熱化學的水素處理에 의한 Ti-6Al-4V合金의 組織微細化 및 機械的性質에 關한 硏究

조형준 東亞大學校 1995 국내박사

The influence of the single, double and cyclic treatment on the microstructure and several properties of Ti-6Al-4V alloy has been investigated. The experiments have been conducted to microstructural refinement of Widmansta¨tten structure by means of thermochemical hydrogenation and for mechanical properties. The results obtained are summarized as follows ; 1. The grain size is rapidly increased with increasing the temperature and hoding time in β region, since then it showed very slow growth behavior. The volume fraction of primary a phase is decreased with increasing the temperature over which α + β region, and the vanadium content of α and α'+ β phase is shown to the same behavior with temperature. The M_(s) temperature of specimen solutionized for changing matrix structure was lower by 25℃ than that of the specimen solutionized for the changing volume of primary α phase. 2. The Widmansta¨tten structure is decreased to far more than the hydrogen content in yield strength, tensile strength and elongation. 3. No significant differences in hydrogen content call be detected with holding time if thermochemical hydrogenation is performed at the temperature of 800℃ and 900℃, however the hydrogen content increased with increasing the holding time at 700℃. 4. In accordance with hydrogen absorption, the hydrogen is promoted to α' martensite transformation, and the broadening of α peaks and the intensity drop of X-ray peaks can be attributed to the build-up of a high stress field, resulting in the formation of fine hydride particles. 5. Very fine equiaxed and broken-up structures(BUS) are developed with thermochemical hydrogenation processing, and the finest equiaxed structure is developed with post-treatment at 750℃ after hydrogenation at 700℃. The hardness is decreased with increasing temperature with no relation to the structure, and increased with increasing the hydrogen content. 6. Hydrogenated structure has been shown to the highest value in elongation among hydrogenated initial structures, but showed lower value in tensile properties than Widmansta¨tten structure. In comparing with the tensile properties of equiaxed structure before hydrogenation, hydrogenated equiaxed structure improved in the tensile properties up to 13% with small variation in elongation. According to the increment of hydrogen content, the yield strength and elongation of equiaxed structure increased linearly, and spirally in Widmanstatten structure. 7. Observing the fracture surface of conventionally solutionized tensile specimen, the facets simillar in size with acicular colony is detected in Widmanstatten structure and also quasi-cleavage and dimple pattern appear in some parts, however many dimples and shear lips declined about 45" to the tensile axis appear in the bimodal structure. In case of the hydrogenated structure, the fracture surface of equiaxed structure exhibits ductile fracture mode with very fine dimple pattern, and that of BUS has dimple mode and facets in some region. 8. The Process of thermochemical hydrogenation, post-treatment and dehydrogenation leads to far more fine structure than single, double and cyclic solution treatment, and in view of mechanical properties, the former processes improves the yield strength up to 40 MPa with small variation in elongation.

Enhancing Biological Activity of Porous Titanium Scaffolds via Functional Surface Treatments

