레이저 외복 세라믹 강화 TI6Al4V 표면 복합재의 마찰 부식 평가

Ochonogor Onyeka Franklin; Mark Walker; Mahlatse Mphahlele

doi:10.3791/70074

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방법 논문

레이저 외복 세라믹 강화 TI₆Al₄V 표면 복합재의 마찰 부식 평가

135 조회수

⸱

DOI:

10.3791/70074

⸱

2026년 6월 12일

Ochonogor Onyeka Franklin¹ , Mark Walker¹ , Mahlatse Mphahlele²

¹Department of Mechanical Engineering, Durban University of Technology, ²Department of Mechanical and Mechatronic Engineering, Cape Peninsula University of Technology

이 논문에서

요약

생의학 임플란트(NaCl/H₂SO₄)와 관련된 조건에서 세라믹 보강 입자(Zr/TiC 및 Ti/TiC 시스템)를 사용한 복합재의 마모 저항성, 미세경도, 부식성 평가.

초록

이 글은 레이저 금속 증착(LMD)을 이용한 세라믹 상으로 강화된 TI₆_{Al 4}V 기반 복합재의 마찰 부식 거동을 평가하기 위한 포괄적인 실험 프로토콜을 제시합니다. 이 프로토콜은 생의학 및 항공우주 응용 분야에서 기계적 부하와 부식 환경에 노출된 부품에서 발생하는 시너지 열화 메커니즘을 이해해야 할 필요성을 다룹니다. 프로토콜에는 Ti₆Al₄V의 제어된 레이저 클래딩과 Zr/TiC 및 Ti/TiC 보강재가 포함되며, 이후 상세한 미세구조, 기계, 전기화학 및 트라이보 부식 특성 분석이 포함됩니다. 절차는 분말 취급, 기판 준비, 레이저 가공, 금속조직학 준비, 현미경경, X선 회절, 미세 경도 시험, 전기화학적 부식 측정, 그리고 NaCl/H₂SO₄ 전해질 내 왕복식 볼 온 플레이트 트라이보미터를 이용한 삼각부식 시험을 포함합니다. 이 방법은 슬라이딩 조건에서 수동 필름 붕괴 및 재패시베이션을 포함한 마모-부식 상호작용을 실시간으로 평가할 수 있게 하며, 적층 제조로 인한 미세구조적 특징도 고려할 수 있습니다. 이 프로토콜은 도전적인 환경에 적합한 적층 제조 금속 시스템의 기능 향상에 있어 세라믹 보강 전략의 효과를 평가하는 표준화된 프레임워크 역할을 합니다.

서론

세라믹 상을 포함한 레이저 표면 변형은 금속 임플란트의 표면 성능을 향상시키는 효과적인 접근법으로, 레이저 금속 증착(LMD⁾1을 통해 내식성 및 기계적으로 보강된 코팅을 형성할 수 있습니다. 티타늄 합금 TI₆Al₄V는 생체 적합성, 높은 강도 대비 중량 비율, 그리고 내식성 ^2,3 덕분에 생의학 임플란트에 널리 사용됩니다. 그럼에도 불구하고, 공격적인 생리 환경에서는 부식과 마찰 부식에 취약하며, 기계적 마모와 전기화학적 열화가 임플란트 성능을 저해하고 생물학적 부작용을 유발할 수 있습니다 4,5,6,7. LMD는 국소적 재용해, 급속한 응고, 보강상 도입을 통해 표면 특성을 개선하여, 맞춤형 미세구조를 갖춘 조밀하고 야금적으로 결합된 층을 생성합니다. 레이저 질화나 전자빔 처리와 같은 대체 기술과 비교할 때, LMD는 조성의 유연성, 낮은 운영 비용, 그리고 광범위한 접근성을 제공합니다 ^8,9,10. 이러한 장점 덕분에 장기적인 생체 내 성능에 필수적인 부식 저항성이 있는 적층 제조(AM) 임플란트에 특히 적합합니다¹⁰.

AM 임플란트의 부식 및 마찰 부식 거동은 다공성, 표면 거칠기, 잔류 응력, 미세구조적 이질성에 의해 영향을 받습니다¹¹. 따라서 평가에는 공격적인 전해질(예: NaCl/H₂SO₄)에서의 전기화학적 시험과 SEM 및 EDS를 이용한 미세구조 특성 분석이 필요합니다. 고온 등정 프레스, 표면 연마, 레이저 재용해 등 후처리 전략은 결함을 줄이고 표면 토폴로지를 정제하여 내식성을 더욱 향상시킵니다.

