The effect of oxygen on the shape memory characteristics in Ti-18Nb-6Zr-XO (X = 0-1.5 at%) biomedical alloys was investigated by tensile tests. The alloys were fabricated by an arc melting method at Ar atmosphere. The ingots were cold-rolled to 0.45 mm with a reduction up to 95% in thickness. After severe cold-rolling, the plate was solution-treated at 1173 K for 1.8 ks. The fracture stress of the solution-treated specimens increased from 450 Mpa to 880 MPa with an increasing oxygen content up to 1.5%. The fracture stress increased by 287MPa with 1 at% increase of oxygen content. The critical stress for slip increased from 430 MPa to 695 MPa with an increasing oxygen content up to 1.5 at%. The maximum recovery strain of 4.1% was obtained in the Ti-18Nb-6Zr-0.5O (at%) alloy. The martensitic transformation temperature decreased by 140 K with a 1.0 at% increase in O content, which is lower than that of Ti-22Nb-(0-2.0)O (at%) by 20 K. This may have been caused by the effect of the addition of Zr. This study confirmed that addition of oxygen to the Ti-Nb-Zr alloy increases the critical stress for slip due to solid solution hardening without being detrimental to the maximum recovery strain.

The stress-strain responses and oxidation properties of cold-rolled Zr-1.5Nb-O and Zr-1.5Nb-O-S alloys were studied. The U.T.S. (ultimate tensile strength) of cold-rolled Zr-1.5Nb-O-S alloy with 160 ppm sulfur (765 MPa) were greater than that of Zr-1Nb-1Sn-0.1Fe alloy (750 MPa), achieving an excellent mechanical strength even after the elimination of Sn, an effective solution strengthening element. The addition of sulfur increased the strength at the expense of ductility. However, the ductile fracture behavior was observed both in Zr-Nb-O and Zr-Nb-O-S alloys. The beneficial effect of sulphur on the strengthening was observed in the cold rolled Zr-1.5Nb-O-S alloys. The activation volume of cold-rolled Zr-1.5Nb decreased with sulfur content in the temperature region of dynamic strain aging associated with oxygen atoms. Insensitivity of the activation volume to the dislocation density and the decrease of the activation volume at a higher temperature where the dynamic strain aging occurs support the suggestion linking the activation volume with the activated bulge of dislocations limited by segregation of oxygen and sulfur atoms. The addition of sulfur was also found to improve the oxidation resistance of Zr-Nb-O alloys.

Nb 첨가 Zr합금인 Zr-lNb합금과 Zr-lNb-lSn-0.3Fe함금의 석출물 및 산화 특성에 미치는 마지막 열처리 온도의 영향을 알아보기 위하여 최종 열처리 온도를 450˚C에서 800˚C까지 변화시켜 미세조직 및 산화 특성을 조사하였다. 부식 시험은 400˚C , 수중기 분위기에서 270 일 동안 실시하였으며 X-선 회절법을 이용하여 산화막 결정 구조를 분석하였다. 마지막 열처리 온도가 600˚C 이상일 때 두 합금 모두 β-Zr이 관찰되었으며 모두 재결정 이후 마지막 열처리 온도가 상승할수록 석출물의 면적 분율이 증가하는 경향을 나타내었다. 모든 열처리 온도 구간에서 Zr-lNb합금의 부식 저항성이 Zr-lNb-lSn-0.3Fe 합금에 비해 우수하였으며 두 합금 모두 재결정 이후 부식 저항성이 급격히 나빠졌다. 이는 600˚C 이후 형성된 β-Zr의 영향으로 밝혀졌다.