이현 서울대학교 대학원 2019 국내박사

Porous titanium (Ti) scaffolds have been widely used for orthopedic and dental applications because merits of titanium, which is represented by excellent mechanical properties, chemical stability, and good biocompatibility and porous structure are combined. Especially for porous structure, this could reduce stress shielding effect resulting from reduced elastic modulus, and infiltration of body fluid through pores leads to homogeneous bone regeneration. However, the improvement of effective osseointegration ability is still required to accomplish sufficient fixation between the scaffolds and surrounding bone. Thus, various surface treatments have been adopted to modify surface and pore characteristics. In the first study, porous Ti6Al4V scaffolds with enhanced biocompatibility were obtained by coupling dynamic freeze casting (DFC) method with modified micro-arc oxidation process (MAO). The fabricated scaffolds exhibited tailored pore characteristics with interconnected pores. Compressive strength and elastic modulus were controlled by adjusting the porosity of the scaffolds. Modified MAO process was successfully performed on the porous Ti6Al4V scaffolds by inhibiting gaseous emission from the electrolysis of water with the addition of ethanol to the MAO solution. Moreover, the biological response of pre-osteoblast cells on the MAO-treated porous Ti6Al4V scaffolds was enhanced owing to their porous topography and modified chemical composition. In the second study, functionally graded porous Ti scaffolds generated by two body combination with densification process were developed, which can simultaneously release growth factor (rhBMP-2) and antibiotics (TCH). Inner dense and outer porous scaffolds were successfully fabricated and significantly different pore characteristics were observed by scanning electron microscopy (SEM) and micro CT. Mechanical properties of them proved their applicability as bone substitutes with sufficient strengths and elastic modulus in the range of real bone. Sustained release of rhBMP-2 was obtained by altered tortuosity through densification, whereas TCH was released in relatively earlier stage. To monitor effectiveness of remaining biomolecules inside the scaffolds, series of in vitro cell tests and anti-microbial tests were conducted using the scaffolds after releasing for certain time intervals. Notable differences in the degree of cell differentiation were observed in functionally graded porous Ti scaffolds compared to control groups resulted from higher amount of remaining rhBMP-2. And anti-microbial properties appeared in relatively short period of time, which is essential to reduce early stage inflammation reaction after surgery. In the third study, acidic solution combined with HF and HNO3 was treated to efficiently modify pore characteristics and mechanical properties of porous Ti scaffolds. The porosity, pore size, wall thickness, and pore neck size were easily controlled by varying the acid treatment time, which produced scaffolds with mechanical properties that were suitable for bone tissue engineering. As