Zr, Ti, TiC를 포함한 강화 TI₆Al₄V 복합재는 향상된 수동 층 안정성과 미세구조 정교화의 결합으로 인해 향상된 내식성을 보입니다. 지르코늄은 수동 TiO₂ – ZrO₂ 혼합 산화물을 안정화하여 빠른 재 패시베이션과 더 높은 분극 저항성을 촉진합니다^12,13. TiC와 Ti 입자는 기계적 보강을 제공하며 부식성 이온에 대한 확산 장벽 역할을 하며, 잘 결합된 면은 국소 부식을 유발할 수 있는 미세한 틈새를 최소화합니다¹⁴. 재료표는 시약과 기기를 포함한 사용된 재료를 보여줍니다.

이 방법의 전반적인 목표는 세라믹 입자(Zr/TiC 및 Ti/TiC)로 강화된 AM TI₆Al₄V 복합재의 마찰부식 성능을 평가하며, 동시에 기계적 마모와 전기화학 노출 하에서 발생하는 시너지 손상 메커니즘을 포착하는 것입니다. 마찰 부식 시험은 마모 및 전기화학적 측정을 통합하여 동적 생리학적 관련 조건¹⁵^, ¹⁶^, ¹⁷^, ¹⁸^, ¹⁹^, ²⁰ 하에서 실시간 평가를 제공합니다. 이 방법은 하중을 지탱하는 생의학 임플란트나 기계적 및 화학적 응력이 결합된 부품에 적합하며, 염화물 함유 전해질을 이용해 최악의 생체 내 시나리오를 시뮬레이션합니다. 최적의 성능은 기계적 강화와 전기화학적 안정성의 균형을 맞추어 달성하며, 미세구조적 균일성과 수동 필름 무결성의 중요성을 강조합니다. 이 프로토콜은 마찰 부식 조건에서 AM TI₆Al₄V 복합재를 평가하기 위한 재현 가능하고 응용 관련 프레임워크를 제공하며, 정보에 기반한 재료 선택, 표면 공학 및 임플란트 설계를 지원합니다.

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프로토콜

1. 재료, 장비 및 시작 분말

스타팅 파우더
1. 입자 크기 범위 15–53 μm의 가스 분자 TI₆Al₄V 분말(ASTM F136), 순도가 ≥99.5 wt% 및 입자 크기 10–45 μm의 지르코늄(Zr) 분말, 그리고 순도가 ≥99 wt% 순도, 입자 크기 2–10 μm의 티타늄 카바이드(TiC) 분말을 확보하세요.
2. 가공 전에 산화와 수분 흡수를 방지하기 위해 건조한 아르곤 대기 아래 밀봉된 용기에 보관하세요.
기질 준비
1. TI₆Al₄V 기판판을 50 mm × 50 mm × 5 mm 크기로 절단합니다.
2. 기판 표면을 P320에서 P800 그릿까지 SiC 페이퍼를 차례로 연마하여 표면 산화물과 불규칙성을 제거합니다.
3. 기질을 아세톤으로 10분간 초음파 세척한 뒤, 10분간 에탄올로 세척합니다.
4. 압축 질소로 기판을 건조시키고, 레이저 금속 증착(LMD) 빌드 플랫폼에 안전하게 장착하세요.

2. 세라믹 강화 표면 복합재의 레이저 금속 증착

LMD 시스템 구성
1. 다중 호퍼 분말 공급 장치가 장착된 레이저 금속 증착 시스템을 사용하세요.
2. 약 1070 nm 파장의 연속파 광섬유 레이저를 사용하세요.
3. 동축 노즐을 사용해 레이저 스팟 직경을 1.0–1.5 mm로 설정하세요.
화약 공급 및 차폐
1. TI₆Al₄V, Zr, TiC 분말을 아르곤이 채워진 글러브 박스 아래 별도의 호퍼에 넣습니다.
2. 산소 농도를 10 ppm 이하로 낮추기 위해 모든 분말 라인과 호퍼를 고순도 아르곤으로 최소 20분간 퍼러지하세요.
3. 각 분말 급료기를 중량계법으로 보정하고 원하는 조성을 얻기 위해 급료 속도를 조정하여 총 분말 급료율을 5–10 g/min으로 유지하고, 편차는 ±2% 이내로 유지합니다.
퇴적 매개변수
1. 레이저 출력을 800–1200W로 설정하세요.
2. 스캔 속도를 6–12 mm/s로 설정하세요.
3. 용융 풀을 산화로부터 보호하기 위해 아르곤 차폐 가스 유량을 10–15 L/min로 유지하세요.
4. 인접한 트랙 간 30–50% 중첩 경로를 가진 래스터 스캔 전략을 사용하여 자료를 침착합니다.
5. 층을 쌓아 올려 층 간 냉각 간격을 조절하여 잔류 응력을 최소화합니다.
6. 증착 후 아르곤 대기에서 시료를 실온까지 냉각시키세요.

