-boundary flow unit. (7) From the values of ($({\beta}_gj)^{-1}$) at different temperatures, the activation enthalpy ${\Delta}H_{gj}^{\neq}$ of deformation due to flow unit gj was determined, ($({\beta}_gj)^{-1}$) being proportional to , the jumping frequency (the rate constant) of flow unit gj. The ${\Delta}H_{gj}\;^{\neq}$ agreed very well with ${\Delta}H_{gj}\;^{\neq}$ (self-diff) of the element j whose diffusion in the sample is a critical step for the deformation as proposed by Kim-Ree's theory (Refer to Tables 3 and 4). (8) The fact, ${\Delta}H_{gj}\;^{\neq}={\Delta}H_{j}\;^{\neq}$ (self-diff), justifies the Kim-Ree theory and their method for determining activation enthalpies for deformation. (9) A linear relation between ${\beta}^{-1}$ and carbon content [C] in hot-rolled steel was observed, i.e., In ${\beta}^{-1}$ = -50.2 [C] - 40.3. This equation explains very well the experimental facts observed with regard to the deformation of hot-rolled steel..
Hwang, Yun Jung;Hong, Sung Hwan;Kim, Jeong Tae;Kim, Young Seok;Park, Hae Jin;Kim, Hee Jin;Jeong, Yeon Beom;Lee, Young Hoon;Kim, Ki Buem
Korean Journal of Materials Research
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v.27
no.10
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pp.557-562
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2017
The microstructural evolution and modulation of mechanical properties were investigated for a $Ti_{65}Fe_{35}$ hypereutectic alloy by addition of $Bi_{53}In_{47}$ eutectic alloys. The microstructure of these alloys changed with the additional BiIn elements from a typical dendrite-eutectic composite to a bimodal eutectic structure with primary dendrite phases. In particular, the primary dendrite phase changed from a TiFe intermetallic compound into a ${\beta}$-Ti solid solution despite their higher Fe content. Compressive tests at room temperature demonstrated that the yield strength slightly decreased but the plasticity evidently increased with an increasing Bi-In content, which led to the formation of a bimodal eutectic structure (${\beta}$-Ti/TiFe + ${\beta}$-Ti/BiIn containing phase). Furthermore, the (Ti65Fe35)95(Bi53In47)5 alloy exhibited optimized mechanical properties with high strength (1319MPa) and reasonable plasticity (14.2 %). The results of this study indicate that the transition of the eutectic structure, the type of primary phases and the supersaturation in the ${\beta}$-Ti phase are crucial factors for controlling the mechanical properties of the ultrafine dendrite-eutectic composites.
Proceedings of the Korean Institute of Surface Engineering Conference
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2012.05a
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pp.254-254
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2012
The purposed of this work was to determine surface charateristics of anodized Ti-30Nb-xTa alloys with Ta content. Samples were prepared by arc melting, followed by followed by homogenization for 12 hr at $1000^{\circ}C$ in argon atmosphere. The electrolyte for anodization treatment was prepared by mixing 465ml $H_2O$ with 35M $H_3PO_4$ and anodized at 180V to 220V. The microstructures of the alloys were examined by X-ray diffractometer (XRD) and optical microscopy (OM). Surface characteristics of anodized Ti-30Nb-xTa alloys was investigated by potentiodynamic test and potentiostatic in 0.9% Nacl solution at $36.5{\pm}1^{\circ}C$. It was observed that the changed ${\alpha}$ phase to ${\beta}$ phase with Ta content.
Ti-alloys have high specific strength and are widely used for the filed of space aeronautics plant. However, it is difficult to process Ti-Alloys due to its high yield strength and it cannot raise the machining speed because it has a possibility of catching fire while processing. In order to reduce the number of processes for the Ti-alloys, the researches related to Additive Manufacturing(AM) have been actively carried out at the moment. As for the initial stage of AM market related to Ti-alloys, it started to use the raw material of powder metal, and it is currently being developed based on welding. In this study, Interpass peening reduced the size of the primary ${\beta}$ grain in the z-axis direction, increased the nucleation site of ${\alpha}-colony$, and decreased the length and width of ${\alpha}$ laths as though interpass rolling. Interpass peening leads to an increase in yield/ultimate tensile strength without decrease elongation, resulting decrease in anisotropy of the material.
Proceedings of the Korean Institute of Surface Engineering Conference
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2016.11a
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pp.197-197
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2016
Commercially pure titanium (CP Ti) and Ti-6Al-4V alloys have been widely used for biomedical applications. However, the use of the Ti-6Al-4V alloy in biomaterial is then a subject of controversy because aluminum ions and vanadium oxide have potential detrimental influence on the human body due to vanadium and aluminum. Hence, recent works showed that the synthesis of new Ti-based alloys for implant application involves more biocompatible metallic alloying element, such as, Nb, Hf, Zr and Mo. In particular, Nb and Hf are one of the most effective Ti ${\beta}-stabilizer$ and reducing the elastic modulus. Plasma electrolyte oxidation (PEO) is known as excellent method in the biocompatibility of biomaterial due to quickly coating time and controlled coating condition. The anodized oxide layer and diameter modulation of Ti alloys can be obtained function of improvement of cell adhesion. Manganese(Mn) plays very important roles in essential for normal growth and metabolism of skeletal tissue in vertebrates and can be detected as minor constituents in teeth and bone. Radio frequency(RF) magnetron sputtering in the various PVD methods has high deposition rates, high-purity films, extremely high adhesion of films, and excellent uniform layers for depositing a wide range of materials, including metals, alloys and ceramics like a hydroxyapatite. The aim of this study is to research the Mn coatings on the micro-pore formed Ti-29Nb-xHf alloys by RF-magnetron sputtering for dental applications. Ti-29Nb-xHf (x= 0, 3, 7 and 15wt%, mass fraction) alloys were prepared Ti-29Nb-xHf alloys of containing Hf up from 0 wt% to 15 wt% were melted by using a vacuum furnace. Ti-29Nb-xHf alloys were homogenized for 2 hr at $1050^{\circ}C$. Each alloy was anodized in solution containing typically 0.15 M calcium acetate monohydrate + 0.02 M calcium glycerophosphate at room temperature. A direct current power source was used for the process of anodization. Anodized alloys was prepared using 270V~300V anodization voltage at room. Mn coatings was produced by RF-magnetron sputtering system. RF power of 100W was applied to the target for 1h at room temperature. The microstructure, phase and composition of Mn coated oxide surface of Ti-29Nb-xHf alloys were examined by FE-SEM, EDS, and XRD.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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