This paper explored the viability of utilising titanium alloy bolts in the construction industry through an experimental programme, where a total of sixty-six titanium alloy (Ti/6Al/4V) bolts were tested under axial tension, pure shear and combined tension and shear. In addition, a series of Charpy V-notch specimens machined from titanium alloy bolts, conventional high-strength steel bolts, austenitic and duplex stainless steel bolts were tested for impact toughness comparisons. The obtained experimental results demonstrated that the axial tensile and pure shear capacities of titanium alloy bolts can be reasonably estimated by the current design standards for steel structures (Eurocode 3, AS 4100 and AISC 360). However, under the combined tension and shear loading conditions, significant underestimation by Eurocode 3 and unsafe predictions through AS 4100 and AISC 360 indicate that proper modifications are necessary to facilitate the safe and economic use of titanium alloy bolts. In addition, numerical models were developed to calibrate the fracture parameters of the tested titanium alloy bolts. Furthermore, a design-based selection process of titanium alloy bolts in the structural applications was proposed, in which the ultimate strength, ductility performance and corrosion resistance (including galvanic corrosion) of titanium alloy bolts was mainly considered.
Park, Sang-Hoon;Woo, Kee-Do;Kim, Ji-Young;Kim, Sang-Mi
Korean Journal of Metals and Materials
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v.50
no.6
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pp.469-475
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2012
A high-energy mechanical milling (HEMM) process was introduced to improve sinter-ability, and rapid sintering of spark plasma sintering (SPS) under pressure was used to make ultra fine grain (UFG) of Ti-Nb-Mo-CPP composites, which have bio-attractive elements, for increasing mechanical properties. Ti-Nb-Mo-CPP composites were successfully fabricated by SPS at $1000^{\circ}C$ within 5 minutes under 70 MPa using HEMMed powders. The Vickers hardness of the composites increased with increased milling time and addition of CPP contents. Biocompatibility and corrosion resistance of the Ti-Nb-Mo alloys were improved by addition of CPP, and the Ti-35%Nb-10%Mo-10%CPP alloy had better biocompatibility and corrosion resistance than the Ti-6Al-4V ELI alloy.
Journal of Dental Rehabilitation and Applied Science
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v.25
no.3
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pp.293-306
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2009
In this study, the biological response of fetal rat calvarial cells on alkali- and heat-treated titanium was assessed. The results were as follows; Cell proliferation on alkali- and heat-treated surfaces showed significantly higher level than on the titanium-6aluminum-4vanadium (weight percentage: 6 % aluminum, 4 % vanadium, Ti-6Al-4V) surface (p<0.01). In ELISA analysis, concentration of $IL-1{\beta}$ and IL-6 were raised when the cells were grown to day 7. Pre-treatment with herbimycin, a known tyrosine kinase inhibitor, suppressed the production of IL-6 (p<0.01). In comparison to commercially pure titanium (grade II, cp-Ti) and Ti-6Al-4V alloy, alkali- and heat-treated titanium enhanced alkaline phosphatase activity (p<0.001). In RT-PCR analysis, alkaline phosphatase, bone sialoprotein, receptor activated nuclear factor ligand mRNA expression was increased alkali- and heat-treated titanium. Herbimycin and SB203580, p38 MAPK inhibitor, were repressed of $IL-1{\beta}-induced$ IL-6 mRNA expression. These results suggest that alkali- and heat-treated titanium stimulate osteoblasts differentiation and facilitate bone remodeling.
Park, K.S.;Huh, W.T.;Son, Y.H.;Kim, C.K.;Kim, S.Y.;Kim, S.G.;Kim, S.W.
Journal of Surface Science and Engineering
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v.29
no.6
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pp.695-702
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1996
Plasma spraying process was employed to produce HA coating on Ti6A14V alloy for the development of a dental implant. The goal of this research was to find optimum spraying conditions for HA coating on Ti6Al4V. This study was thus designed carefully to evaluate how spraying parameters affect various physical properties of a HA coating layer, such as phase composition and bond strength. In plasma spraying, spraying parameters such as hydrogen flow rates and spraying distances were varied systematically to change the degree of the melting of starting HA powder in plasma jet. It was revealed that the deposition efficiency increased with increasing a hydrogen flow rate, and the bond strength between the HA-coated layer and Ti-alloy substrate increased with hydrogen flow rate, but decreased with spraying distance. Therefore, the hydrogen flow rate and the spraying distance should be carefully controlled to obtain the reasonable bond strength simultaneously.
One-dimensional rutile $TiO_2$ is an important inorganic compound with applicability in sensors, solar cells, and Li-based batteries. However, conventional synthesis methods for $TiO_2$ nanowires are complicated and entail risks of environmental contamination. In this work, we report the growth of $TiO_2$ nanowires on a Ti alloy powder (Ti-6wt%Al-4wt%V, Ti64) using simple thermal oxidation under a limited supply of $O_2$. The optimum condition for $TiO_2$ nanowire synthesis is studied for variables including temperature, time, and pressure. $TiO_2$ nanowires of ${\sim}5{\mu}m$ in length and 100 nm in thickness are richly synthesized under the optimum condition with single-crystalline rutile phases. The formation of $TiO_2$ nanowires is greatly influenced by synthesis temperature and pressure. The synthesized $TiO_2$ nanowires are characterized using field-emission scanning electron microscopy (FE-SEM), X-ray diffraction (XRD), and high-resolution transmission electron microscopy (HR-TEM).
