Plazma oksitleme işleminin Ti6Al7Nb ve Ti45Nb alaşımlarının tribolojik, elektrokimyasal ve biyouyumluluk özelliklerine etkisi
Effect of plasma oxidation process on tribological, electrochemical and biocompatibility properties of Ti6Al7Nb and Ti45Nb alloys
Yazar: ÖZGÜ BAYRAK
Danışman: PROF. DR. AYHAN ÇELİK
Atatürk Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2013
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Biyouyumluluk = Biocompatibility

Özet:
Titanyum, yüksek mukavemetine rağmen yoğunluğunun düşük olması, üstün korozyon direnci, yüksek sıcaklıklarda çalışabilmesi ve biyouyumlu olması gibi nedenlerden dolayı geniş kullanım alanına sahip olan önemli bir metaldir. Ortopedik implantların imalatında kullanılan metalik biyomalzemelerin başında gelen titanyumun aşınma direnci, diğer metalik biyomalzemelere nazaran yetersizdir. Tribokorozyon, aşınma ve korozyonun bileşke etkisi nedeniyle oluşan bir hasar mekanizması olup, özellikle yük taşıyan implantlar vücut içerisinde tribokorozyon riski altındadır. İmplantların kullanımında karşılaşılan diğer bir problem de, implantın ve kemiğin elastisite modülleri arasındaki uyumsuzluktan doğan ve kemiğin zayıflamasına neden olan ?gerilme korunması? etkisidir. Bu etkinin azaltılması amacıyla kemiğe yakın elastisite modülüne sahip implant malzemelerin kullanılması gündeme gelmiştir.
Bu çalışmada, ortopedik implant yapımında kullanılan Ti6Al7Nb ve daha düşük elastisite modülüne sahip olan Ti45Nb alaşımları 600°C, 700°C ve 800°C sıcaklıklarda oksijen plazması ortamında 1 ve 4 saat süreler ile oksitlenmiştir. Oksitleme sonrası yapısal özellikler XRD, SEM ve EDS analizleri, mekanik özellikler mikrosertlik ölçümleri, elektrokimyasal özellikler polarizasyon ve EIS yöntemleri, tribolojik özellikler pim-disk aşınma testleri, tribokorozyon özellikleri aşınma ve elektrokimyasal testlerin eş zamanlı uygulanması ile tespit edilmiş, malzemelerin biyouyumlulukları ise sitotoksisite ve genotoksisite testleri ile incelenmiştir. Her iki alaşımda da en iyi sonuçlara düşük sıcaklık ve sürelerde yapılan oksitlemeler ile ulaşılmış ve Ti45Nb alaşımının biyomalzeme olarak kullanılabileceği sonucuna varılmıştır.

Abstract:
Titanium is a prominent metal that is used in a wide range of applications due to reasons such as its high strength, low density, superior corrosion resistance, ability to work on high temperatures and biocompatibility.  The wear resistance of titanium, which is one of the leading metallic biomaterials used to manufacture orthopedic implants, is relatively insufficient in comparison to the other metallic biomaterials. Tribocorrosion is a failure mechanism caused by the combined effect of corrosion and wear. Especially the load bearing implants inside the human body are under the risk of tribocorrosion. Another important problem encountered in implant applications is ?stress shielding? effect which arises due to the dissimilarity of elastic moduli of the bone and the implant and results in bone degradation. In order to reduce this effect, using implant materials which have elastic moduli closer to the bone became a current issue.

In this study, an orthopedic implant manufacturing material Ti6Al7Nb and Ti45Nb which has a lower elastic modulus were oxidized inside oxygen plasma environment for 1 and 4 hours at the temperatures of 600°C, 700°C and 800°C. After oxidation, XRD, SEM and EDS analysis for structural properties, micro hardness measurements for mechanical properties, polarization and EIS techniques for electrochemical properties, pin-disk wear tests for tribological properties, simultaneous employment of electrochemical and wear tests for tribocorrosion properties were carried out and biocompatibility of materials were determined using cytotoxicity and genotoxicity tests. Best results were obtained from oxidations performed at low temperatures and in short time periods. Ti45Nb alloy was also found to be an applicable biomaterial.