the mixed acid treatment time increased, internal isolated pores were gradually interconnected with adjacent pores. After 10 min of treatment, nearly all the pores were interconnected. The post-treatment with HF/HNO3 also affected the surface properties. Surface carbon contaminants were significantly reduced after treatment with no hydride formation. Micron-scale surface roughness was uniformly generated across the whole surface. The actual cell penetrability of the Ti scaffold was evaluated using a perfusion-based in vitro cell test. Over 90% of the surface pores depict cell penetrability with a sufficient number of cells attached to the wall surface of the pore after performing acid treatment for 12 min. In conclusion, these researches adopted different techniques to enhance functional ability of porous titanium and titanium alloy for biomedical applications. Enhanced biological properties were obtained by adopting modified MAO process to porous Ti6Al4V scaffolds and drug loading in functionally graded porous titanium scaffolds. Improved pore interconnectivity for cell penetration through porous titanium scaffolds were achieved through simple HF/HNO3 treatment for short period of time. 다공성 티타늄 (Ti) 지지체는 우수한 기계적 성질, 화학적 안정성, 우수한 생체 적합성으로 대표되는 티타늄의 장점과 다공성 구조가 결합되어 정형 외과 및 치과 용으로 광범위하게 사용되어 왔다. 특히 다공성 구조의 경우, 탄성 계수 감소로 인하여 응력 차폐 효과를 감소시킬 수 있으며, 기공을 통한 체액의 침투는 균질 한 골 재생을 유도한다. 그러나 효과적인 골 유착 능력의 향상은 지지체와 주위 뼈 사이에 충분한 고정을 이루기 위해 여전히 요구된다. 따라서 다양한 표면 처리가 표면 및 기공 특성을 변화시키기 위해 도입되었다. 첫 번째 연구에서는 동적 동결 주조 (DFC) 방법과 마이크로 아크 산화 공정 (MAO)을 결합한 다중 다공성 Ti6Al4V 지지체를 제조하였다. 제작된 지지체는 상호 연결된 조절된 기공 특성을 보였다. 압축 강도와 탄성 계수는 지지체의 기공률을 조절하여 조절하였다. MAO 용액에 에탄올을 첨가하여 물의 전기 분해로부터 발생하는 기체 방출을 억제함으로써 다공성 Ti6Al4V 지지체상에 MAO 공정을 성공적으로 도입하였다. MAO 처리된 다공성 Ti6Al4V 지지체에 대한 조골세포의 생물학적 반응은 다공성 형상 및 변화된 화학 조성으로 인해 향상되었다. 두 번째 연구에서는 치밀화 공정이 도입된 이체 조합 방법을 이용하여 성장 인자 (rhBMP-2)와 항생제 (TCH)를 동시에 방출할 수 있는 기능성 경사능 다공성 티타늄 지지체를 개발하였다. 내부의 고밀도 구조 및 외부의 다공성 구조를 갖는 지지체가 성공적으로 제조되었으며 주사 전자 현미경 (SEM) 및 마이크로 CT를 통하여 현저히 다른 기공 특성을 관찰하였다. 이들의 기계적 특성은 충분한 강도의 탄성 계수를 나타내며 이는 실제 골의 범위 내에 존재하여 골 대체제로서의 적용 가능성을 입증하였다. rhBMP-2의 지속적인 방출은 치밀화를 통한 변화된 기공 복잡도에 의해 얻어졌고 TCH는 비교적 초기 단계에서 방출되었다. 지지체 내부의 잔류 생체 분자의 유효성을 확인하기 위해 일련의 세포 시험 및 항균능 시험이 일정 시간 간격 동안 방출이 진행된 지지체를 사용하여 수행되었다. 잔류 rhBMP-2의 양이 대조군에 비하여 기능성 다공성 티타늄 지지체 내부에 더 많아 세포 분화 정도에서 현저한 차이를 보였다. 그리고 항균성은 수술 후 초기 염증 반응을 줄이는데 필수적인 비교적 단기간에서 나타났다. 세 번째 연구에서, HF와 HNO3가 결합된 산성 용액은 다공성 Ti 지지체의 기공 특성과 기계적 성질을 효과적으로 변화시키기 위해 처리되었다. 다공성, 기공 크기, 벽 두께 및 공경 (pore neck)의 크기는 산처리 시간을 변화하여 쉽게 제어할 수 있었으며 기계적 성질 역시 갖는 경조직 공학에 적합한 정도로 조절할 수 있었다. 혼합된 산처리 시간이 증가함에 따라, 내부 분리된 기공이 인접한 기공과 점진적으로 상호 연결되었다. 10 분간의 처리 후 거의 모든 기공이 서로 연결되었다. HF/HNO3를 사용한 후 처리는 표면 특성에도 영향을 미쳤다. 표면 탄소 오염물은 처리 후 수소화물 형성 없이 현저히 감소되었다. 마이크로 단위의 표면 굴곡이 전체 표면에 걸쳐 균일하게 생성되었다. Ti 지지체의 실제 세포 침투성은 관류 기반 세포 시험을 사용하여 평가되었다. 표면 기공의 90 % 이상에서 세포가 관찰되었으며 12 분 동안 산처리가 된 시편에서 기공의 표면에 충분한 수의 세포가 부착된 것을 확인하였다. 결론적으로, 이러한 연구는 다공성 티타늄 및 티타늄 합금의 생체의료용 응용을 위하여 기능적 능력을 향상시키는 다양한 기술을 도입하였다. MAO 과정을 다공성 Ti6Al4V 지지체에 적용하여 향상된 생물학적 성질을 얻었으며, 약물이 탑재된 기능성 경사능 다공성 티타늄 지지체도 성공적으로 제조되었다. 짧은 시간 동안 간단한 HF/HNO3 처리를 통해 세포가 침투할 수 있는 향상된 기공 연결도를 달성하였다.

