Ti and Ti alloys have been extensively used in the medical and dental fields because of their good corrosion resistance, high strength to density ratio and especially, their low elastic modulus compared to other metallic materials. Recent trends in biomaterials research have focused on development of metallic alloys with elastic modulus similar to natural bone, however, many candidate materials also contain toxic elements that would be biologically harmful. In this study, new Ti based alloys which do not contain the toxic metallic components were developed using a theoretical method (DV-$X{\alpha}$). In addition, alloys were developed with improved mechanical properties and corrosion resistance. Ternary Ti-Ag-Zr alloys consisting of biocompatible alloying elements were produced to investigate the alloying effect on microstructure, corrosion resistance, mechanical properties and biocompatibility. The effects of various contents of Zr on the mechanical properties and biocompatibility were compared. The alloys exhibited higher strength and corrosion resistance than pure Ti, had antibacterial properties, and were not observed to be cytotoxic. Of the designed alloys' mechanical properties and biocompatibility, the Ti-3Ag-0.5Zr alloy had the best results.
The hydriding and electrochemical characteristics of Zr-based $AB_2$ alloy produced by gas atomization have been extensively examined. For the particle morphology of the as-cast and gas-atomized powders, it can be seen that the mechanically crushed powders are irregular, while the atomized powder particles are spherical. The increase of jet pressure of gas atomization process results in the decrease of hydrogen storage capacity and the slope of plateau pressure significantly increases. TEM and EDS studies showed the increase of jet pressure in the atomization process accelerated the phase separation within grain of the gas-atomized alloy, which brought about a poor hydrogenation property. However, the gas-atomized $AB_2$ alloy powders produced by jet pressure of 50 bar kept up the reversible $H_2$ storage capacity and discharge capacity similar to the mechanically crushed particles. In addition, the electrode of gas-atomized Zr-based $AB_2$ alloy of 50 bar showed improved cyclic stability over that of the cast and crushed particulate, which is attributed to the restriction of crack propagation by grain boundary and dislocation with ch/discharging cycling.
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.
In order to investigate the effects of intermediate heat treatment between cold rolling passes on the hardness and corrosion properties of a Zr alloy incorporating Nb (Zr-1.49Nb-0.38Sn-0.20Fe-0.11Cr) strip, three different intermediate heat treatment processes ($580^{\circ}C{\times}4hrs$, $600^{\circ}C{\times}2hrs$ and $620^{\circ}{\times}1hrs$) were designed based on a recrystallization map and an accumulated annealing parameter. Test samples from the different processes were investigated by a hardness test, corrosion test, and microstructure analysis and appropriate heat-treatment conditions were thereupon proposed. The sample subjected to an intermediate heat treatment of $580^{\circ}C{\times}4hrs$ was harder than that undergoing $600^{\circ}C{\times}2hrs$ and $620^{\circ}C{\times}1hr$ while the corrosion resistance of the sample that received an intermediate heat treatment of $580^{\circ}C{\times}4hrs$ was superior to that of the other specimens. Considering the trade-off of hardness and corrosion resistance, an intermediate heat treatment process of $600^{\circ}C{\times}2hrs$ is proposed to improve the manufacturing process of the alloy strip.
High-entropy alloys (HEAs) are characterized by having five or more main elements and forming simple solids without forming intermetallic compounds, owing to the high entropy effect. HEAs with these characteristics are being researched as structural materials for extreme environments. Conventional refractory alloys have excellent high-temperature strength and stability; however, problems occur when they are used extensively in a high-temperature environment, leading to reduced fatigue properties due to oxidation or a limited service life. In contrast, refractory entropy alloys, which provide refractory properties to entropy alloys, can address these issues and improve the high-temperature stability of the alloy through phase control when designed based on existing refractory alloy elements. Refractory high-entropy alloys require sufficient milling time while in the process of mechanical alloying because of the brittleness of the added elements. Consequently, the high-energy milling process must be optimized because of the possibility of contamination of the alloyed powder during prolonged milling. In this study, we investigated the high-temperature oxidation behavior of refractory high-entropy alloys while optimizing the milling time.
Bulk metallic glasses(BMG) with good mechanical properties have problems that engineering application fields have been limited because of limitation of the alloy size. In order to solving this problem, the friction welding of BMG has been tried using the superplastic-like deformation behavior under the supercooled liquid region. The apparatus for friction welding test was designed and constructed using pneumatic cylinder and gripper based on a conventional lathe. Friction welding have been tried to combination of same BMG alloy and crystalline alloys. The results of welding test were evaluated by X-ray diffraction, measurement of hardness and mechanical properties test. In order to obtain the optimized welding test conditions the temperature of friction interface was measured using Infrared thermal imager.
Iodine-Induced Stress Corrosion Cracking (ISCC) properties of Zircaloy-4 and HANA4 developed in KAERI for the high burn-up nuclear fuel cladding were evaluated. To confirm the effect of final heat treatment on ISCC resistance of Zr-alloy, stress relieved and recrystallized specimens were prepared and tested. With the pre-cracked specimen at internal surface, ISCC crack propagation rates and threshold stress intensity factor ($K_{ISCC}$) based on the fracture mechanics were measured by internal pressurization test at $350^{\circ}C$ in iodine environment. $K_{ISCC}$ of Zircaloy-4 and HANA4 cladding were $3.3MPa{\cdot}m^{1/2}$ and $4.4MPa{\cdot}m^{1/2}$, respectively. Pitting corrosion at the crack surface was observed and it seemed that TG crack propagation was derived from the pitting.
The effects of Nb and Cr addition on the microstructure, corrosion and oxide characteristics of Zr based alloys were investigated. The corrosion tests were performed in a pressurized water reactor simulated-loop system at $360^{\circ}C$. The microstructures were examined using OM and TEM, and the oxide properties were characterized by low-angle X-ray diffraction and TEM. The corrosion test results up to 360 days revealed that the corrosion rates were considerably affected by Cr content but not Nb content. The corrosion resistance of the Zr-xNb-0.1Sn-yCr quaternary alloys was improved by an increasing Nb/Cr ratio. The crystal structure of the precipitates was affected by a variation of the Nb/Cr ratio. The Zr-Nb beta-enriched precipitates were mainly formed in the high Nb/Cr ratio alloy while $Zr(NbCr)_2$ precipitates were frequently observed in the low Nb/Cr ratio alloy. The studies of oxide characteristics revealed that the corrosion resistance was related to the crystal structure of the precipitate.
In order to investigate the mechanism of electrochemical hydrogenation reaction on Zr-based Laves phase hydrogen storage alloy electrodes, electrochemical charge/discharge characteristics, potentiostatic/dynamic polarizations and electrocehmical impedance spectroscopy(EIS) of Zr-Ti-Mn-Ni and Zr-Ti-Mn-Ni-M(M=Fe, Co, Al) alloys were examined. Electrochemical discharge capacities of the alloys were quite different with gas charge capacities. Therefore, it was considered that discharge capacities of the alloys depend on electrochemical kinetic factors rather then thermodynamic ones. Discharge efficiencies were increased linearly with exchange current densities. The results of potentiostatic/dynamic polarization measurements showed that electrochemical charge and discharge reaction of Zr-based Laves phase hydrogen storage alloys is controlled by charge transfer process at the electrode surface. The EIS measurements also confirmed this result.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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