시뮬레이션된 생체의학 솔루션에서 적층 제조된 티타늄 합금의 국부적인 부식 및 재부동태화 거동

npj Materials Degradation 7권, 기사 번호: 44(2023) 이 기사 인용

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적층 제조(AM) 티타늄 합금의 국부적인 부식 거동은 공식 전위, 패시브 필름의 산소 결손 플럭스, 전위차 분극, Mott-Schottky 및 마모 전극 기술을 사용한 재부동태화 속도 간의 관계를 기반으로 연구되었습니다. AM 티타늄 합금의 국부적인 부식 저항과 재부동태화 거동 사이의 관계는 생성된 산소 공공과 축적된 양이온 공공이 국부 부식 발생에 영향을 미치는 점 결함 모델을 기반으로 한 생존 확률 상수로 설명되었습니다. 국부적인 부식은 파괴 수동막의 충분한 조건 하에서 생존 구덩이에 의해 시작될 수 있습니다. 생존 확률이 일정하다는 것은 준안정 피트에서 안정 피트로 전환되어 국부적인 부식이 발생하는 정량적 확률 값을 의미합니다. AM 티타늄 합금의 생존 확률 상수가 높을수록 재부동태화가 더 어려워지고 국부적인 부식이 더 쉽게 발생합니다.

티타늄(Ti) 합금은 수년 동안 항공우주, 해양, 의료 산업 등 다양한 분야에서 사용되어 왔습니다1,2,3. 이는 높은 강도 대 밀도 비율과 뛰어난 내식성에 기인합니다4. Ti 합금의 뛰어난 내식성은 표면의 보호 수동층에 기인합니다5,6. Ti 합금의 패시브 필름의 생체 적합성은 인체 생체 재료의 필수 요소입니다. 상업용 순수 티타늄(CP Ti; α 상)이 생체 재료로 사용되었습니다. 그러나 일부 경조직이나 하중을 받는 부분에서는 기계적 강도가 만족스럽지 못한 것으로 나타났다. 따라서 Ti-6Al-4V 및 Ti-6Al-7Nb와 같은 α + β형 Ti 합금이 개발되었습니다. α+β형 Ti 합금은 강도가 높고 내피로성이 우수하지만, 알루미늄(Al) 및 바나듐(V) 원소를 함유하면 알츠하이머병의 잠재적인 문제가 있으며 각각 인체에 독성이 있습니다7. 또한 α + β형 Ti 합금의 영률은 인간 뼈의 영률보다 높습니다8. 따라서 임플란트와 뼈 사이의 영률(Young's modulus) 차이로 인해 응력 차폐 효과가 나타날 수 있다. 최근에는 Ti-13Nb-13Zr(β 근처) 및 Ti-15Mo9와 같이 응력 차폐 효과를 방지하기 위해 모듈러스가 낮고 무독성 원소를 포함하는 β형 Ti 합금이 개발되었습니다.

오늘날 적층 제조(AM) Ti 합금은 기존 절삭 제조(SM) Ti 합금10에 비해 약 1/20인 구매-플라이 비율의 장점으로 인해 인기를 얻고 있습니다. AM 공정에는 DED(지향성 에너지 증착), SLM(선택적 레이저 용해), EBM(전자빔 용해)11,12 등 다양한 다양한 방법이 포함됩니다. DED 프로세스 중에 레이저 빔이 용융 풀을 생성합니다. 분말 재료를 아르곤(Ar) 가스로 전달하고 국부적으로 주입하여 융합 및 고형화하여 비드를 만듭니다. DED는 분말을 동시에 공급할 수 있어 다른 두 가지 방법에 비해 구성 설계의 자유도가 높습니다. 반대로, SLM과 EBM은 파우더 베드 융합 공정이기 때문에 DED와는 달리 갈퀴를 사용하여 금속 분말을 플랫폼에 균일하게 퍼뜨립니다. SLM 프로세스는 DED 프로세스보다 얇은 레이어를 제어할 수 있는 반면, EBM 프로세스는 DED 프로세스보다 빠른 빌드 속도를 생성합니다.

기계적 관점에서 볼 때 AM Ti 합금의 강도와 연성은 SM 방법과 비슷하거나 훨씬 더 큽니다. 그러나 AM Ti 합금은 적층 방향으로 인한 이방성과 마르텐사이트 상의 빠른 응고로 인해 SM Ti 합금보다 내식성이 낮습니다. SM Ti 합금(α 또는 α + β 유형)은 α 또는 α + β 상으로 구성된 미세 구조를 갖는 반면 AM Ti 합금은 마르텐사이트 α' 상을 포함합니다. 마르텐사이트 α' 상은 불안정하며 AM Ti 합금19의 내식성을 크게 감소시킵니다. Dai et al.20은 AM Ti-6Al-4V 합금의 부식 거동을 연구한 결과 침상 마르텐사이트 α' 상의 비율이 높을수록 약한 부동태 층의 형성이 약하다는 것을 발견했습니다. Seo와 Lee21,22,23는 전위차 분극, 전기화학적 임피던스 분광법(EIS), 전기화학적 임계 공식 온도 및 전기화학적 임계 국부 부식 온도를 사용하여 AM Ti-6Al-4V 합금의 균일하고 국부적인 부식 저항을 조사했습니다. 그들은 AM Ti 합금의 국부적인 내식성 감소가 마르텐사이트 α' 상의 형성과 그 분포로 인해 발생한다는 것을 발견했습니다.