Purpose: The purpose of this study was to investigate the electrochemical characteristics of nanotubular Ti-25Nb-xZr ternary alloys for dental implant materials. Materials and Methods: Ti-25Nb-xZr alloys with different Zr contents (0, 3, 7, and 15 wt.%) were manufactured using commercially pure titanium (CP-Ti), niobium (Nb), and zirconium (Zr) (99.95 wt.% purity). The alloys were prepared by arc melting in argon (Ar) atmosphere. The Ti-25Nb-xZr alloys were homogenized in Ar atmosphere at $1,000^{\circ}C$ for 12 hours followed by quenching into ice water. The microstructure of the Ti-25Nb-xZr alloys was examined by a field emission scanning electron microscope. The phases in the alloys were identified by an X-ray diffractometer. The chemical composition of the nanotube-formed surfaces was determined by energy-dispersive X-ray spectroscopy. Self-organized $TiO_2$ was prepared by electrochemical oxidation of the samples in a $1.0M\;H_3PO_4+0.8wt.%$ NaF electrolyte. The anodization potential was 30 V and time was 1 hour by DC supplier. Surface wettability was evaluated for both the metallographically polished and nanotube-formed surfaces using a contact-angle goniometer. The corrosion properties of the specimens were investigated using a 0.9 wt.% aqueous solution of NaCl at $36^{\circ}C{\pm}5^{\circ}C$ using a potentiodynamic polarization test. Result: Needle-like structure of Ti-25Nb-xZr alloys was transform to equiaxed structure as Zr content increased. Nanotube formed on Ti-25Nb-xZr alloys show two sizes of nanotube structure. The diameters of the large tubes decreased and small tubes increased as Zr content increased. The lower contact angles for nanotube formed Ti-25NbxZr alloys surfaces showed compare to non-nanotube formed surface. The corrosion resistance of alloy increased as Zr content increased, and nanotube formed surface showed longer the passive regions compared to non-treatment surface. Conclusion: It is confirmed that corrosion resistance of alloy increased as Zr content increased, and nanotube formed surface has longer passive region compared to without treatment surface.
As 3D printing technology is used in the medical field, interest in metal materials is increasing. The Department of Radiation Oncology uses a shielding block to shield the patient's normal tissue from unnecessary exposure during electron beam therapy. However, problems such as handling of heavy metal materials such as lead and cadmium, reproducibility according to skill level and uncertainty of arrangement have been reported. In this study, candidate materials that can be used for metal 3D printing are selected, and the physical properties and radiation dose of each material are analyzed to develop a customized shielding block that can be used in electron beam therapy. As candidate materials, aluminum alloy (d = 2.68 g/cm3), titanium alloy (d = 4.42 g/cm3), and cobalt chromium alloy (d = 8.3 g/cm3) were selected. The thickness of the 95% shielding rate point was derived using the Monte Carlo Simulation with the irradiation surface and 6, 9, 12, and 16 energies. As a result of the simulation, among the metal 3D printing materials, cobalt chromium alloy (d = 8.3 g/cm3) was similar to the existing shielding block (d = 9.4 g/cm3) in shielding thickness for each energy. In a follow-on study, it is necessary to evaluate the usefulness in clinical practice using customized shielding blocks made by metal 3D printing and to verify experiments through various radiation treatment plan conditions.