SLM 적층제조 Ti-6Al-4V ELI 척추 임플란트의 응력차폐효과 개선을 위한 판 스프링 구조 개발 및 기계적 물성 향상을 위한 SLM 공정 제어 연구

유휘근 아주대학교 일반대학원 2024 국내석사

추간체유합보형재(척추 임플란트, spinal cage implant)는 척추 간 공간에 사용되는 임플란트 중 하나로, 척추 간 디스크의 문제로 인해 생기는 통증이나 안정성 문제 등을 해결하기 위해 사용된다. 이 재료는 주로 척추 간 디스크의 변형, 탈출, 손상으로 인해 디스크를 안정화하거나 두 척추 사이의 간격을 채우기 위해 사용된다. 이러한 재료는 보통 척추 간 유합술이나 디스크 교체술과 함께 사용되는데, 이러한 수술은 척추의 안정성을 유지하면서도 통증을 줄이고 환자의 기능을 회복하는 데 도움이 된다. 추간체유합보형재는 다양한 재료로 제작될 수 있다. 대부분의 재료는 인간의 척추와 잘 어울리며, 척추 주변 조직과 상호작용하여 재활 기간을 최소화하고 간 조직의 재생을 촉진하는 등의 장점을 가지고 있다. 이러한 재료는 플라스틱, 금속, 바이오물질 등으로 만들어지며, 최신의 3D 프린팅 기술을 통해 맞춤형으로 제작되기도 한다. 이러한 재료는 의사와 환자가 함께 선택하는 것이 중요하다. 환자의 상태와 필요에 따라 적절한 재료를 선택하여 사용해야 한다. 또한, 이러한 재료를 사용한 수술은 정확한 치료와 재활을 위해 전문적인 의료진의 지속적인 관찰과 함께 이루어져야 한다. 생체 임플란트와 3D 프린팅의 결합은 의학 및 제조 기술에서 혁명적인 발전을 가져왔다. 3D 프린팅은 임플란트를 맞춤형으로 제작할 수 있게 하여 환자 개인의 해부학적 요구에 맞춘 디자인을 가능하게 한다. 그리고 이것은 임플란트 치료의 성공률과 안정성을 크게 높이고 있다. PBF-SLM 공정은 3D 프린팅에서 재료를 높은 정밀도로 적층하여 임플란트를 만들어내는 방법으로, 생체 재료의 안전성과 내구성을 동시에 충족시킬 수 있는 기술로 주목받고 있다. 이 방법은 생체 임플란트에 필요한 강도와 내부구조를 제공하여 환자의 신체에 완벽히 적합한 제품을 만들어 낼 수 있다. 임플란트 제조에서 공정 최적화는 더 나은 품질과 안전성을 제공하는 핵심이다. 엄격한 품질관리와 안전성 검증은 환자의 건강과 안전을 위해 필수적이다. 예를 들어, 제조 중 발생할 수 있는 결함이나 잘못된 디자인은 치명적인 문제를 야기할 수 있어서 VED조건과 같은 제조 공정 변수에 대한 규정 준수가 매우 중요하다. 디자인 단계에서의 중요성은 임플란트의 안전성과 효율성을 보장하기 위해 필수적이다. 특히 척추 임플란트에서의 디자인은 침강 및 안정성에 직접적으로 영향을 미친다. 따라서 임플란트의 위치와 설계는 환자의 생활에 큰 영향을 미치며, 이에 대한 신중한 고려가 필요하다. 이 모든 과정을 개선하기 위해 현재 의료 및 제조 기술 분야에서는 3D 프린팅 기술, 재료 연구, 품질 관리 방법 등에 대한 지속적인 연구 및 개발이 이루어지고 있다. 이를 통해 더 나은 생체 임플란트 제품을 만들기 위한 노력이 이어지고 있다. 본 연구에서는 SLM 공정 설계 통해 Grade 5 Ti(Ti6Al4V)보다 낮은 불순물을 가지는 Ti6Al4V ELI(extra low interstitial) 소재의 출력 후 기계적 물성을 향상시키고, 금속을 사용하는 추간체유합보형재의 응력차폐효과로 인한 생체 내에서의 침강을 최소화하기 위해 판 스프링 구조를 구현하고자 한다. 이를 통해 환자의 생체학적 및 운동학적 요구에 부합함과 동시에 수술적 효율을 높이고자 한다.

