광학 현미경을 이용한 미세조직 관찰 결과를 Figure 4-2. 와 Figure 4-3. 에 나타내 었다. SM Ti-6Al-4V 합금은 α + β 구조의 상을 보였다. 노출면이 YZ, XZ 면인 AM Ti-6Al-4V 합금은 Scanning direction 과 수직한 방향으로 밝은 상과 어두운 상이 교 차하는 형상의 Lamellar structure 구조를 띄며, 모두 침상 구조의 마르텐사이트 α`
상이 관찰되었다. 반면, 노출면이 XY면인 AM Ti-6Al-4V 합금에서는 국부적으로 어두운 면이 있는 것을 확인하였다.
Figure 4-1. XRD results of SM Ti-6Al-4V alloy and YZ, XZ, XY planes of AM Ti-6Al-4V alloy
Figure 4-2. Microstructure image of SM Ti-6Al-4V alloy
3. EBSD 분석
SM Ti-6Al-4V 합금과 노출면이 YZ, XY면인 AM Ti-6Al-4V 합금을 EBSD 분석하였다.
Figure 4-4.의 IQ(Image quality) map을 통해 SM Ti-6Al-4V 합금의 결정립의 최대 직 경은 12.2 μm 수준인 것을 확인하였고 IPF(Inverse pole figure) map 을 통해 다양한 방향의 결정면이 고르게 혼합되어 있는 것을 알 수 있다. Figure 4-5. 와 Figure 4-6.
으로부터 노출면이 YZ, XY 면인 AM Ti-6Al-4V 합금 모두 침상 구조의 마르텐사이트 α` 상이 존재하였는데 노출면이 YZ 면인 시료의 경우 각 조직이 이루는 각이 수직한 경우가 다수 존재하며, 노출면이 XY 면인 시료는 각 조직이 불균일한 방향으로 존재하 였다. 또한, 적층가공 합금 XY면의 경우 고배율(약 1330배) 로 관찰 시 결정립의 최대 직경은 약 51.88 μm 이하 였고, YZ 면은 약 67.5 μm 이상으로 XY면의 침상구조의 마 르텐사이트 α`의 길이가 짧음을 알 수 있었다.
고배율(약 1330배)로 분석하였을 때, 각 시료의 미세조직에 따른 결정 방위를 알 수 있었으나 적층 제조 시 층간 결정 방위를 비교하기 어려워 분석 배율을 고배율에서 저 배율(200배)로 줄여 Layer 와 Layer 간의 결정 방위를 추가적으로 분석하여 Figure 4-7.과 Figure 4-8.에 나타내었다. 노출면이 YZ 면인 AM Ti-6Al-4V 합금의 경우 광학 현미경 관찰 시 밝은 면과 어두운 면으로 이루어져 있는 것을 확인하였는데, 이 영역 에 따라 비슷한 결정면을 갖는 조직들이 밀집되어 분포되어 있는 것을 알 수 있었다.
노출면이 XY 면인 AM Ti-6Al-4V 합금의 경우 광학현미경을 이용하여 미세조직 관찰 시 국부적으로 나타나는 어두운 면과 밝은 면의 결정 방위가 다른 것을 알 수 있었다.
Figure 4-4. IPF Map and IQ Map through EBSD analysis of Ti-6Al-4V alloy
Figure 4-5. IPF Map and IQ Map of AM Ti64 - YZ plane at high magnification
Figure 4-7. IPF Map and IQ Map of AM Ti64 - YZ plane at low magnification
제 2 절 전기화학 분석
1. 불소 이온 함량에 따른 시료의 부식 거동 비교
Figure 4-9. 와 Figure 4-10. 에 인공타액 내 불소 이온 함량에 따른 동전위 분극시 험 결과를 나타내었다. 인공타액 내 불소 이온의 함량이 증가함에 따라 각 시료의 부 식전위는 다음과 같다. SM Ti-6Al-4V 합금은 -0.44 ~ -0.24 VAg/AgCl , YZ 면은 -0.48 ~ -0.15 VAg/AgCl, XZ 면은 -0.47 ~ -0.16 VAg/AgCl, XY 면은 -0.31 ~ -0.1 VAg/AgCl 수준으로 특정 시료의 부식전위가 높거나 낮은 양상을 띠지 않았으며, 인공타액 내 불소 이온의 농도와 상관없이 시료의 부식전위는 약 -0.47 ~ -0.1 VAg/AgCl 로 측정되었다.
