Mekanik özellikleri geliştirilmiş biyouyumlu implant malzemelerinin üretiminde aşırı plastik deformasyon tekniğinin uygulanma koşullarının araştırılması
Investigation of severe plastic deformation method procedure parameters for manufacturing biomedical materials with improved mechanical properties
Yazar: ASLI GÜNAY
Danışman: PROF. MEHMET EMİN YURCİ
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / İmal Usulleri Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2017
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Gerçekleştirilen tez çalışmasında alfa fazlı saf titanyum ve yakın beta fazlı Ti13Nb13Zr alaşımına eş kanal açılı presleme (EKAP) işlemi, beta fazlı Ti13Nb13Zr alaşımına hidrostatik ekstrüzyon (HE) işlemi uygulanmış ve ultra ince taneli biyouyumlu malzeme elde edilmiştir. Her iki teknik ile elde edilen Ti13Nb13Zr alaşımlarının mekanik ve mikro yapısal özellikleri kıyaslanarak aşırı plastik deformasyonun (APD) uygulama koşulları incelenmiştir. EKAP işlemi ile saf titanyum ve Ti13Nb13Zr malzemeleri farklı sıcaklık ve paso değerlerinde ekstrüzyon işlemine tabii tutulmuş, deformasyon sonrası meydana gelen değişimlerin sebep olduğu mekanik özellikler ve oluşan son mikro yapı incelenmiş ve tekniğin uygulama koşulları araştırılmıştır. Literatürde şimdiye kadar gerçekleştirilmemiş, ardışık pasolar için farklı sıcaklıklarda EKAP işlemi gerçekleştirilerek oluşan mikro yapısal değişimler değerlendirilmiştir. 
Çalışmada ilk halde 260 nm beta lamellere sahip Ti13Nb13Zr her iki teknik ile; 58 μm çaplı tanelere sahip saf titanyum EKAP tekniği ile ultra ince taneli (UİT) hale getirilmiştir. Nano boyutta incelemeleri gerçekleştirmek amacı ile Geri Saçılımlı Elektron Difraksiyonu (EBSD) ve geçirimli elektron mikroskobu (TEM) kullanılmıştır. EBSD tekniği daha büyük bir alan üzerinden inceleme gerçekleştirmektedir. Bu sebeple tane boyutu ölçümü için EBSD kullanılmıştır. EBSD ve TEM analizlerinden faydalanarak sırası ile EKAP ve HE teknikleri ile elde edilen UİT numunelerin ortalama tanecik boyutu EKAP saf Ti için 550 nm, HE Ti13Nb13Zr için beta lamellerin genişliği 80 nm olarak tespit edilmiştir. EKAP ile elde edilen Ti13Nb13Zr'de HE'de elde edilen beta lamelli yapının olmadığı ardışık rotalar sebebi ile tanelerin yuvarlaklaştığı gözlemlenmiştir. EBSD analizlerinde 8 paso EKAP Ti13Nb13Zr ortalama tane boyutu yaklaşık 410 nm olarak belirlenmiştir. Tane boyutu ölçümü için her iki teknikte TEM incelemelerinden faydalanırken, EKAP ile elde edilen UİT saf Ti için XRD ölçümleri sonucundan yola çıkılmış, teorik olarak Williamson-Hall denkleminden faydalanarak hesaplanmış ve yaklaşık tane boyutu 420 nm olarak bulunmuştur.  Mekanik dayanımlarını yükseltmek için gerçekleştirilen aşırı plastik deformasyon işlemleri sırası ile EKAP işlemi ile saf titanyumun dayanım değeri yaklaşık  ̴1.5 katına yükselirken Ti13Nb13Zr'daki artış 60 MPa (  ̴1. 