As a functional material, shape memory alloy (SMA) has attracted much attention and research effort to explore its unique properties and its applications in the past few decades. Some of its properties, in particular the electrical resistance (ER) based self-sensing property of SMA, have not been fully studied. Electrical resistance of an SMA wire varies during its phase transformation. This variation is an inherent property of the SMA wire, although it is highly nonlinear with hysteresis. The relationship between the displacement and the electrical resistance of an SMA wire is deterministic and repeatable to some degree, therefore enabling the self-sensing ability of the SMA. The potential of this self-sensing ability has not received sufficient exploration so far, and even the previous studies in literature lack generality. This paper concerns the utilization of the self-sensing property of a spring-biased Nickel-Titanium (Nitinol) SMA actuator for two applications: ER feedback position control of an SMA actuator without a position sensor, and estimation of the opening of a SMA actuated valve. The use of the self-sensing property eliminates the need for a position sensor, therefore reducing the cost and size of an SMA actuator assembly. Two experimental apparatuses are fabricated to facilitate the two proposed applications, respectively. Based on open-loop testing results, the curve fitting technique is used to represent the nonlinear relationships between the displacement and the electrical resistance of the two SMA wire actuators. Using the mathematical models of the two SMA actuators, respectively, a proportional plus derivative controller is designed for control of the SMA wire actuator using only electrical resistance feedback. Consequently, the opening of the SMA actuated valve can be estimated without using an extra sensor.
Journal of the Korean Society of Marine Environment & Safety
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v.22
no.1
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pp.138-144
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2016
Titanium is resistant to general corrosion and in sea water because of the passivity layer film on the surface of material, but may be attacked by environments that cause breakdown of the protective oxide layer including hydrochloric, sulfuric and phosphoric acids. In this study, the Ti alloys were solution heat treatment 5hours at $1066^{\circ}C$ and $966^{\circ}C$, and followed by aging heat treated, 1, 4, 8 and 16 hours in $500^{\circ}C$, $600^{\circ}C$ and $650^{\circ}C$ respectively. The heat treated specimens were measured micro Vicker's hardness, and then accomplished electrochemical polarization test for comparing corrosion in 1N sulfuric acid solution. Additionally, micro structures were taken for corrosion tested specimens. The results showed that corrosion resistance was higher in solution heat treated alloy than base and age heat treated metal. Measured corrosion resistants were increased as increasing aging heat treatment time and temperature.
Proceedings of the Korean Institute of Surface Engineering Conference
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2017.05a
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pp.79-79
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2017
Metallic biomaterials have been mainly used for the fabrication of medical devices for the replacement of hard tissue such as artificial hip joints, bone plates, and dental implants. Because they are very reliable on the viewpoint of mechanical performance. This trend is expected to continue. Especially, Ti and Ti alloys are bioinert. So, they do not chemically bond to the bone, whereas they physically bond with bone tissue. For their poor surface biocompatibility, the surface of Ti alloys has to be modified to improve the surface osteoinductivity. Recently, ceramic-like coatings on titanium, produced by plasma electrolytic oxidation (PEO), have been developed with calciumand phosphorus-enriched surfaces. A lso included the influences of coatings, which can accelerate healing and cell integration, as well as improve tribological properties. However, the adhesions of these coatings to the Ti surface need to be improved for clinical use. Particularly Silicon (Si) has been found to be essential for normal bone, cartilage growth and development. This hydroxyapatite, modified with the inclusion of small concentrations of silicon has been demonstrating to improve the osteoblast proliferation and the bone extracellular matrix production. Strontium-containing hydroxyapatite (Sr-HA) was designed as a filling material to improve the biocompatibility of bone cement. In vitro, the presence of strontium in the coating enhances osteoblast activity and differentiation, whereas it inhibits osteoclast production and proliferation. The objective of this work was to study Morphology of bone-like apatite formation on Sr and Si-doped hydroxyapatite surface of Ti-6Al-4V alloy after plasma electrolytic oxidation. Anodized alloys was prepared at 270V~300V voltages with various concentrations of Si and Sr ions. Bone-like apatite formation was carried out in SBF solution. The morphology of PEO, phase and composition of oxide surface of Ti-6Al-4V alloys were examined by FE-SEM, EDS, and XRD.