시험에 사용된 각 시료의 부식속도는 다음과 같다. SM Ti-6Al-4V 합금은 1.95 × 10-6 ~ 1.6 ×10-5 A/cm2 , YZ 면은 1.19 × 10-6 ~ 3.63 ×10-6 A/cm2, XZ 면은 1.13
× 10-6 ~ 1.29 ×10-5 A/cm2, XY 면은 1.36 × 10-6 ~ 8.8 ×10-6 A/cm2 수준으로 인 공타액 내 불소이온의 농도가 증가함에 따른 부식속도의 영향은 없었다.
하지만, 인공타액 내 불소 이온의 함량이 증가함에 따라 SM Ti-6Al-4V 합금과 AM Ti-6Al-4V 합금 모두 1.6 VAg/AgCl 부근에서 전류밀도가 크게 증가하는 양상을 보였다.
이는 Ti-H2O pourbaix diagram에서 알 수 있듯이 1.6 VAg/AgCl 내외에서 Ti4+에서 Ti6+로 의 추가적인 산화에 의한 것으로 추정된다. 1.6 VAg/AgCl에서 SM Ti-6Al-4V 합금의 전류 밀도 값은 6.01 × 10-6 ~ 1.71 × 10-5 A/cm2 까지 증가하였으며, AM Ti-6Al-4V 합금 은 5.1 ×10-6 ~ 6.84 × 10-5 A/cm2 까지 증가하여 같은 불소 이온 농도 조건에서 AM Ti-6Al-4V 합금이 더 크게 증가하였음을 알 수 있었다.
또한, 6 VAg/AgCl 까지 전위를 인가한 시료의 표면을 주사전자현미경을 이용한 표면 관 찰 및 EDX 분석을 진행하였다. 적층가공 합금의 노출면에 따른 내식성의 차이는 없어 YZ 면을 대표군으로 하여 SM Ti-6Al-4V 합금과 비교하였는데, SM Ti-6Al-4V 합금의 경 우 표면에 Na2TiF6와 같은 복합화합물들이 타이타늄 합금 표면에 생겨 TiO2 피막을 국 부적으로 손상시키고 있는 것을 확인하였다.(Figure 4-12,13) 반면, YZ 면의 AM Ti-6Al-4V 합금의 경우 Na2TiF6 의 복합화합물이 TiO2 피막을 손상시키는 것뿐만 아니 라, 한 층이 무너지거나 박리되는 것을 관찰하였다. (Figure 4-14.15)
10-10 10-9 10-8 10-7 10-6 10-5 10-4 0
2 4
(a) 6
10-6 10-5 10-4
1 2 3
Potential (Vvs. Ag/AgCl)
Current density (A/cm2) 0 ppm F 3000 ppm F 500 ppm F 4000 ppm F 1000 ppm F 5000 ppm F 2000 ppm F
P ot en tia l ( V
vs. Ag/AgCl)
Current density (A/cm2)
10-10 10-9 10-8 10-7 10-6 10-5 10-4 0
2 4
6 0 ppm F 3000 ppm F 500 ppm F 4000 ppm F 1000 ppm F 5000 ppm F 2000 ppm F
(b)
10-6 10-5 10-4
1 2 3
Potential (Vvs. Ag/AgCl)
Current density (A/cm2)
P ot en tia l ( V
vs. Ag/AgCl)
Current density (A/cm2)
10-10 10-9 10-8 10-7 10-6 10-5 10-4 0
2 4 6
0 ppm F 3000 ppm F 500 ppm F 4000 ppm F 1000 ppm F 5000 ppm F 2000 ppm F
(c)
10-6 10-5 10-4
1 2 3
Potential (Vvs. Ag/AgCl)
Current density (A/cm2)
P ot en tia l ( V
vs. Ag/AgCl)
Current density (A/cm2)
10-10 10-9 10-8 10-7 10-6 10-5 10-4
0 2 4 6
0 ppm F 3000 ppm F 500 ppm F 4000 ppm F 1000 ppm F 5000 ppm F 2000 ppm F
(d)
10-6 10-5 10-4
1 2 3
Potential (Vvs. Ag/AgCl)
Current density (A/cm2)
P ot en tia l ( V
vs. Ag/AgCl)
Current density (A/cm2)
Figure 4-10. Potential polarization curves of (a) XZ plane and (b) XY plane of AM Ti-6Al-4V in the artificial saliva solution with 0 ~ 5000 ppm NaF. (inlet :