3. 미세구조 및 상 특성 분석

금속조직학 준비
1. 정밀한 다이아몬드 쏘를 사용해 조립 방향에 수직으로 샘플을 절단합니다.
2. 시료를 전도성 에폭시에 박고 제조사 지침에 따라 경화하세요.
3. SiC 페이퍼(P120에서 P1200)로 연마하고, 1 μm까지 다이아몬드 현탁으로 연마합니다.
주사 전자현미경(SEM): SEM 영상 전에 연마된 시료에 얇은 전도층을 입혀 표면 전하를 줄입니다. 각 연마된 샘플을 전도성 탄소 테이프를 사용해 알루미늄 SEM 스텁에 부착하여 적절한 전기 접촉을 보장합니다.
1. 장착된 샘플을 스퍼터 코팅기에 넣고 아르곤 대기에 5–10 nm 두께의 금 또는 탄소층을 증착합니다. 약 20mA의 스퍼터 전류를 45–60초 동안 가하여 균일한 전도성 코팅을 보장합니다. 코팅 후에는 SEM 분석이 끝날 때까지 샘플을 깨끗하고 먼지가 없는 용기에 보관하세요.
  참고: 광택 시료에 전도성 탄소 또는 금층(~5–10 nm): SEM 이미징과 정확한 EDS 원소 분석을 위해 연마된 시료에 얇은 탄소 또는 금층(~5–10 nm)을 코팅하세요. 스퍼터 코팅기를 사용해 전도층을 바르세요. 샘플을 알루미늄 스텁에 전도성 탄소 테이프로 고정한 후, 아르곤 대기에서 20 mA 압력으로 5–10 nm 금층을 60초 동안 스퍼터링합니다. 이 준비에 필요한 재료로는 연마된 금속 시료, 탄소 또는 금 코팅원, 스퍼터 코팅기 또는 열 증발기, 전도성 샘플 스텁, 접착 테이프, 에탄올 또는 아세톤이 포함된 초음파 욕조가 포함됩니다. 절차는 다음과 같습니다:
  1. 샘플 준비: 샘플 표면이 매끄럽고 긁힘이 없도록 하세요. 금속 시료의 경우, SiC 페이퍼(320–1200방)로 연마하고, 다이아몬드 페이스트(6–3–1 μm)로 연마하고, 에탄올 또는 아세톤으로 5–10분간 세척한 후 따뜻한 공기나 질소로 시료를 완전히 건조시킵니다.
  2. 코팅 재료 선택: 탄소는 원소 피크와의 간섭을 최소화하기 위해 EDS 적용에 흔히 사용되며, 금(Au)은 높은 전도성 덕분에 비전도성 또는 전도성이 낮은 시료에 적합하지만, EDS에서는 인근 원소 피크를 가릴 수 있습니다.
  3. 코팅 기법 선택:
    스퍼터 코팅(금속 및 SEM에 선호): 시료를 스퍼터 코팅기 진공 챔버에 넣고, 고진공 상태로 펌프를 내린 뒤, 제조사 사양에 따라 스퍼터 전류와 전압을 설정한 뒤, 보정된 시간 동안 스퍼터 코팅하여 ~5–10 nm 두께를 달성합니다.
  4. 최상의 결과를 위한 코팅 팁
    증착 중에는 샘플을 회전시켜 균일한 커버리지를 유지하고, 오버코팅(>10 nm 두께)을 피하며, 보정이나 프로파일로미터로 코팅 두께를 확인하고, 코팅 후 샘플이 깨끗한지 확인하여 오염을 방지하세요.
  5. SEM 이전 저장
    코팅된 샘플은 먼지가 없는 용기에 보관하고, 코팅된 표면에 닿지 않도록 하여 전도성과 영상 품질을 유지하세요.
  6. 선택 사항: 복합 코팅
    얇은 탄소층(~5nm)과 그 뒤에 금(~5nm)을 덧입혀 균형 잡힌 원소 분석의 정확성과 특히 이질성 또는 저전도도 시료의 경우 이미지 품질 향상을 위해 적용합니다.