The nonlinear finite element program has been developed to analyze the design performance of an artificial hip prosthesis and long term behavior of a treated femur with stems made of composite material after cementless total hip arthroplasty(THA). The authors developed the three dimentional FEM models of femoral bone with designed composite stem which was taken with elliptic cross section of 816 brick elements under hip contact load and muscle farce in simulating single leg stand. Using the program, density changes, stress distributions and micromotions of the material femoral bone were evaluated by changing fiber orientation of stems for selected manufacturing method such as plate cut and bend mold. The results showed that the composite materials such as AS4/PEEK and T300/976 gave less bone resorption than the metallic material such as cobalt chrome alloy, titanium alloy and stainless steal. It was found that increasing the long term stability of the prosthesis in the femur could be obtained by selecting the appropriate ply orientation and stacking sequence of composite.
Kim, Dong-Gun;Woo, Kee-Do;Kang, Dong-Soo;Lee, Tack
Korean Journal of Materials Research
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v.24
no.2
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pp.111-115
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2014
Titanium and its alloys are useful for implant materials. In this study, porous Ti-Nb-Zr biomaterials were successfully synthesized by powder metallurgy using a $NH_4HCO_3$ as space holder and $TiH_2$ as foaming agent. Consolidation of powder was accomplished by spark plasma sintering process(SPS) at $850^{\circ}C$ under 30 MPa condition. The effect of high energy milling time on pore size and distribution in Ti-Nb-Zr alloys with space holder($NH_4HCO_3$) was investigated by optical microscope(OM), scanning electron microscope(SEM) & energy dispersive spectroscopy(EDS) and X-ray diffraction(XRD). Microstructure observation revealed that, a lot of pores were uniformly distributed in the Ti-Nb-Zr alloys as size of about $30-100{\mu}m$ using mixed powder and milled powders. In addition, the pore ratio was found to be about 5-20% by image analysis, using an image analyzer(Image Pro Plus). Furthermore, the physical properties of specimens were improved with increasing milling time as results of hardness, relative density, compressive strength and Young's modulus. Particularly Young's modulus of the sintered alloy using 4h milled powder reached 52 GPa which is similar to bone elastic modulus.
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.
STATEMENT OF PROBLEM. When veneering composite resin-metal restoration is prepared, the fact that bond strength between Ti and composite resin is relatively weak should be considered. PURPOSE. The purpose of this study is to evaluate the shear bond strength between the veneering composite resin and commercial pure (CP) Ti / Ti-6Al-4V alloy according to the method of surface treatment. MATERIAL AND METHODS. The disks were cast by two types of metal. Their surfaces were treated by sandblasting, metal conditioner, TiN coating and silicoating respectively. After surface treatment, the disks were veneered by composite resin (Tescera$^{TM}$, Bisco, USA) which is 5 mm in diameter and 3 mm in thickness. The specimens were stored in water at $25^{\circ}C$ for 24 hours, and then evaluated for their shear bond strength by universal testing machine (STM-$5^{(R)}$, United Calibration, USA). These values were statistically analyzed. RESULTS. 1. All methods of surface treatment were used in this study satisfied the requirements of ISO 10477 which is the standard of polymer-based crown and bridge materials. 2. The metal conditioner treated group showed the highest value in shear bond strength of CP Ti, silicoated group, TiN coated group, sandblasted group, in following order. 3. The silicoated group showed the highest value in shear bond strength of Ti-6Al-4V alloy, metal conditioner treated group, sandblasted group, TiN coated group, in following order. CONCLUSION. Within the limitations of this study, all methods of surface treatment used in this study are clinically available.
A two-axis gimbal-type X-band antenna is widely used to transmit bulk image data from high-resolution observation satellites. However, undesirable microvibrations induced by driving the antenna should be attenuated, because they are a main cause of image-quality degradation of the observation satellite. In this study, a pseudoelastic memory alloy (SMA) gear was proposed to attenuate the microvibrations by driving the antenna in an azimuth angle. In addition, the proposed gear can overcome the limitations of the conventional titanium blade gear, which is not still enough and is vulnerable to plastic deformations under excessive torque. To investigate the basic characteristics of the proposed SMA mesh washer gear, a static load test was performed on the thickness of the SMA mesh washer and the rotation of the gear. Moreover, The microvibration measurement test demonstrated that the SMA mesh washer gear proposed in this study is effective for microvibration attenuation.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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