Journal of Advanced Marine Engineering and Technology
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v.27
no.1
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pp.124-133
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2003
Ti-25Al-xNb (x=0, 3, 7, 11, 13 at. %) alloys and 18 vol. % TiB/(Ti-25Al-11Nb) metal matrix composite were fabricated by spark plasma sintering process at 900-120$0^{\circ}C$. Microstructural characteristics of the sintered bodies were identified by SEM, EDX analysis, X-ray diffraction, and differential scanning calorimeterric method. $Ti_3Al$ alloy was consisted of equiaxed $\alpha_2$ phase. $Ti_3Al-Nb$ alloys and the matix of TiB/(Ti-25Al-11Nb) metal matrix composite had the morphology that O phase was precipitated at the grain boundary of $\alpha_2$phase. Volume fraction of O phase and hardness were depended on the concentration of Nb in $Ti_3Al-Nb$ alloy, Rule of mixing could be applied to hardness and Young's modulus of 18 vol. % TiB/(Ti-25Al-11Nb) metal matrix composite.
Research advances in dental implantology have led to the development of several different types of materials and it is anticipated that continued research will lead to advanced dental implant materials. Currently used pure titanium has relatively low hardness and strength which may limit its ability to resist functional loads as a dental implant. Ti-6Al-4V also has potential problems such as corrosion resistance. osseointegration properties and neurologic disorder due to aluminium and vanadium, known as highly toxic elements, contained in Ti-6Al-4V. Newly developed titanium based alloys(Ti-20Zr-3Nb-3Ta-0.2Pd-1In, Ti-20Zr-3Nb-3Ta-0.2Pd) which do not contain toxic metallic components were designed by the Korea Institute of Science and Technology (KIST) with alloy design techniques using Zr, Nb, Ta, Pd, and In which are known as non-toxic elements. Biocompatibility and osseointegration properties of these newly designed alloys were evaluated after implantation in rabbit femur for 3 months. The conclusions were as follows : 1. Mechanical properties of the new designed Ti based alloys(Ti-20Zr-3Nb-3Ta-0.2Pd-1In, Ti-20Zr-3Nb-3Ta-0.2Pd) demonstrated close hardness and tensile strength values to Ti-6Al-4V. 2. New desinged experimental alloys showed stable corrosion resistance similar to the pure Ti but better than Ti-6Al-4V. However, the corrosion rate was higher for the new alloys. 3. Cell culture test showed that the new alloys have similar cell response compared with pure Ti and Ti-6Al-4V with no cell adverse reaction. 4. New designed alloys showed similar bone-metal contact ratio and osseointegration properties compared to pure Ti and Ti-6Al-4V after 3 months implantation in rabbit femur. 5. Four different surface treatments of the metals did not show any statistical difference of the cell growth and bone-metal contact ratio.
Pure titanium and Ti6Al4V alloy have been mainly used as implant materials but the cytotoxicity of V, neurotoxicity of Al resulting in Alzheimer disease had been reported. This paper was described the influence of composition of Ti-Nb alloys with 3 wt%Nb, 20 wt%Nb on the microstructure and corrosion resistance. Specimens of Ti alloys were melted in vacuum arc furnace and homogenized at $1000^{\circ}C$ for 24hr. The alloys were rolled in $\beta$ and ${\alpha}+{\beta}$ regions. The corrosion resistance of Ti alloys were evaluated by potentiodymic polarization test in 0.9% NaCl and 5% HCl solutions. The results can be summarized as follows: 1. The microstructure was transformed from $\alpha$ phase to ${\alpha}+{\beta}$ phase by adding Nb 2. The hardness of Ti-20Nb alloy was greater than Cp- Ti, Ti-3Nb alloy. 3. The corrosion resistance of Ti-20Nb alloy was better than that of Cp-Ti, Ti-3Nb alloy in 0.9%NaCl and 5%HCl solutions.