마이크로 나노 복합 표면구조의 마찰 및 마모 거동 특성 연구

정준호 중앙대학교 2017 국내석사

본 연구는 마이크로 나노 복합 표면구조를 적용한 금속 표면에서 나타나는 특성을 마찰 및 마모 실험을 통해 관찰 분석해 보았다. 본 연구에서 사용한 금속은 알루미늄으로 다양한 분야에서 사용되며 가볍고 내식성이 뛰어나지만, 마찰이 높고 마모가 쉽게 일어나는 단점을 가지고 있다. 따라서 단점을 보완하여 향상된 트라이볼로지적 특성으로 인해 소재의 사용성을 확장 시키고자 연구를 진행하였다. 시편은 텍스쳐링, 아노다이징, 스퍼터링 기법을 사용해 표면처리를 진행 하였다. 표면의 윤활특성 향상을 위해 CNC를 이용해 텍스쳐링을 실시, 표면에 밀도 10%, 직경 120 µm의 마이크로 홀을 생성하였으며, 아노다이징 공정을 적용해 직경 30-70 nm의 다공성 피막을 표면에 생성하여 마이크로 나노 복합 표면구조를 갖는 표면을 제작하였다. 모재의 단점을 보완하며 복합구조의 윤활 특성을 향상시키기 위해 스퍼터링을 이용해 Ti6Al4V와 MoS2 나노 박막을 표면에 증착, 복합구조와의 호환성을 알아보았다. 준비된 시편은 마이크로 비커스를 이용해 경도 측정을 진행하였으며 측정 결과 아노다이징에 의한 표면 경도 상승을 확인하였다. 마찰 및 마모 특성 연구를 위해 왕복동 실험을 진행하였으며 윤활유로 SAE-5W 30을 사용하였다. 실험조건은 2N 하중, 2Hz 주파수, 5mm 왕복거리를 이용하였으며 실험 시간은 3,600초 이다. 실험 분석은 측정된 마찰계수와 SEM과 EDS를 이용한 시편별 마모형상 관찰 결과를 이용하였다. 실험결과 복합구조를 적용한 표면은 기존 텍스쳐링만 적용한 표면에 비해 낮고 안적적인 마찰계수를 나타냈으며 마모 트랙의 폭은 작아졌다. 이는 아노다이징에 의해 표면 경도가 상승해 내마모성이 향상되어 나타난 결과이다. MoS2를 증착한 표면은 기존 텍스쳐링 표면에 비해 향상된 윤활 특성을 나타냈다. 이는 고체윤활재로 사용되는 MoS2에 의한 결과로 볼 수 있다. 또한 아노다이징과 MoS2를 함께 적용 할 경우 가장 낮은 마찰계수 결과가 관찰되었으며 박막의 손상도 가장 낮았다. 이는 복합구조와 MoS2의 높은 재료적 친화도에 의해 나타나는 결과이다. 반면 Ti6Al4V 박막을 적용한 조건은 Ti6Al4V 박막이 마찰에 의한 표면의 손상은 예방하였지만 박막이 미소 파손에 의해 박리되었으며 그로 인해 마이크로 홀의 역할을 방해하여 마찰계수 상승의 원인이 되었다. 아노다이징과 Ti6Al4V를 함께 적용한 표면 또한 마찬가지로 Ti6Al4V 박막과 다공성 산화 피막에 의해 표면 손상은 낮았지만 미소파손된 박막 일부와 마모입자에 의해 마이크로 홀의 기능을 상실한 것이 확인 되었으며 표면에서는 Ti6Al4V의 재료특성인 취성 파괴와 크랙을 확인 하였다. This study investigated the characteristics of metal surface with micro nano composite surface structure through friction and wear experiments. The metal used in this study is aluminum, which is used in various fields due to its light and corrosion resistance characteristics, but it is highly vulnerable to friction and wear. Therefore, this study focuses on improving the tribological properties of the metal surfaces. For the research approach, a texturing technique was applied to create density 10%, 120 µm diameter micro holes on the surface followed by an anodizing process to produce a porous film with a diameter of 30-70 nm on the surface to fabricate a micro nano composite surface structure. To further enhance the lubrication properties of the composite surface structure, sputtering technique was used to deposit Ti6Al4V and MoS2 nano film on to the surface. These specimens were then tested with micro Vickers hardness measurement instrument to verify the increase in surface hardness. Followed by the fabrication process, experiments were carried out to study the friction and wear characteristics of the different metal surfaces. Reciprocating experiment was conducted under 2N load, 2Hz frequency, and 5mm stroke, with duration of 3,600 seconds. SAE-5W 30 was used as lubricant for the experiment. Experimental analysis was performed by measuring the friction coefficient and the performing the SEM and EDS. As a result, the metal surface with the micro nano composite structure showed lower friction coefficient value with higher stability showing shortened wear tracks, when compared to conventional textured surfaces. This result is due to the effect of anodizing treatment as it increased both hardness and abrasion resistance of the metal surfaces. In case of sputtering, the surface with MoS2 deposit have shown to increase the lubrication properties of the metal surfaces. This improvement is caused by the effect of MoS2, which is often used as a solid lubricant. In addition, when applying anodizing treatment with MoS2, the surface showed lowest coefficient of friction value with least film fracture. Ti6Al4V film, on the other hand, prevented the damage done to the surface due to friction but the film was subjected to micro cracks and eventually deduced the effect of the micro holes. Thus, increase in friction coefficient was observed. The surface applied with anodizing treatment and Ti6Al4V effectively reduced the damage done to the surface by creating a porous anodic film. However, it has been verified that the micro cracks in the film and wear debris diminished the tribolocial properties of the micro holes on the metal surfaces. The surfaces were also subjected fracture and crack which is caused by the brittle characteristic of the Ti6Al4V film.