2. 10에서 20 kV 사이의 가속 전압과 8에서 12 mm 사이의 작동 거리로 SEM 영상을 수행하세요.
3. 클래드 형상, 기공도, 강화 분포를 평가하기 위해 2차 전자 이미지를 포착합니다. 코팅된 샘플을 주사 전자현미경 챔버에 넣고 필요한 진공 수준을 맞추기 위해 기기의 절차를 따릅니다. 10–15 kV, 작업 거리 8–10 mm의 장-방출 주사 전자현미경을 사용해 2차 전자(SE) 이미지를 포착합니다. 고해상도 표면 이미지를 위해 보조 전자 검출기를 사용하세요. 다양한 배율로 현미경사진을 찍어 클래드 기하학, 다공도, 강화 분포를 분석하세요. 내보낸 각 이미지 오른쪽 하단에 스케일 바를 포함하세요.
  1. 샘플 준비
    샘플을 평평하게 연마한 후 320에서 1200방 종이로 연마한 후 다이아몬드 페이스트(6, 3, 1 μm)로 연마합니다. 샘플을 에탄올 또는 아세톤으로 초음파 욕조에서 세척한 후, 충전 중 충전을 방지하기 위해 약 5–10nm 두께의 탄소 또는 금으로 코팅합니다.
  2. 샘플 마운팅
    샘플을 탄소 테이프나 전도성 접착제를 사용해 전도성 스텁에 부착하여 평평하고 안정적으로 유지하세요. 스텁을 SEM 챔버에 삽입하고 고진공 상태로 배출하세요.
  3. 모드 선택
    SEM 제어 소프트웨어에서 2차 전자(SE) 모드를 선택하고 SE 신호를 포착하는 검출기를 선택하세요. 재료와 관심 있는 특징에 따라 가속 전압을 조절하세요.
  4. 매개변수 조정
    더 높은 해상도를 위해 작업 거리를 5–15 mm로 설정하고; 해상도 향상을 위해 약 1–5 nm 크기의 작은 스팟 크기를 사용; 더 나은 디테일을 위해 중간에서 느린 스캔 속도를 선택하세요; 클래드 분석을 위해 필요에 따라 배율을 조절; 밝기와 소음 제어를 위한 평형 빔 전류가 있습니다.
  5. 이미지 획득
    낮은 배율에서 시작해 점차 확대하여 더 세밀한 디테일을 포착하세요. 클래드 기하학, 기공성, 보강 분포를 다루기 위해 여러 장의 사진을 찍으세요.
  6. 선택 가능한 기울임 및 3D 시점
    지형 대비를 강화하기 위해 샘플을 5–20° 기울이세요. 매트릭스 내에 보강 입자가 돌출되거나 박혀 있는 것을 관찰하세요.
  7. 영상 후 단계
    이미지를 고해상도 형식으로 저장하고 축척 바, 관심 영역, 입자 크기로 주석을 달아라. 정량화와 분석을 위해 이미지 분석 소프트웨어를 활용하세요.
  8. 클래드 금속공학의 워크플로우 예시
    TiC – 강화 Ti 클래드 샘플을 준비하고, 광택을 내고, 탄소 코팅을 한 뒤, 전도성 스텁에 장착하고, SEM에 삽입하고, SE 모드(15 kV, 작업 거리 10mm)를 사용하며, 클래드 형상과 보강 분포 이미지를 획득하고, 이미지를 저장 및 분석합니다.
4. Zr 및 TiC 분포를 확인하기 위해 EDS 점 분석 및 원소 매핑을 수행합니다.