본 연구에서는 360˚C 물 및 360˚C, 70ppm LiOH 수용액 분위기의 static autoclave를 이용하여 새롭게 개발한 Zr 신합금 (Zr-0.4Nb-0.8Sn-xFeCrMn, Zr-0.2Nb-1.1Sn-xFeCrMn, Zr-1.0Nb-xFeCu) 의 부식 특성을 평가하였다. 합금의 미세구조를 광학현미경과 TEM을 이용하여 관찰하였고, 부식시험 중에 생성된 산화막은 SEM과 XRD를 이용하여 단면 및 결정구조를 조사하였다. 부식시험 결과, 3종의 합금 모두 360˚C 물 분위기보다 360˚C, 70ppm LiOH 수용액 분위기에서의 부식저항성이 감소하였으며 특히, High Nb 합금의 경우 급격한 가속 부식현상을 나타내었다. 합금원소 첨가량과 관련하여 Nb의 함량을 고용도 이내로 줄이고 Sn을 적절히 첨가한 조성의 합금이 Sn을 첨가하지 않고 고용도 이상의 Nb을 가진 합금보다 우수한 부식저항성을 나타내었다. 또한 최종열처리가 부식에 미치는 영향의 경우에, 완전재결정 조직의 합금이 부분재결정 조직을 가진 합금보다 부식저항성이 감소되었는데 이는 기지조직에서 석출하늘 제 2상의 크기 및 분포에 의한 영향으로 사료된다.

Zr 합금의 재결정 거동 및 미세조직 변화에 미치는 열처리 온도 및 시간의 영향의 조사하기위하여 순수 Zr과 Zircaloy-4, Zr-0.88n-0.4Nb-0.4Fe-0.2Cu, Zr-1Nb 합금을 냉간가공한 후 400˚C~900˚C에서 각각 30분~5000분 동안 열처리하였다. 열처리 온도에 따른 Zr합금의 경도, 미세조직 및 석출물 특성을 미소경도기, 광학 현미경 및 투과 전자 현미경을 이용하여 조사하였다. 냉간 가공채는 400˚C에서 600˚C 범위에서 재결정이 일어났는 데 합금원소가 증가함에 따라 재결정온도가 상승했고 결정립 성장이 억제되었다. 그리고 합금원소 증가에 따른 경도증가 영향이 재결정 이후에도 지속되었다. 열처리 온도 및 시간에 비례하여 재결정 이후 결정립 크기는 증가한 반면 경도변화는 상대적으로 미미하였다. Fe나 Cu가 Zr에 첨가될 경우 회복중 경도증가가 수반되는데, 이는 회복중 생성과 관련이 있는 것으로 사료된다.

Zr의 β→α 상변태 특성에 미치는 Sn과 Nb 첨가의 영향을 광학현미경과 전자현미경을 이용하여 연구하였다. 공냉한 Zr의 미세구조는 첨가된 합금원소의 종류에 관계없이 모두 미세한 α-lath 폭이 일정하였으나, Nb의 첨가량이 증가할수록 α-lath 폭이 감소하였으며, 이는 Nb 첨가에 따른 β→α+β변태온도의 저하에 기인한 것으로 보인다. Martensitic 변태 특성을 나타낸 수냉의 경우에는 순수한 Zr과 Sn을 첨가한 경우에는 slipped martensite의 특성을 나타낸 반면에, Nb을 첨가한 경우에는 급격한 Ms 온도의 감소에 따라 twinned martensite의 특성을 나타내었다.

핵 연료 피복관 재료로 샤용되고 었는 Zr 합금의 부식특성을 개선하기 위하여 Zn-xSn 2원계 합금과 Zr-0.4Nb-xSn 3원계 합금을 제조하여 부식특성을 평가하였다. 부식 실험은 360˚C 물 분위기의 mini-autoclave에서 수행하였다. 2원계 합금의 경우 Sn이 0.5, 0.8, 1.5wt.% 첨가된 합금에서는 15일에서 속도천이가 발생한 후 급격한 부식 가속 현상이 나타녔으나, 2.0wt.% 가 첨가된 합금의 경우 80일까지의 부식 실험에서도 천이 현상을 보이지 않는 매우 높은 부식 저항성을 보였다. 3원계 합금에서는 Sn 함량이 증가할수록 부식이 증가하는 경향을 보였다. 이러한 경향은 2원계 합금과 3원계 합금에서 Sn의 고용도 차, 미량 첨가된 Nb의 영향 및 석출물의 특성과 관련이 잇는 것으로 생각된다. 또한 Zr-xSn, Zr-O.4Nb-xSn 합금의 부식은 tetragonal-ZrO2의 분율과 수소 흡수율에 의해서 제어될 수도 있다.