Pb-62Sn, Zn-22Al 및 Ti-6Al-4V 合金系의 超塑性延伸率 向上에 關한 硏究

고광진 成均館大學校 1992 국내박사

열간성형된 Ti-6Al-4V의 피로 및 피로균열전파 거동에 대한 미세조직의 영향

박승현 경상국립대학교 항공우주특성화대학원 2022 국내석사

Mil-annealed and hot-formed Ti-6Al-4V (Ti64) alloys with equiaxed or bi-modal microstructures were studied, to understand the effect of hot-forming (i.e., the work hardening, the microstructural changes caused by heat exposure) on high cycle fatigue (HCF) and fatigue crack propagation (FCP) behaviors of mill-annealed Ti64 alloy. The uniaxial HCF and FCP tests were conducted at an load ratio of 0.1 under sinusoidal cyclic loading. All Ti64 alloys showed no significant change in microstructure after hot-forming, but their tensile strength increased. The resistance to HCF, which is known to be directly proportional to tensile strength, did not change significantly after hot-forming. It was found that microstructural changes rather than tensile strength change are the main factors influencing resistance to HCF. Although no microstructural change after hot-forming was showed, the resistance in the low FCP rate region decreased. It was found that slip reversibility, known as an important factor in the low FCP rate regime, decreased due to the pile-up of the dislocation during hot-forming. The effect of hot-forming on the HCF and FCP behaviors of mill-annealed Ti64 alloy is discussed based on fractographic and micrographic observations.

L-PBF 적층 제조 공법을 이용한 Ti6Al4V 및 AlSi10Mg 소재의 항공기 부품의 적용 적절성 연구

김종건 경상국립대학교 대학원 2023 국내박사

Ti-6Al-4V 合金의 低週期 疲勞特性에 미치는 層狀α 間隔의 影響

박기종 成均館大學校 1991 국내석사

Ti-6Al-4V 合金의 超塑性에 미치는 微細組織의 影響

송영규 成均館大學校 1990 국내석사

Ti-6Al-4V合金에서 溶體化處理 및 冷却條件에 따른 α相의 微細組織變化

강형구 慶北大學校 1991 국내석사