1 katı) gibi bir değerle nispeten daha az olmuştur. HE işlemi ile elde edilen Ti13Nb13Zr numunelerin dayanım değeri ise   ̴1.41 kat artmıştır. HE ile imal edilen Ti13Nb13Zr'un süneklik değeri 19.56 mm'dan 9.032 mm değerine düşmüştür. EKAP ile imal edilen Ti13Nb13Zr'da 8 paso sonrası bu değer 6.91 mm olarak tespit edilmiştir. EKAP ile imal edilen saf titanyumun süneklik değerinin uygulanan EKAP işlemi sonrası Ti13Nb13Zr'da olduğu gibi azaldığı gözlemlenmiştir. Nitekim titanyumun kopma uzaması değeri 13.90 mm'den, 8 paso sonrası 8.34 mm'ye düşmüştür. Deneysel tasarım yapılarak en uygun imalat şartlarının araştırıldığı EKAP işlemi için 0.1 mm/sn pres iniş hızı, 300 ˚C işlem sıcaklığı ve ardışık pasolar arası Bc yönelimi homojen mikroyapı için ideal parametreler olarak tespit edilmiştir. Kalite karakteristiği olan mikro yapının homojenliği sertlik dağılımına göre tespit edilmiştir. Sıcak ve soğuk rotaların bir arada değerlendirildiği orijinal çalışmada ise EKAP işlem veriminde artış gözlemlenmiştir. 2 paso 450 ˚C ve 1 Paso 100 ˚C sonrasında 1 Paso 450 ˚C rotası takip edilerek elde edilen numuneler kıyaslandığında çekme dayanımı numunelerde sırası ile 758.40 MPa ve 792.34 MPa olarak tespit edilmiştir. EBSD incelemesinde 2 paso 450  ˚C'de basılan taneciğin tane boyutu 1.7 µm ölçülmüştür. 1 paso 100 ˚C+ 1 paso 450 ˚C rotası ile imal edilen numunenin tanecik boyutu 1.9 μm olarak tespit edilmiştir. Taneler arasındaki açı ise 2 paso 100 ˚C+1 450 ˚C, 2 paso 450  ˚C için sırasıyla %41 ve %36 olarak tespit edilmiştir. Elastiklik katsayısı 2 paso 100 ˚C+1 450 ˚C, 2 paso 450  ˚C sırasıyla 143.19 GPa ve 152.57 GPa olarak tespit edilmiştir. Bütün bu veriler incelendiğinde düşük ve yüksek sıcaklıkta gerçekleştirilen EKAP işleminde işlem veriminin artırıldığı gözlemlenmiştir.
Aşırı plastik deformasyon sonrasında elde edilen mukavemet artışına rağmen EKAP işlemi titanyumun aşınma davranışı üzerinde önemli bir etkisinin olmadığı aşınma testlerinde tespit edilmiştir. Biyolojik uyumluluğa katkısını belirlemek amacı ile gerçekleştirilen hücre testlerinde yüzey modifikasyonunun ve ultra ince taneli yapının olumlu etkisi tespit edilmiş, EKAP ile elde edilmiş UİT kumlanmış saf titanyum yüzeyinde 96 saat sonra ölçülen hücre miktarı 53x102 olurken İR Saf titanyum yüzeyde 40x102 tane hücre gözlemlenmiştir. EKAP ile elde edilmiş UİT parlak Ti13Nb13Zr yüzeyde ise 72 saat sonra 116x103 hücre gözlemlenirken İT taneli parlak Ti13Nb13Zr yüzeyde bu değer 98x103'e artmıştır. Yüzey ıslanabilirlik testinde minimum açı kumlanmış UİT saf Ti için tespit edilmiştir ve bu değer 14.02˚'dir. Abutment implant sisteminde en küçük parça olan abutment vidası formunda imal edilen ultra ince taneli saf titanyum yorulma test standardında ifade edilen şartlara uygun olarak test edilerek biyomekanik dayanım özelliği incelenmiş ve abutment implant arasındaki açıklık konvensiyonel abutment vidasına göre 5.74 µm düşürülmüştür. 
EKAP işlemi ile saf titanyum ve TNZ'den elde edilen ultra ince taneli numunelerin mekanik, yüzey özelliklerinin değerlendirildiği incelemelerde biyomedikal uyumluluğunun iyileştiği gözlemlenmiştir. Mekanik testler ve mikroyapı incelemelerinde elde edilen sonuçlar doğrultusunda düşük ve yüksek sıcakta gerçekleştirilen EKAP işleminde işlem veriminin artırıldığı gözlemlenmiştir. HE ve EKAP APD işleminin uygulandığı TNZ için mekanik özelliklerin biyomedikal uygunluk için HE APD işlemi ile daha fazla iyileştirilmiştir. Saf Ti S4'ün homojen sertlik dağılımının araştırıldığı optimal işlem koşullarının incelendiği çalışmada 300 °C, 0.1 mm/sn pres iniş hızı ve Bc rotası olarak tespit edilmiştir.