magnified curves of 1~3.5 VAg/AgCl region)
0 500 1000 2000 3000 4000 5000 -0.6
-0.4 -0.2
(a) 0.0
Ecorr (VAg/AgCl)
Fluoride ion concentration (ppm)
SM Ti-6Al-4V YZ plane XZ plane XY plane
0 500 1000 2000 3000 4000 5000 1E-6
1E-5
icorr (A/cm2 ) (b)
Fluoride ion concentration (ppm)
SM Ti-6Al-4V YZ plane XZ plane XY plane
4E-6 5E-6 6E-6 7E-6 8E-6 9E-6
(c)1E-5 SM Ti-6Al-4V YZ plane XZ plane XY plane
i1V(A/cm2 )
0 500 1000 2000 3000 4000 5000 1E-5
(d)1E-4
i1.6V (A/cm2 )
Fluoride ion concentration (ppm)
SM Ti-6Al-4V YZ plane XZ plane XY plane
0 500 1000 2000 3000 4000 5000
1E-5
(e) 1E-4 SM Ti-6Al-4V YZ plane XZ plane XY plane
i2.5V(A/cm2 )
Fluoride ion concentration (ppm)
Figure 4-11. (a) Ecorr(VAg/AgCl), (b) icorr(A/cm2), (c) i1V(A/cm2), (d) i1.6V(A/cm2), (e) i2.5V(A/cm2) of each sample according to the fluoride content in artificial
saliva solution
Table 4.1 Ecorr(VAg/AgCl) of Ti-6Al-4V alloys in the artificial saliva solution with 0 ~ 5000 ppm NaF
Table 4.2 icorr(A/cm2) of Ti-6Al-4V alloys in the artificial saliva solution with 0 ~ 5000 ppm NaF
Solution SM Ti-6Al-4V alloy
AM Ti-6Al-4V alloy
YZ plane XZ plane XY plane
AFS -0.35 -0.32 -0.23 -0.31
AFS + 500 ppm NaF -0.44 -0.22 -0.47 -0.3 AFS + 1000 ppm NaF -0.37 -0.23 -0.31 -0.1 AFS + 2000 ppm NaF -0.24 -0.23 -0.32 -0.28 AFS + 3000 ppm NaF -0.2 -0.2 -0.22 -0.32 AFS + 4000 ppm NaF -0.31 -0.12 -0.19 -0.26 AFS + 5000 ppm NaF -0.46 -0.35 -0.38 -0.38
Solution SM Ti-6Al-4V alloy
AM Ti-6Al-4V alloy
YZ plane XZ plane XY plane AFS 4.26×10-6 3.63×10-6 1.13×10-6 2.37×10-6 AFS + 500 ppm NaF 5.82×10-6 2.37×10-6 1.29×10-5 6.57×10-6 AFS + 1000 ppm NaF 1.60×10-5 3.20×10-6 3.03×10-6 1.36×10-6 AFS + 2000 ppm NaF 2.02×10-6 4.46×10-7 3.60×10-6 6.33×10-7 AFS + 3000 ppm NaF 3.10×10-6 1.85×10-6 6.27×10-6 3.42×10-6 AFS + 4000 ppm NaF 1.95×10-6 1.19×10-6 1.43×10-6 8.80×10-6 AFS + 5000 ppm NaF 1.20×10-6 4.26×10-6 3.35×10-6 2.03×10-6
Table 4.3 i1V(A/cm2) of Ti-6Al-4V alloys in the artificial saliva solution with 0 ~ 5000 ppm NaF
Table 4.4 i1.6V(A/cm2) of Ti-6Al-4V alloys in the artificial saliva solution with 0 ~ 5000 ppm NaF
Solution SM Ti-6Al-4V alloy