  SEM 시스템과 통합된 에너지 분산형 X선 분광(EDS) 검출기를 사용하여 원소 분석을 수행합니다. SEM을 15–20 kV의 가속 전압으로 작동시켜 특성 X선 신호의 충분한 여기를 보장합니다. 클라드 층 내 관심 있는 특정 영역에 대해 점 분석을 수행하여 원소 조성을 파악합니다. 약 60초의 실시간 획득 시간을 가진 스펙트럼을 획득하여 신뢰할 수 있는 원소 피크를 얻으세요.
  참고: 원소 매핑을 위해서는 클래드 표면의 선택된 영역을 스캔하면서 관심 원소에 대응하는 공간적으로 분해된 X선 신호를 수집하세요. 티타늄 매트릭스 내에서 지르코늄(Zr) 및 탄화티타늄(TiC) 강화상의 존재와 공간적 분포를 확인하기 위해 분포 지도를 생성합니다. 원소 지도를 일정한 스케일 바와 패널 라벨로 내보내 후속 이미지 처리를 수행합니다.
  1. 샘플 준비
    SiC 페이퍼와 다이아몬드 페이스트를 사용해 샘플을 거울 마감으로 연마합니다. 에탄올 또는 아세톤으로 초음파 목욕에서 샘플을 세척하고, 필요 시 전도성 코팅을 적용해 충전을 방지하세요.
  2. 샘플 마운트 및 SEM 구성
    샘플을 탄소 테이프로 전도성 스텁에 부착한 후 SEM 챔버에 삽입한 후 고진공 펌프로 펌프를 넣으세요. EDS 탐지를 위해 적절한 가속 전압을 선택하세요.
  3. EDS 검출기 설치
    EDS 검출기의 적절한 냉각 및 보정을 보장하고, 표준 재료를 사용하여 분광기를 보정하며, 최적의 신호 대 잡음비를 위해 라이브 타임 또는 카운트를 설정하세요.
  4. EDS 점 분석
    SEM 이미지의 관심 지점으로 이동하고, 각 지점에서 EDS 스펙트럼을 획득하며, Zr, Ti, C의 특징적인 피크를 식별하고, 소프트웨어를 사용해 무게 % 또는 원자 비율을 기록합니다.
  5. EDS 원소 매핑
    SEM 이미지에서 관심 영역을 선택하고 EDS 소프트웨어에서 매핑 모드를 활성화한 후 원소 분포 지도를 생성하기 위해 스캔을 시작하세요.
  6. SEM 이미징과의 교차 검사
    조성 대비를 위해 BSE 영상을 사용하고, 상관관계는 SE 이미지와 EDS 맵을 비교하세요.
  7. 데이터 저장 및 분석
    스펙트럼, 지도, 주석이 달린 SEM 이미지를 저장하세요. 원소 분획 정량, 입자 크기 측정, 분포 균일성 계산을 위한 소프트웨어를 활용하세요.
X선 회절(XRD)
1. 상 특성화
  SEM 시스템과 통합된 에너지 분산형 X선 분광(EDS) 검출기를 사용하여 원소 분석을 수행합니다. SEM을 15–20 kV의 가속 전압으로 작동시켜 특성 X선 신호의 충분한 여기를 보장합니다. 클라드 층 내 관심 있는 특정 영역에 대해 점 분석을 수행하여 원소 조성을 파악합니다. 약 60초의 실시간 획득 시간을 가진 스펙트럼을 획득하여 신뢰할 수 있는 원소 피크를 얻으세요.
  참고: 원소 매핑을 위해서는 클래드 표면의 선택된 영역을 스캔하면서 관심 원소에 대응하는 공간적으로 분해된 X선 신호를 수집하세요. 티타늄 매트릭스 내에서 지르코늄(Zr) 및 탄화티타늄(TiC) 강화상의 존재와 공간적 분포를 확인하기 위해 분포 지도를 생성합니다. 원소 지도를 일정한 스케일 바와 패널 라벨로 내보내 후속 이미지 처리를 수행합니다.

