Mikro-ark oksidasyon yöntemi ile kaplanmış CP-Ti ve Ti6Al4V malzemelerinin karakterizasyonu
Characterization of CP-Ti and Ti6Al4V materials coated by micro-arc oxidation method
Yazar: FUNDA ALAN
Danışman: PROF. DR. ÖZKAN ÖZDEMİR
Sakarya Uygulamalı Bilimler Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering
Dizin: Anodik oksidasyon = Anodic oxidation ; Kaplama = Coating ; Korozyon = Corrosion ; Protezler ve implantlar = Prostheses and implants

Özet:
Titanyum ve alaşımları, oda sıcaklığı gibi düşük sıcaklıklarda yüzeyde oluşan oksit tabakası sayesinde yüksek korozyon direnci sergilemekte ve bu nedenle biyomedikal sektörde tercih edilmektedir. Oluşan oksit filmi, malzemeye kimyasal kararlılık ve biyouyumluluk sağlamaktadır. Günümüzde pek çok ticari titanyum alaşımı olmasına rağmen biyomedikal uygulamalarda genel olarak CP-Ti ve Ti6Al4V alaşımı kullanılmaktadır. Ti6Al4V Grade 23 ELI biyomedikal uygulamalarda dünya pazarının %50 sini oluşturmaktadır. Bu oranda tercih edilmesinin sebebi yüksek korozyon direnci, düşük yoğunluğu, statik ve dinamik dayanımının yüksek olmasıdır. Ayrıca diğer biyometallere  (paslanmaz çelik ve Co-Cr alaşımları) göre Ti6Al4V alaşımının elastisite modülünün kemiğin elastisite modülüne daha yakın olması sebebiyle eklem uygulamaları için de en fazla tercih edilen metallerden biridir. Biyomalzemelerin yüzey özelliklerinin geliştirilmesi için kaplama işlemi uygulayarak yüzeyde koruyucu oksit tabakaları oluşturulmaktadır.
Mikro ark oksidasyon prosesi, Ti gibi metal ve alaşımlarını ( Al, Nb, ..) yüzey özelliklerini geliştirmek için kullanılan elektrokimyasal esaslı anodik oksidasyon tekniğidir. Bir elektrolit banyosuna daldırılan metaller anot görevindedir ve yüksek değerlerde voltaj verildiğinde malzeme yüzeyinde oksit tabakası oluşumu başlamaktadır. Voltaj değeri yükseldiğinde kritik voltaj seviyesine ulaşmaktadır. Bu değer üst seviyeye ulaştığında ise malzeme yüzeyinde mikro boyutlarda arkların oluşumu gözlemlenmektedir. Bu yöntem mikro ark oksidasyon işlemi olarak adlandırılmaktadır. Kaplama yöntemleri arasında kıyaslandığında oksit tabakasının kalınlığı, yüksek yapışma kuvveti, porozite miktarı, düşük maliyeti ve çevreye zararsızlığı ile avantajlı bir görünüm sergilemektedir.
Bu çalışma kapsamında Ti6Al4V Extra Low Interstitials (ELI) Grade 23 alaşımı ve CP Ti Grade 2 metalik biyomalzemeleri kullanılmıştır. Bu metalik biyomalzemeler Mikro Ark Oksidasyon işlemine tabi tutularak yüzey özelliklerinin geliştirilmesi amaçlanmıştır. Ayrıca Ti esaslı implant malzemeler vücut içine implante edilmeden önce cerrahi işlem sırasında parçaların doğru bir şekilde yerleştirilmesi için renklendirilmektedir. Bu nedenle altlık malzemelere renklendirme amaçlı olarak Tip 2 ve Tip 3 anodizasyon prosesiyle yüzey modifikasyonu uygulanarak 3 farklı renkte numune üretilmiştir. MAO işlemi uygulanmış numunelerin karakterizasyonu için yapılan XRD ve SEM-EDS analizleri sonucunda rutil ve anataz faz yapısında üniform bir kaplama tabakasının elde edildiği tespit edilmiştir. Elde edilen kaplama tabakalarının ve anodizasyon işlemi ile renklendirilen numunelerin  %3,5 NaCl ve Ringer vucut sıvısı içerisinde elektrokimyasal korozyon deneyleri yapılarak karakterizasyon çalışmaları uygulanmıştır.

Abstract:
Titanium and its alloys exhibit high corrosion resistance thanks to the oxide layer formed on the surface at low temperatures such as room temperature, and therefore they are preferred in the biomedical sector. The resulting oxide film provides chemical stability and biocompatibility to the material. Although there are many commercial titanium alloys available today, CP-Ti and Ti6Al4V alloys are generally used in biomedical applications. Ti6Al4V Grade 23 ELI constitutes 50% of the world market in biomedical applications. It is preferred at this rate because of its high corrosion resistance, low density, and high static and dynamic strength. In addition, it is one of the most preferred metals for joint applications because the elasticity modulus of the Ti6Al4V alloy is closer to the elasticity modulus of the bone compared to other biometals (stainless steel and Co-Cr alloys). In order to improve the surface properties of biomaterials, protective oxide layers are formed on the surface by applying the coating process.
Micro arc oxidation process is an electrochemical based anodic oxidation technique used to improve the surface properties of metals and alloys such as Ti (Al, Nb, ..). Metals immersed in an electrolyte bath act as anodes and when high voltage is applied, oxide layer formation begins on the material surface. When the voltage value rises, it reaches the critical voltage level. When this value reaches the upper level, the formation of micro-sized arcs is observed on the material surface. This method is called micro arc oxidation process. When compared between coating methods, it exhibits an advantageous appearance with the thickness of the oxide layer, high adhesion strength, amount of porosity, low cost and harmless to the environment.
In this study, Ti6Al4V Extra Low Interstitials (ELI) Grade 23 alloy and CP Ti Grade 2 metallic biomaterials were used. It is aimed to improve the surface properties of these metallic biomaterials by subjecting them to the Micro Arc Oxidation process. In addition, before the Ti-based implant materials are implanted into the body, they are colored for correct placement of the parts during the surgical procedure. For this reason, 3 different colored samples were produced by applying surface modification with Type 2 and Type 3 anodization processes for the purpose of coloring the substrate materials. As a result of the XRD and SEM-EDS analyzes performed for the characterization of the MAO-treated samples, it was determined that a uniform coating layer in the rutile and anatase phase structure was obtained. Characterization studies were carried out by performing electrochemical corrosion tests in 3.5% NaCl and Ringer's body fluid of the obtained coating layers and the samples colored by the anodization process.