Alloys of $Ti46\%Al-2\%Mo-2\%Nb$ were oxidized between 800 and $1000^{\circ}C$ in air, and their oxidation characteristics were studied. The alloys displayed good oxidation resistance due mainly to the beneficial effects of Mo and Nb. The oxide scales formed consisted primarily of an outer $TiO_2$ layer, an intermediate $Al_{2}O_3-rich$ layer, and an inner mixed layer of ($TiO_{2}+Al_{2}O_3$). Molybdenum and niobium dissolved in the scale effectively improved oxidation resistance. They were mainly distributed in the inner mixed layer of ($TiO_{2}+Al_{2}O_3$).
Titanium alloys have been used for dental materials due to it's very good biocompatibility. Ti-6Al-4V alloy instead of pure titanium is being widely used as biomaterials has some characteristics such as high fatigue strength, tensile strength and corrosion resistance. But it has been reported recently that the vanadium element expresses cytotoxicity and carcinogenicity and the aluminium element is related with dementia of Alzheimer type and neurotoxicity. The Ti-Nb alloys has designed and examined corrosion resistance. Ti-3wt.%Nb($\alpha$type), Ti-20wt.%Nb(${\alpha}+{\beta}$type) and Ti-40wt.%Nb($\beta$type) alloys were melted by vacuum arc furnace. The corrosion resistance of Ti alloys was evaluated by potentiodynamic polarization test in the solution of 0.9% NaCl and 5% HCl. The results can be summarized as follows: 1) For the corrosion test in the solution of 0.9% NaCl and 5% HCl, the corrosion behaviour of Ti-Nb alloys was similar to ASTM grade 2 CP Ti. 2) The corrosion resistance of Ti-20Nb alloy was better than that of CP-Ti, Ti-3Nb, Ti-40Nb alloy in 0.9% NaCl and 5% HCl, solutions.
Lee Doh-Jae;Oh Tae-Wook;Park Bum-Su;Kim Soo-Hak;Jun Choong-Geug;Yoon Kye-Lim
Korean Journal of Materials Research
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v.14
no.3
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pp.211-217
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2004
The oxidation behaviors of Ti-10Ta-10Nb alloy and Ti-6Al-4V alloy were studied in dry air atmosphere. Specimens were melted in consumable vacuum arc furnace and homogenized at $1050^{\circ}C$ for 24 h. Hot rolling was performed at $1000^{\circ}C$. Specimens of the alloys were oxidized as the temperature range $400~650^{\circ}C$ for 30 min. The oxidation behavior of the alloys was analysed by optical microscope, SEM/EDX, XRD, XPS and TGA. Immersion test was performed in 1% Lactic acid. In the microscope observation, oxide layer of Ti-10Ta-10Nb alloy was denser and thinner than Ti-6Al-4V's. The weight gains during the oxidation rapidly increased at the temperature above $600^{\circ}C$ in Ti-6Al-4V's alloy and$ 700^{\circ}C$ in Ti-10Ta-10Nb alloy. According to XRD results, oxide layers were composed of mostly $TiO_2$(rutile) phase. It was analysed that the passive film of the Ti alloys consisted of $TiO_2$ through X-ray photoelectron spectroscopy(XPS) analysis.
Alloys of TiAl with six different compositions. i. e., Ti-(42, 44)Al-2Nb-4V. Ti-(42, 44)Al-4Nb-2V and Ti -(42, 44)Al-4Nb-2Cr, were manufactured by arc-melting. and their oxidation behavior was studied. Both isothermal and cyclic oxidation tests were performed at 700, 800 and $900^{\circ}C$ in air for 50hr. The oxidation resistance increased in the order of Ti-(42, 44)Al-2Nb-4V, Ti-(42, 44)Al-4Nb-ZV and Ti-(42, 44)Al-4Nb-2Cr. It was found that V was a deleterious element, while Cr was a beneficial element in terms of oxidation resistance. During oxidation, a simultaneous interdiffusion was observed. All the constituent elements in the base alloys diffused outward. whereas oxygen from the atmosphere diffused inward, to form triple oxide layers composed of an outermost $\textrm{TiO}_2$ layer. upper ($\textrm{TiO}_2+\textrm{Al}_2\textrm{O}_3$) mixed layer, and lower $\textrm{TiO}_2$-rich layer.