4. 기계적 특성

빅커스 미세 경도 시험
1. 100g 하중과 15초의 체류 시간을 사용하여 연마된 단면에 대해 빅커스 미세 경도 측정을 수행합니다.
2. 상호작용 효과를 피하기 위해 최소 100 μm 간격으로 움푹 들어간 부분을 배치하세요.
3. 샘플당 최소 10가지 측정값에서 평균 경도 값과 표준편차를 계산합니다.

5. 전기화학적 부식 시험

전기화학 전지 구성
1. 시료를 작동 전극으로 하는 전기화학 전지, 백금 메시 카운터 전극, 그리고 Ag/AgCl 기준 전극을 준비합니다.
2. 절연 래커를 사용해 1cm² 크기의 작동 전극 면적을 노출시킵니다.
3. NaCl/H₂_SO-4 수용성 전해질을 25 ± 1 °C에서 유지하세요.
개방 회로 전위 및 편극
1. 샘플을 담그고 개방 회로 전위(OCP)에서 30분간 안정화를 허용합니다.
2. −0.25 V에서 +1.5 V 사이에서 Ag/AgCl 대비 1 mV/s 스캔 속도로 가변역학적 편광 스캔을 수행하세요.
3. 타펠 외삽법을 통해 부식 잠재력(E_corr)과 부식 전류 밀도(i_corr)를 산출합니다.

6. 통합 마찰 부식 시험

트라이보부식 설정
1. 전기화학 시료를 포텐셔탯과 연결된 왕복식 볼 온 플레이트 트라이보미터에 장착합니다.
2. 직경 6mm의 알루미나(알루미늄₂O₃) 카운터바디 볼을 사용하세요.
3. 5 N의 일반 하중과 1 Hz의 슬라이딩 주파수를 5 mm 슬라이딩 거리 동안 가하세요.
4. 동일한 NaCl/_{H 2}_SO-4 전해질 환경에서 전기화학적 제어 하에 미찰 부식 시험을 실시합니다.
테스트 실행 및 표준
1. 슬라이딩 중 마찰 계수, 전류 반응, 전위를 연속적으로 기록하세요.
2. ASTM G119에 따라 시너지 마모 부식 효과를 평가하기 위해 삼찰 부식 시험을 수행하세요.
3. 테스트 후 증류수로 샘플을 세척하고, 질소로 건조한 후 SEM으로 마모 자국을 검사합니다.

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결과

분말 및 기판 특성 분석
시작 보강 분말((A) Ti, (B) Zr, (C) TiC)의 대표적인 주사 전자현미경(SEM) 현미경 사진은 그림 1에 나와 있습니다. 이 이미지들은 가스 분화된 분말과 상업적으로 공급된 분말에서 얻은 전형적인 입자 형태를 보여줍니다. 티타늄과 지르코늄 입자는 주로 구형에서 거의 구형에 가까운 형태를 보였으며, 티타늄 카바이드(TiC) 입자는 세라믹 분말 특성과 일치하는 각지고 다면화된 형태를 보였습니다. 레이저 가공 이전에는 입자 크기 분포가 제조사가 지정한 범위 내에 있었습니다. 그림 2는 수신된 TI₆Al₄V 기판의 SEM 이미지와 이에 대응하는 에너지 분산형 X선 분광(EDS) 스펙트럼을 보여줍니다. 미세구조는 검사된 배율에서 균일하게 나타났으며, 가공 ...

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토론

이 방법 논문은 레이저 금속 증착(LMD)을 이용한 세라믹 상으로 강화된 TI₆_{Al 4}V 기반 복합재의 가공, 특성화 및 트라이보 부식 평가를 위한 재현 가능한 프로토콜을 제시합니다. 이 방법론은 분말 특성 분석, 현장 혼합 자동화, 레이저 클래딩, 미세구조 분석, 전기화학 시험, 결합 마찰부식 평가를 통합하여 공격적인 서비스 환경에서 티타늄 합금이 겪는 복잡한 열화 메커니즘을 해결합니다. 기계적 및 전기화학적 부하를 단일 실험 틀 내에 결합함으로써, 이 프로토콜은 기존의 독립적인 마모나 부식 시험으로는 접근할 수 없는 시너지 효과 마모 부식 상호작용을 포착합니다.

재현성과 신뢰성을 보장하기 위해 특히 중요한 절차적 단계들이 있습니다. 분말 특성 분석과 취급은 필수적이며, 입자 크기 분포, 형태, 화학 순도가 LMD 중 분말 흐름 안정성, 용융 풀 역학, 강화 분산...

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공개 사항

저자들은 이 연구와 이해 상충이 없으며 AI 글쓰기 도구를 사용하지 않았습니다.

감사의 글

저자들은 이 작업에 재정 지원을 제공해 준 더반 공과대학교에 감사의 뜻을 전합니다.