Journal of the Korean Society of Manufacturing Process Engineers
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v.8
no.4
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pp.20-27
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2009
The characteristics of titanium alloy as a relatively advanced material is low density, avirulent and, superior corrosive resistant, therefore the use of titanium alloy is increasing lately in aerospace and mechanical technologies, precision machinery, electronics industry, petro-chemical industries and biomedical areas. In these days, the titanium alloy product is required various surface qualities of not only smooth surface but also rough surface depending on usages. The purpose of this experimental research is to find the optimum surface roughness of titanium alloy of Ti-6Al-4V, by micro abrasive blasting as depending variable conditions of working pressure, nozzle size, working time, stand of distance and power particle size.
Effects of the surface modification on the deposition behaviors of apatite crystals in Zr-1Nb plates were studied. Zr-1Nb alloy plates were polished with abrasive papers to have different roughness and some of them were treated in NaOH or coated with collagen before deposition of apatites in the simulated body fluid (SBF). The weight gain due to the deposition of apatite crystals increased as the surface roughness increased in Zr-1Nb. The size of granular apatite crystals were found to be smaller in Zr-1Nb roughened by $162{\mu}m$ abrasive paper than in Zr-1Nb roughened by $8.4{\mu}m$ paper, suggesting the nucleation rate increased with increase of surface roughness. After, 10 days immersion in a SBF, NaOH-treated Zr-1Nb was completely coated with apatite with the deposited apatite weight comparable to that in Ti-6Al-4V. The deposition rate of Zr-1Nb was not appreciably influenced by NaOH treatment unlike the significant influence of NaOHtreatment on the deposition rate of apatite in Ti-6Al-4V. One significant observation in this study is an appreciable increase of the apatite deposition rate after collagen coating both on Zr-1Nb and Ti-6Al-4V plate, which may be caused by the interaction between collagen and $Ca^{+2}$ ions.
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.
Proceedings of the Korean Institute of Surface Engineering Conference
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2017.05a
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pp.153-153
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2017
The application of the coating supports the mechanical characteristics of the implant, and various materials and coatings are currently being used in the implant in a way to accelerate adhesion. Especially, plasma electrolytic oxidation (PEO) coating has been proposed continually with good surface treatment of titanium alloys. Also, the PEO process can incorporate Ca and P ions on the titanium surface through variables varied factor. PEO process for bioactive surface has carried out in electrolytes containing Ca and P ions. Natural bone is composed of mineral elements such as Mg, Si, Zn, Sr, and Mn, etc. Especially, Mg and Si of these elements play role in bone formation and growth after clinical implantation of bio-implants. In this study, corrosion charateristics of PEO-treated Ti-6Al-4V alloy in solution containing Si and Mg ions has been investigated using several experimental techniques. The PEO-treated surfaces were identified by X-ray diffraction, using a diffractometer (XRD, Philips X' pert PRO, Netherlands) with Cu $K{\alpha}$ radiation. The morphology was observed by field-emission scanning electron microscopy (FE-SEM, Hitachi 4800, Japan) and energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDX, Oxford ISIS 310, England). The potentiodynamic polarization and AC impedance tests for electrochemical degradations were carried out in 0.9% NaCl solution at similar body temperature using a potentiostat with a scan rate of 1.67mV/s and potential range from -1500mV to + 2000mV.
Proceedings of the Korean Institute of Surface Engineering Conference
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2016.11a
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pp.198-198
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2016
An ideal orthopedic implant should provide an excellent bone-implant connection, less implant loosening and minimum adverse reactions. Commercial pure titanium (CP-Ti) and Ti alloys have been widely utilized for biomedical applications such as orthopedic and dental implants. However, being bioinert, the integration of such implant in bone was not in good condition to achieve improved osseointegraiton, there have been many efforts to modify the composition and topography of implant surface. These processes are generally classified as physical, chemical, and electrochemical methods. Plasma electrolytic oxidation (PEO) as an electrochemical route has been recently utilized to produce this kind of composite coatings. Mg ion plays a key role in bone metabolism, since it influences osteoblast and osteoclast activity. From previous studies, it has been found that Mg ions improve the bone formation on Ti alloys. PEO is a promising technology to produce porous and firmly adherent inorganic Mg containing $TiO_2$($Mg-TiO_2$ ) coatings on Ti surface, and the amount of Mg introduced into the coatings can be optimized by altering the electrolyte composition. In this study, a series of $Mg-TiO_2$ coatings are produced on Ti-6Al-4V ELI dental implant using PEO, with the substitution degree, respectively, at 0, 5, 10 and 20%. Based on the preliminary analysis of the coating structure, composition and morphology, a bone like apatite formation model is used to evaluate the in vitro biological responses at the bone-implant interface. The enhancement of the bone like apatite forming ability arises from $Mg-TiO_2$ surface, which has formed the reduction of the Mg ions. The promising results successfully demonstrate the immense potential of $Mg-TiO_2$ coatings in dental and biomaterials applications.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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