생체 충전재로 강화된 티타늄 매트릭스 복합재

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 8700(2022) 이 기사 인용

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새로운 금속 매트릭스 복합재(MMC)는 Ti6Al4V 매트릭스와 규조토(DE) 형태의 생체 세라믹 필러를 사용하여 제작되었습니다. DE와 Ti6Al4V 분말의 혼합물은 스파크 플라즈마 소결(SPS) 방법으로 통합되었습니다. 통합된 샘플의 미세 구조는 현미경 기술과 XRD를 통해 조사되었습니다. 열역학적 특성은 소표본 기술을 사용하여 얻어졌습니다. 얻은 결과는 제조된 복합재가 필러와 매트릭스 사이의 시너지 효과(혼합물의 법칙을 넘어)로 인해 탁월한 기계적 및 열적 특성을 나타냄을 나타냅니다.

금속 매트릭스 복합재(MMC)는 조정 가능한 기계적 및 기능적 특성을 지닌 새로운 종류의 엔지니어링 재료입니다1. 가장 자주 사용되는 MMC 매트릭스 중 하나는 이중상 Ti6Al4V2와 같은 티타늄 및 티타늄 합금입니다.

문헌에 보고된 Ti 합금 기반 복합재의 널리 사용되는 강화재는 TiB, TiC, TiB2, TiN, B4C, ZrC, SiC, Al2O3 및 탄소 나노튜브3,4,5,6,7입니다. 기존 잉곳 야금 공정에서 Ti의 높은 화학적 반응성 때문에 제조 공정에서 비용과 재료 손실을 줄이기 위해 불연속 필러(입자 또는 단섬유)를 사용하여 TMC를 제조하는 데 일반적으로 사용되는 방법은 분말 야금(PM)입니다. )8,9,10. 우수한 복합재 성능을 보장하는 핵심 매개변수는 강화재의 균일한 분산과 매트릭스에 대한 높은 접착력입니다.

강화 및 매트릭스 반응에 따라 현장 및 현장 제작 방법이 구별될 수 있습니다. SiC, TiC, TiB, ZrC 등 열역학적으로 안정적인 세라믹을 사용한 복합재는 현장에서 처리됩니다. 이 경로는 입자 크기나 형태를 변경하지 않으며 우수한 기계적 특성(건식 미끄럼 조건에서의 내마모성 및 마찰 계수 등)을 제공합니다. 티타늄 매트릭스와 붕소, 탄소 및 질소의 반응성은 현장 처리를 가능하게 합니다. 현장 방법으로 얻은 더 나은 계면 결합은 이러한 복합재의 마찰 공학적 성능을 향상시킵니다.

또한 PM에는 혼합 원소(BE) 방법과 사전 합금(PA) 분말 방법으로 알려진 두 가지 가능한 MMC 접근 방식이 있습니다8,12. BE 방법을 통해 얻은 요소는 낮은 기계적 특성을 보이는 반면, PA 방법으로 제조된 PM의 MMC의 기계적 특성은 Ti 합금으로 생산된 것과 비슷합니다8.

단조 Ti6Al4V 합금은 850-1200MPa 범위의 인장 강도와 3~26%의 연성을 나타냅니다8,13,14,15,16. PM Ti6Al4V의 인장 강도는 다공성과 미세 구조에 따라 달라집니다.

BE로 소결된 요소는 750~900MPa8,17,18,19,20 연신율 3~13%8,17,18,19,20 범위의 강도를 부여합니다8,17,18,19,20. PA Ti6Al4V는 연성이 7.5~21%8,17,21,22,23,24인 700~1070MPa의 광범위한 인장 특성을 나타냅니다. 밀도가 100%인 PA 요소에 대해 더 높은 강도 한계가 얻어집니다.

Ti는 또한 Si와 반응하는 것으로 알려져 있으며, Ti-X-Si 합금의 산화 및 크리프 저항에 대한 Si 첨가의 유익한 효과로 인해 Ti-Si 시스템은 계속해서 기술적 관심을 끌고 있습니다. 평형 상태 다이어그램은 5개의 규화물 상, 즉 완전 화학량론적 4개(TiSi2, TiSi, Ti5Si4 및 Ti3Si)와 비화학량론적 1개(Ti5Si3)를 나타냅니다. 금속간 화합물 중에서 금속 규화물은 일반적으로 우수한 기계적/물리적 특성을 부여하는 것으로 간주됩니다.

Si의 잠재적 공급원은 다양한 유형에서 발생하는 실리카(SiO2)일 수 있습니다. 즉, 흄드 실리카, 알칼리 규산염으로 인한 침전 실리카, 점토, 유리 및 광물 용해로 인한 실리카29,30,31,32,33,34 ,35,36.