From isothermal and cyclic oxidation tests on thermomechanically treated Ti-5%Al, Ti47%Al-4%Cr, and Ti-48%Al-2%Cr-2%Nb alloys at 800, 900, 1000℃ in air, it was found that Ti-48%Al-2%Cr-2%Nb and Ti-47%Al-4%Cr had the best and the worst oxidation resistance, respectively. The oxide scales consisted primarily of TiO₂and Al₂O₃, with and without a small amount of dissolved Cr and 7b ions, depending on the alloy composition. These ions were slightly enriched inside the inner oxide layer, and strongly enriched around the scale-matrix interface. The outer TiO₂-rich layer was formed by the outward diffusion of Ti ions, while the inner (TiO₂+A1₂O₃,) mixed layer was formed by the inward transport of oxygen. The outward movement of Al ions farmed the intermediate Al₂O₃-rich Iayer, above talc prepared alloys.
The use of titanium alloys as biomaterials is increasing due to their superior biocompatibility and enhanced corrosion resistance compared to conventional stainless steels and cobalt-based alloys. Ti-6Al-4V ($\alpha+\beta$type) alloy instead of pure titanium ($\alpha$type) is being widely used as biomaterials has some characteristics such as high fatigue strength, tensile strength and corrosion resistance. It also has similar characteristics to Ti in inducing bony ingrowth. But it has been reported recently that the vanadium element expresses cytotoxicity and carcinogenicity and the aluminium element is related with dementia of Alzheimer type and neurotoxicity. In order to overcome their detrimental effects, $\beta$-phase stabilizer Nb was chosen in the present study. CP-Ti(ASTM grade 2), Ti-3wt.%Nb($\alpha$type), Ti-20wt.%Nb ($\alpha+\beta$type) and Ti-40 wt.%Nb($\beta$type) alloys were melted by vacuum arc furnace. Biocompatibility of Ti-Nb alloys was evaluated by cytotoxicity test. The results can be summarized as follows: 1. For the cytotoxicity test, Ti-Nb alloys showed excellent biocompatibility compared to CP-Ti(ASTM grade 2), 316L STS and Co-Cr alloys.
Ti and Ti-alloys have good biocompatibility, appropriate mechanical properties and excellent corrosion resistance. However, the widely used Ti-6Al-4V is found to release toxic ions (Al and V) into the body, leading to undesirable long-term effects. Ti-6Al-4V has much higher elastic modulus (100 GPa) than cortical bone (20 GPa). Therefore, titanium alloys with low elastic modulus have been developed as biomaterials to minimize stress shielding. The electrochemical behavior of surface-modified and MC3T3-E1 cell-cultured Ti-30(Nb,Ta) alloys with low elastic modulus have been investigated using various electrochemical methods. Surfaces of test samples were treated as follows: $0.3{\mu}m$ polished; $25{\mu}m$, $50{\mu}m$ and $125{\mu}m$ sandblasted. Specimen surfaces were cultured with MC3T3-E1 cells for 2 days. Average surface roughness ($R_a$) and morphology of specimens were determined using a surface profilometer, OM, and FE-SEM. Corrosion behavior was investigated using a potentiostat(EG&G PARSTAT 2273), and electrochemical impedance spectroscopy was performed (10 mHz to 100 kHz) in 0.9% NaCl solution at $36.5{\pm}1^{\circ}C$. The microstructures of the Ti-30(Ta,Nb) alloys had a needle-like appearance. The $R_a$ of polished Ti-30Ta and Ti-30Nb alloys was lower than that of the sandblasted Ti alloy. Cultured cells displayed round shapes. For polished alloy samples, cells were well-cultured on all surfaces compared to sandblasted alloy samples. In sandblasted and cell-cultured Ti-30(Nb,Ta) alloy, the pitting potential decreased and passive current density increased as $R_a$ increased. Anodic polarization curves of cell-cultured Ti alloys showed unstable behavior in the passive region compared to non-cell-cultured alloys. From impedance tests of sandblasted and cell-cultured alloys, the polarization resistance decreased as $R_a$ increased, whereas, $R_a$ for cell-cultured Ti alloys increased compared to non-cell-cultured Ti alloys.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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