Serbest şekilli Tİ13NB13ZR alaşımı yüzeyine manyetik sıçratma (CFUBMS) tekniğiyle üretilen ince filmlerin yüzey özelliklerinin incelenmesi
Investigation of the surface properties of the thin films deposited by magnetron sputtering technique on free-form shaped Tİ13NB13ZR alloy surface
Yazar: ALİ KEMAL ASLAN
Danışman: DOÇ. DR. ERKAN BAHÇE
İnönü Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2022
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering ; Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences
Dizin: Biyomalzemeler = Biomaterials ; Kaplama = Coating ; Metal malzemeler = Metal materials ; Triboloji = Tribology ; Yüzey aşınması = Surface wear ; Yüzey kaplama malzemeleri = Surface coating materials ; Yüzey modelleme = Surface modelling ; İnce filmler = Thin films

Özet:
Ti6Al4V alaşımına alternatif olarak geliştirilen biyomedikal Ti13Nb13Zr alaşımının, düşük elastikiyet modülü, yüksek mekanik özellikleri, yüksek korozyon dayanımı, yüksek biyouyumluluk ve düşük elastikiyet modülüne sahip olmasının yanında hiçbir sitotoksik element içermemesi ortopedik eklem implantı uygulamaları için favori bir aday olmasını sağlamaktadır.  Ancak alaşımın düşük tribolojik özellikleri bu alanda kullanımını kısıtlamaktadır. Alaşımların kütlesel özelliklerinden ödün verilmeden, yüzeylerine çeşitli yöntemlerle yapılan ince seramik filmlerle tribolojik özellikleri geliştirilebilmektedir. Bu tez çalışmasında ASTM F-1713 Ti13Nb13Zr alaşımının tribolojik ve mekanik özelliklerinin geliştirilebilmesi amacıyla yüzeyi kapalı alanda dengesiz manyetik sıçratma tekniğiyle farklı bileşenlerden oluşan çok tabakalı ince filmlerle kaplanılmıştır. Tüm kaplamalarda alaşımın yüzeyine önce ince bir Titanyum adhezyon tabakası biriktirilmiş, en üst yüzeye ise TaN ince film biriktirilmiştir. Tekrar eden ara tabakalarda ise TiN/TiCN, TiC/TiCN ve TiN/TiC/TiCN şeklinde üç farklı kaplama modeli kullanılarak ara tabaka sayısı da değiştirilerek toplam altı farklı kaplama mimarisinde ince filmler  20 mm çapında 2mm kalınlığında düz yüzeye sahip Ti13Nb13Zr numuneler üzerine biriktirilmiştir. 
Kaplamalara yapılan karakterizasyon deneyleri sonucunda; altlık malzemeye adhezyon, mekanik ve tribolojik özellikler açısından en iyi sonuçlar; toplamda 20 tabaka sayısına sahip Ti/ 6x(TiN/TiC/TiCN) /TaN kaplamasından elde edilmiştir. Bu kaplama mimarisiyle, R14, R18 ve R22 eğrilik yarıçaplarına sahip serbest şekilli Ti13Nb13Zr alaşımı numunelerin yüzeyi aynı kaplama yöntemiyle aynı parametrelerle kaplanılmıştır. Kaplamaların tribolojik özellikleri, karşıt malzeme olarak ortopedik eklem implantı uygulamalarında kullanılan UHMWPE kullanılarak, özel olarak geliştirilen aşınma deneyi düzeneğinde incelenmiştir. Toplam 5 milyon çevrimde gerçekleştirilen aşınma deneyleri sonucunda artan eğrilik yarıçapına bağlı olarak ince film yüzey sürekiliklerinin azaldığı tespit edilmiştir. Bunun yanında kaplamaların numune kenarına yakın bölgelerde, gerilme yığılmaları ve zayıf adhezyondan kaynaklı adhezif delaminasyonlara uğradığı görülmüştür.

Abstract:
The biomedical Ti13Nb13Zr alloy, developed as an alternative to Ti6Al4V alloy, has a low modulus of elasticity, high mechanical properties, high corrosion resistance, high biocompatibility, and low modulus of elasticity, as well as containing no cytotoxic elements, making it a favorite candidate for orthopedic joint implant applications. However, the low tribological properties of the alloy limit its use in this field. Tribological properties can be improved with thin ceramic films made on the surfaces of the alloys by various methods without compromising the bulk properties of the alloys. In this thesis, in order to improve the tribological and mechanical properties of ASTM F-1713 Ti13Nb13Zr alloy, its surface is coated with multilayer thin films consisting of different components by unbalanced magnetic sputtering technique in a closed area. In all coatings, a thin Titanium adhesion layer was deposited on the surface of the alloy, and a TaN thin film was deposited on the top surface. In the repeating interlayers, using three different coating models as TiN/TiCN, TiC/TiCN, and TiN/TiC/TiCN, the number of interlayers was changed, and thin films in six different coating architectures were deposited on Ti13Nb13Zr samples with a flat surface of 20 mm in diameter and 2 mm in thickness. As a result of the characterization experiments, 20 layered Ti/ 6x(TiN/TiC/TiCN) /TaN coating showed the best results in terms of adhesion to substrate, mechanical and tribological properties. Freeform-shaped Ti13Nb13Zr alloys with a radius of curvature R14, R18, and R22 were coated with this coating architecture by using the same coating parameters via the same method. The tribological properties of the coatings were investigated in a specially developed abrasion test setup and UHMWPE which is used in orthopedic joint implant applications, was used as the counter material. As a result of the wear tests performed in a total of 5 million cycles, it was determined that the thin film surface continuity decreased due to the increasing radius of curvature. In addition, it was observed that the coatings were subjected to adhesive delaminations due to stress concentrations and poor adhesion near the sample edge.