AM Ti-6Al-4V alloy
YZ plane XZ plane XY plane AFS 4.46×10-6 5.10×10-6 7.60×10-6 7.83×10-6 AFS + 500 ppm NaF 6.01×10-6 7.55×10-6 7.43×10-6 1.29×10-5 AFS + 1000 ppm NaF 1.07×10-5 1.15×10-5 1.21×10-5 1.86×10-5 AFS + 2000 ppm NaF 1.77×10-5 2.03×10-5 1.20×10-5 3.72×10-5 AFS + 3000 ppm NaF 1.90×10-5 1.99×10-5 1.40×10-5 3.40×10-5 AFS + 4000 ppm NaF 1.46×10-5 3.50×10-5 6.84×10-5 4.70×10-5 AFS + 5000 ppm NaF 2.60×10-5 3.46×10-5 5.51×10-5 4.48×10-5
Solution SM Ti-6Al-4V alloy
AM Ti-6Al-4V alloy
YZ plane XZ plane XY plane AFS 3.54×10-6 3.51×10-6 4.62×10-6 4.94×10-6 AFS + 500 ppm NaF 3.72×10-6 3.99×10-6 3.47×10-6 4.37×10-6 AFS + 1000 ppm NaF 4.10×10-6 4.55×10-6 5.23×10-6 5.14×10-6 AFS + 2000 ppm NaF 4.97×10-6 5.24×10-6 6.80×10-6 7.41×10-6 AFS + 3000 ppm NaF 3.20×10-6 3.21×10-6 4.55×10-6 6.48×10-6 AFS + 4000 ppm NaF 4.80×10-6 5.98×10-6 5.46×10-6 5.29×10-6 AFS + 5000 ppm NaF 2.84×10-6 3.39×10-6 3.85×10-6 4.82×10-6
Table 4.5 i2.5V(A/cm2) of Ti-6Al-4V alloys in the artificial saliva solution with 0 ~ 5000 ppm NaF
Solution SM Ti-6Al-4V alloy
AM Ti-6Al-4V alloy
YZ plane XZ plane XY plane AFS 4.86×10-6 6.10×10-6 6.08×10-6 6.75×10-6 AFS + 500 ppm NaF 6.11×10-6 1.42×10-5 7.97×10-6 1.03×10-5 AFS + 1000 ppm NaF 8.68×10-6 8.54×10-6 1.80×10-5 1.72×10-5 AFS + 2000 ppm NaF 1.22×10-5 1.50×10-5 2.68×10-5 2.87×10-5 AFS + 3000 ppm NaF 2.03×10-5 2.15×10-5 1.03×10-5 1.46×10-5 AFS + 4000 ppm NaF 3.91×10-5 1.80×10-5 4.48×10-5 2.10×10-5 AFS + 5000 ppm NaF 1.25×10-5 1.60×10-5 1.59×10-5 2.00×10-5
(a)
(b)
Figure 4-12. Surface of SM Ti-6Al-4V after polarization test (a),(b) in the
(a)
(b)
Figure 4-13. EDX analysis results in steps 1 and 2
Element Weight% Atomic%
O K 27.55 49.01 F K 7.29 10.91 Na K 0.65 0.80
Al K 2.21 2.33 Ti K 60.07 35.69 V K 2.23 1.25 Totals 100.00
Element Weight% Atomic%
F K 33.38 53.45 Na K 2.52 3.33
Al K 5.26 5.92 Ti K 57.06 36.23 V K 1.78 1.06 Totals 100.00
(a)
(b)
Figure 4-14. YZ plane Surface of AM Ti-6Al-4V after polarization test (a),(b) in
Figure 4-15. EDX analysis results in steps 1
Element Weight% Atomic%
O K 16.65 34.77 F K 5.25 9.23 Na K 1.96 2.85 Al K 0.35 0.43 Ti K 72.32 50.44 V K 3.48 2.28 Totals 100.00