Zirconia powder/Titanium Sintered Bonding for Preventing Voids at Bonding Interface

2021 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 19K05043
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 26030:Composite materials and interfaces-related
• Research Institution: Nagaoka National College of Technology
• Principal Investigator: AOYAGI Naritoshi 長岡工業高等専門学校, 機械工学科, 教授 (70231785)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2022-03-31
• Keywords: 元素拡散 / 界面組織 / 焼結挙動 / 酸化処理 / 界面強度

Outline of Final Research Achievements

The effects of titanium surface oxidation prior to pure titanium/zirconia sinter bonding on the interfacial microstructure and strength are clarified. (1) At 800, 900 and 1000 °C, the oxide film grows with increasing temperature; under oxidation conditions of 900 °C for 1 hour, the pure titanium surface is covered with a rutile oxide film. (2) The surface hardness of sintered zirconia shows about 1600 HV regardless of the oxidation condition of pure titanium. (3) The oxide film formed at 900 °C for 1 hour suppresses elemental diffusion during sinter bonding. As a result, the formation of voids near the interface can be reduced. (4) The oxidation process increases the shear strength of the bonded interface. The oxidation of the pure titanium surface at 900°C or 1000°C, as described above, suppresses the formation of diffusion reaction layers and improves the interface properties.

Free Research Field

粉末焼結

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

チタンを主材とした生体医療用金属材料は多くの整形外科や歯科分野での利用実績がある。脊椎固定用スクリューやプレートの外科的包埋時には、適度な変形能が必要であるため延性バランスも重要な因子となる。一方、ジョイント部分にチタン合金を適用する場合には、チタン表面を改質して優れた耐摩耗性を付与しなければならない。学術的意義は、チタン表面に酸化物セラミックスを焼結接合する方法の考案で、本方法は焼結接合中の界面での元素拡散を抑制し界面近傍でのボイド生成を低減させる。本焼結方法は生体医療用材料として広範に使用できるだけでなく、航空宇宙や海洋構造物等の腐食環境下におかれる要素部材としても応用できる可能性がある。