Abstract:
In this thesis alpha phase pure titanium and near beta Ti13Nb13Zr was processed with Equal Angular Channel Extrusion (ECAE) and Ti13Nb13Zr was processed with Hydrostatic (HE) extrusion in order to obtain ultrafine grained biomaterials. With these two techniques efficiency were compared for Ti13Nb13Zr with its mechanical and microstructural properties. With ECAE procedure different procedure parameters such as; process velocity, temperature were used in order to understand its effect on microstructure and mechanical properties. From this point of view optimal process parameters were observed for bot pure titanium and Ti13Nb13Zr. A novel ECAE route was used that combine low and warm temperature in subsequent extrusions. After application of this combined route its effect on mechanical properties and microstructure were observed. Initial Ti13Nb13Zr were observed and beta lath were determined with 260 nm width. Initial pure titanium grain sizes were observed as 58 µm. With severe plastic deformation methods these size decreased. For pure titanium after 8 pass with ECAE the final grain size was determined as 550 nm. For Ti13Nb13Zr after HE procedure beta lath width was observed as 80 nm. After ECAE of Ti13Nb13Zr the final grained were observed to be more granular that HE processed Ti13Nb13Zr due to the rotations in the subsequent passes. The final grain size was measured as 410 nm from EBSD results. Electron back scattering diffraction (EBSD) and Transmission Electron Microscope were used for nano-scale investigation. EBSD measurements were applied in a larger area of specimen which results higher accurate measurement. Thus, grain size measurements applied with EBSD as far as possible. Moreover form XRD results grain size of ultrafine grained specimens that manufactured with ECAE procedure, obtained with Williamson-Hall Approach. With this method ultrafine grained final grain size concluded as 420 nm. Severe plastic deformation methods applied in order to improve mechanical strength and for pure titanium mechanical strength were   ̴1.5 times higher than initial state. For ECAE- Ti13Nb13Zr the maximum tensile strength increased only 60 MPA which equals 1.1 times of initial state. HE- Ti13Nb13Zr ultrafine grained materials maximum mechanical strength was   ̴1.41 times higher than initial state. HE- Ti13Nb13Zr ultrafine grained materials ductility value decreased to 9.032 mm from 19.56 mm. ECAE- Ti13Nb13Zr ductility decreased to 6.91mm.After ECAE of pure titanium ductility decreased as in Ti13Nb13Zr. Titanium elongation was decreased to 8.34 mm from 13.90 mm. Despite of increase in the mechanical properties wear resistant were not increased significantly. With experimental design of ECAE procedure, optimal process parameters were obtained as; 0.1 mm/sn extrusion velocity, 300 ˚C process temperature and route Bc. For this experimental design quality characteristic was selected as homogeneity of micro structure that obtained from Vickers hardness test. 
In order to obtain novel combined temperature routes efficient mechanical tests and microstructural observations were applied and the tensile strength were determined for 2 times pressed at 450 ˚C and  1 Pass 100 ˚C +1 Pass 450 ˚C specimens respectively 758.40 MPa and 792.34 MPa. According to the EBSD investigation the grain size of these two specimen groups measured and for 2 times pressed at 450 ˚C 1.7 µm and for 1 Pass 100 ˚C +1 Pass 450 ˚C 1.9 µm were found. The angle between grains were measured as  %36 for 2 times pressed at 450 ˚C and %41 for 1 Pass 100 ˚C +1 Pass 450 ˚C. Young modulus of specimens determined as 143.19 GPa for 1 Pass 100 ˚C +1 Pass 450 ˚C and 152.57 for 2 times pressed at 450 ˚C. After analyzing all of these results it can be concluded that combine temperature route improved process efficient. 
In order to understand these ultra-fine grained materials behavior as biomaterials cell cultures were applied. More over surface modifications were also applied to these materials in order to understand its effect on ultrafine grained materials. After 96 hours of cell culture the cell quantity were determined as 53x102 for sand blasted ultrafine grained pure titanium and this value was 40x102 for initial state. Cell culture tests also applied to ECAE processed ultrafine grained Ti13Nb13Zr and obtained as 116x103 which was 98x103 for initial state.  Surface wettability was determined as 14.02˚ for sand blasted pure titanium which shows it is a hydrophilic surface. This value was 82.56 ˚ for initial state. Ultrafine grained abutments and abutments screws were manufactured and fatigue test were applied according to ISO14801 and the micro gap between implant and abutment decreased 5.74 µm.
Mechanical and surface properties for biomedical compability improved with ECAP procedure for TNZ and pure Ti G4. The novel combined temperature ECAP process route found to be more productive for pure Ti grade 4. Severe plastic deformation of TNZ compared for HE ve ECAP processes and HE process found to be more productive for TNZ as a SPD procedure.  The optimal process parmeter for Pure Ti Grade 4 found to be 300 °C, 0.1 mm/s ram speed, and route Bc. In these optimisation study the quality characteristic was selected as homogenous hardness of microstructure.