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재료

이 논문에 사용된 재료 목록
이름	회사	카탈로그 번호	댓글
원재료 / 분말
Ti₆Al4V 분말			가스 원자화, 15–53 μm (ASTM F136) 연구에서의 사용: 레이저 클래딩 및 기판을 위한 매트릭스 소재.
지르코늄(Zr) 분말			순도 ≥99.5 wt.%, 10–45 μm 연구에서의 사용: 복합재 보강 및 안정화 소재.
티타늄 카바이드(TiC) 분말			순도 ≥99 wt.%, 2–10 μm 연구에서의 사용: 복합재를 위한 세라믹 보강 소재.
Ti/TiC 분말			혼합 복합 분말(특정 중량비율) 연구에서의 사용: 복합재를 위한 보강 혼합.
Zr/TiC 분말			혼합 복합 분말(특정 중량비율) 연구에서의 사용: 복합재를 위한 보강 혼합.
가스 & 화학물질
질소(N2)			제어 환경/안전 예방 조치 연구에서의 사용: 분말 혼합 및 레이저 금속 증착(LMD) 시스템을 위한 제어 환경.
아르곤(Ar)			퍼징 환경, 캐리어/차폐 가스 연구에서의 사용: 분말 로딩, LMD 대기 및 캐리어 가스가 있는 동축 노즐.
아세톤			세정 용제 연구에서의 사용: Ti6Al4V 기판 세정.
에탄올			세정 용제 연구에서의 사용:
냉각 용액			물 연구에서의 사용: Ti6Al4V 기판 세정.
투명 에폭시 수지			장착 소재 연구에서의 사용: 전극 또는 금속 조직학적 준비를 위한 시편 장착.
전도성 에폭시			장착 소재 연구에서의 사용: 현미경 관찰을 위한 시편 장착(단면 후)
에머리 지(SiC)			다양한 입자 크기 연구에서의 사용: 금속 조직학적 준비를 위한 시료 연삭.
다이아몬드 페이스트			연마 화합물 연구에서의 사용: 노출된 전극 표면 및 단면의 연마.
모사 체액(SBF)			전해질 연구에서의 사용: 전기화학적 부식 시험.
NaCl/H₂SO₄ 전해질			불특정 농도 연구에서의 사용: 전기화학적 부식 시험.
장비 & 기기
주사 전자 현미경(SEM)			에너지 분산 X-선 분광법(EDS) 포함 연구에서의 사용: 분말 및 기판 특성화, 미세구조 분석, 보강 분산 및 EDS 매핑.

