Ti의 미세 구조 반응 및 마모 거동

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 21978(2022) 이 기사 인용

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티타늄 합금은 내식성이 뛰어난 것으로 알려져 있습니다. 그러나 표면 경도가 낮으면 내마모성이 저하되어 잠재적인 적용이 제한됩니다. 본 연구에서는 불활성 텅스텐 가스 용접 공정 중에 생성된 전기 아크를 사용하여 나노 크기 입자(Al2O3 및 TiO2)의 혼합물을 포함하는 경질 Ni 코팅을 Ti-6Al-4V 합금 표면에 삽입하는 새로운 2단계 공정을 사용합니다. 샘플의 표면은 Vickers Microhardness, 주사 전자 현미경, 에너지 분산 분광학 및 핀-온-플레이트 마모 테스트를 사용하여 평가되었습니다. 미세 구조 분석에 따르면 티타늄 표면에 Ni/(Al2O3 및 TiO2) 나노물질을 함침시키면 표면 아래 약 2mm 깊이까지 단단한 마르텐사이트 구조가 형성되는 것으로 나타났습니다. 관찰된 변화는 표면 화학의 변형과 니켈의 존재에 의해 발생하며 나노입자에 의한 처리된 층의 입자 크기 감소, 고용체 강화 및 분산 강화를 유발합니다. 40 nm Al2O3 및 30 nm TiO2 입자가 표면에 묻혀 있을 때 처리된 층의 경도는 180% 이상 증가했습니다. 마찬가지로, 처리된 표면의 내마모성은 100% 향상되었습니다.

티타늄 합금의 사용은 1950년대 초 처음 개발된 이후 크게 확대되었습니다. 이제 높은 강도와 ​​성능이 요구되는 여러 극한 작업 환경에 적용할 수 있습니다1. 기계적 및 내부식성 특성은 바람직하며 자동차, 항공우주 및 생물의학 산업에서 중요한 응용 분야를 가지고 있습니다2. 군용 장비 및 민간 제품을 포함한 다양한 분야에서 티타늄 합금에 상당한 관심이 집중되었습니다. 최초의 실용적인 티타늄 합금은 1950년대 항공우주 및 군사용으로 개발된 Ti6Al4V 합금이었습니다. 개발된 지 수년이 지난 후에도 Ti6Al4V 합금은 여전히 ​​생물의학, 항공우주 응용 분야에서 가장 성공적이고 자주 사용되는 재료입니다3.

Ti6Al4V 합금은 바람직한 기계적 강도 특성과 내식성을 많이 갖고 있지만 표면 경도가 낮아 내마모성이 낮고 마찰 계수가 높다는 것이 주된 한계입니다4. 이러한 제한으로 인해 높은 접촉 하중이 사용되는 상황에서는 Ti6Al4V 합금을 적용할 수 없습니다4. 지난 20년 동안 이온 주입5, 열 처리, 물리적 기상 증착(PVD), 화학적 기상 증착(CVD)6 등 티타늄 합금의 표면 경도를 향상시키는 수많은 방법이 연구되었습니다. 가스 질화는 일반적으로 1000°C 범위에서 수행되는 고온 확산 공정을 통해 표면층의 경도를 향상시키는 가장 중요한 가능성을 입증했습니다7,8. 이 공정의 제한 요소는 고온 노출로 인해 지속적으로 기록되는 입자 성장입니다9. 결합된 가스와 CVD 공정은 티타늄 표면의 경도를 향상시킬 수 있는 가능성도 보여주었습니다. 그러나 이 공정은 두 개의 반응기에서 수행되어야 하기 때문에 불연속적입니다10. Tobola et al.11의 또 다른 연구에서 연구원들은 티타늄 구성 요소가 가스 질화 공정을 거치기 전에 130N의 힘으로 버니싱되는 2단계 공정을 탐색했습니다. Ti6Al4V의 표면 경도가 증가하는 반면, 기계적 처리로 인해 전위 및 결정립계 개구부 형태의 결함이 많이 형성되었습니다. 표면 코팅과 같은 기술이 시도되었습니다. 그러나 이 방법의 주요 제한은 증착된 코팅과 티타늄 합금 사이의 접착 강도가 좋지 않다는 것입니다.

다른 기술에는 집중된 에너지원을 사용하여 티타늄 합금의 표면을 경화시키는 것이 포함됩니다. 일반적인 에너지원으로는 레이저13, 플라즈마 또는 전자빔이 포함되어 표면 처리에 필요한 고출력 밀도를 제공합니다14. 이러한 기술은 티타늄 합금 표면을 경화시키는 데 상당한 잠재력을 보여 주지만 필요한 장비는 엄청나게 비쌉니다. 또 다른 연구에서는 불활성 텅스텐 가스 용접 시 발생하는 전기 아크를 이용하여 Ti6Al4V 표면을 경화시켜 질소 가스와 함께 표면을 녹여 Ti6Al4V 합금 표면에 질화물 층을 생성시켰다. 일반적으로 열처리된 부분을 질소로 덮어 질화막을 생성합니다. 아르곤 가스는 어떤 형태의 오염도 방지하는 데에도 사용됩니다. 질화층의 경도와 내마모성은 사용된 질소 가스의 밀도와 양에 따라 달라집니다. 표면을 수정하여 재료의 표면 특성을 개선하는 것은 실제 마찰 공학 적용에 앞서 필수적인 요구 사항이 되었습니다15. Ti6Al4V 합금은 마찰 감소, 경도, 내마모성 및 화학적 안정성 성능을 향상시키기 위해 적절한 표면 처리가 필요합니다8,10. 표면 처리는 Ti6Al4V 합금이 원하는 대량 특성을 유지하면서 다양한 분야로 응용 범위를 확장하도록 보장합니다. 표면 개질은 엔지니어링 부품의 성능과 비용을 포괄하는 좋은 요소이기도 합니다. Ti6Al4V 합금의 다양한 표면 개질 기술은 화학적 특성을 기반으로 개발되었습니다. 이러한 기술은 사용된 장비의 비용과 표면 변화 및 내마모성 개선을 달성하는 데 소요되는 시간으로 인해 다양한 수준의 성공과 추가적인 한계를 보여주었습니다4,5.