참고문헌

Wei, G., Tan, M., Attarilar, S., Li, J., Uglov, V. V., Wang, B., et al. An overview of surface modification: A way toward fabrication of nascent biomedical Ti6Al4V alloys. J. Mater. Res. Technol. 24 (1), 5896-5921 (2023).
Saran, R., Ginjupalli, K., George, S. D., Chidangil, S., Unnikrishnan, V. K. Laser as a tool for surface modification of dental biomaterials: A review. J. Oral Biol. Craniofac. Res. 9 (3), e17457(2023).
Marin, E., Lanzutti, A. Biomedical applications of titanium alloys: A comprehensive review. Materials. 17 (1), 114(2023).
Ju, J., et al. Remarkable bioactivity, bio-tribological, antibacterial, and anti-corrosion properties in a Ti6Al4V-xCu alloy fabricated by laser powder bed fusion. Chem. Eng. J. 471 (1), 144656(2023).
Bocchetta, P., et al. Passive layers and corrosion resistance of biomedical Ti6Al4V and β-Ti alloys. Coatings. 11 (4), 487(2021).
Eliaz, N. Corrosion of metallic biomaterials: A review. Materials. 12 (3), 407(2019).
Kumar, M., Kumar, R., Kumar, S. Coatings on orthopedic implants to overcome present problems and challenges: A focused review. Surf. Coat. Technol. 45 (1), 5269-5276 (2021).
Dini, C., et al. Progression of bio-tribocorrosion in implant dentistry. Front. Mech. Eng. 6 (1), 1(2020).
Soni, N., Renna, G., Leo, P. Advancements in metal processing additive technologies: Selective laser melting. Metals. 14 (9), 1081(2024).
Iftekar, S. F., et al. Advancements and limitations in 3D printing materials and technologies: A critical review. Polymers. 15 (11), 2519(2023).
Khan, T., et al. Recent developments in improving the fracture toughness of 3D-printed fiber-reinforced polymer composites. Compos. Part B Eng. 283 (1), 111622(2024).
Taghian, M., et al. Laser powder bed fusion of metallic components: Latest progress in productivity, quality, and cost perspectives. J. Mater. Res. Technol. 27 (2023), 6484-6500 (2023).
Liu, C. C., et al. Influence of Zr alloying on the corrosion behavior of Ti-Zr alloys in simulated hot HNO₃ reprocessing conditions. Corros. Sci. 246 (1), 112729(2025).
Dohare, S. Corrosion Protection and Modern Infrastructure. Introduction to Corrosion – Basics and Advances. , (2023).
Wang, C., et al. Microstructure and mechanical properties of TiC/Ti6Al4V composite fabricated by concurrent wire-powder feeding laser-directed energy deposition. Opt. Laser Technol. 181 (1), 111836(2025).
Hlinka, J., Bán, K. Analysis of mechanical properties, microstructure, and surface oxygen concentration of heat-treated additively manufactured Ti-6Al-4V. J. Mater. Res. Technol. 30 (1), 8815-8821 (2024).
Tao, X., et al. Effect of heat input on the microstructure and mechanical properties of Ti6Al4V alloy repaired by wire-feed electron beam additive manufacturing. J. Mater. Res. Technol. 25 (1), 4674-4685 (2023).
Wang, L., et al. Direct energy deposition of TiC/Ti6Al4V graded materials and heat resistance improvement during ablation. J. Mater. Res. Technol. 33 (1), 8482-8490 (2024).
Faraji, M., et al. Effect of natural inhibitors on the corrosion properties of grade 2 titanium alloy. Materials. 17 (21), 5202(2024).
Jáquez-Muñoz, J. M., et al. Corrosion of anodized titanium alloys. Coatings. 14 (7), 809(2024).
Chen, L., et al. Corrosion of commercial pure titanium and titanium alloys in extremely high-chloride, high-alkali seawater electrolysis environments. J. Alloys Compd. 1020 (1), 179431(2025).
Fayomi, O. S. I. Super-strengthening functional composite coating from ZnO-doped snail shell particulate for corrosion mitigation of mild steel. Results Surf. Interfaces. 17 (1), 100294(2024).
Xia, C., et al. Effect of zirconium content on the microstructure and corrosion behavior of Ti6Al4V-xZr alloys. Corros. Sci. 112 (1), 687-695 (2016).
Liu, X., et al. Enhancement of electrochemical corrosion resistance of Ti-6Al-4V alloy reinforced with TiC particles via directed energy deposition. Corros. Sci. 221 (1), 111343(2023).
Teng, J., et al. Influence of Ti addition on oxidation behavior of Ni-Cr-W-based superalloys. Corros. Sci. 193 (1), 109882(2021).
Lu, Y. J., et al. Enhancing tribological properties of titanium composites through biomimetic structural engineering. Compos. Part A Appl. Sci. Manuf. 199 (1), 109176(2025).
Ben Rabha, M., et al. Fabrication and characterization of silicon surface grooving using CV etching for solar cell applications. Sustainability. 15 (20), 15638(2023).
Taufiqurrakhman, M., Khan, T., Bryant, M. G. Investigating the roles of protein on the cobalt alloy surface degradation for biomedical implant through tribocorrosion mechanisms. Tribol. Lett. 72 (2), 54(2024).
Tomova, Z. Corrosion resistance of cobalt–chromium alloys for metal ceramic dental restorations. Folia Medica. 67 (4), (2025).
Nguyen, H. D., et al. A critical review on additive manufacturing of Ti6Al4V alloy: Microstructure and mechanical properties. J. Mater. Res. Technol. 18 (1), 4641-4661 (2022).
Zhang, C., et al. The state of the art in machining additively manufactured titanium alloy Ti-6Al-4V. Materials. 16 (7), 2583(2023).
Sambo, A. M., Younas, M., Njuguna, J. Insights into machining techniques for additively manufactured Ti-6Al-4V alloy: A comprehensive review. Appl. Sci. 14 (22), 10340(2024).
Mohamed, O. F., et al. Microstructure and corrosion resistance of hybrid additively manufactured Ti-6Al-4V via laser powder bed fusion. Sci. Rep. 15 (1), 30703(2025).
Patel, P., et al. Influence of aluminum addition on the microstructure and tribomechanical behavior of HVOF-sprayed AlxFeCrMnCoNi high-entropy coatings. J. Alloys Compd. 1039 (1), 182854(2025).
Zakerin, N., et al. Review of tribological and wear behavior of alloys fabricated via directed energy deposition. J. Manuf. Mater. Process. 9 (6), 194(2025).

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