Toz metalürjisi ile üretilen titanyum alaşımı biyomalzemelerin korozyon ve aşınma davranışlarının incelenmesi
Investigation of corrosion and wear behaviors of titanium alloy biomaterials produced by powder metallurgy
Yazar: İJLAL ŞİMŞEK
Danışman: PROF. DR. DURSUN ÖZYÜREK
Karabük Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / İmalat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2017
Konu: Biyomühendislik = Bioengineering

Özet:
Bu çalışmada, ilk olarak farklı sürelerde mekanik alaşımlama ile üretilen Ti6Al4V alaşımlarının, vücut sıcaklığı ve yapay vücut sıvısı ortamında (in-vitro) korozyon ve aşınma performansları araştırılmıştır. Çalışmanın ilk aşamasında, mekanik alaşımlama ile üretilen Ti6Al4V alaşımında, farklı mekanik alaşımlama sürelerinin (15, 30, 60, 90, 120 dak) alaşımın toz boyutu üzerindeki etkisi belirlenmiştir. Üretilen alaşım tozlar, soğuk preslenerek (620 MPa) ön şekillendirilmiştir. Şekillendirilen ham parçalar, 4 °C/dak ısıtma hızı ile 1300 °C sıcaklıkta ve 10-6 mbar vakum altında iki saat sinterlenmiştir. Sinterlenen Ti6Al4V alaşımlarının yoğunluk, sertlik, korozyon ve aşınma testleri yapılmıştır. Böylece, bir toz metalürjisi yöntemi olan mekanik alaşımlama süresinin etkisi ile toz boyutu değişiminin mikro yapı ve vücut ortamına uygun şartlarda korozyon ve aşınma davranışlarına etkisinin belirlenmesine çalışılmıştır. Korozyon testleri potansiyodinamik polarizasyon tekniği kullanılarak, 37 °C vücut sıcaklığında, yapay vücut sıvısı içerisinde, ±750 mV tarama aralığında ve 1 mV/sn tarama hızıyla uygulanan bir döngüsel polarizasyon ölçümü gerçekleştirilmiştir. Aşınma testleri ise pin-on-disk tipi aşınma cihazında, üç farklı yük (10-20-30 N) altında, dört farklı aşınma mesafesinde  (400-800-1200-1600 m) ve 1 ms-1 kayma hızı ile yapay vücut sıvısı ortamında yapılmıştır. Bu aşamada yapılan çalışmalar sonucunda Ti6Al4V alaşımlarında mekanik alaşımlama süresi arttıkça toz boyutunun azaldığı belirlenmiştir. Mekanik alaşımlama süresine bağlı olarak alaşımların korozyon özelliklerinin değiştiği ve azalan tane boyutu ile korozyon oranının arttığı belirlenmiştir. Potansiyodinamik polarizasyon testler sonrasında korozyona uğramış yüzeyler incelendiğinde, mekanik alaşımlama süresi arttıkça, alaşımların yüzeyinde çukurcuk oluşma eğiliminin arttığı gözlenmiştir. Yapılan sertlik ve aşınma testleri ölçümleri sonucunda en yüksek sertlik 120 dak mekanik alaşımlanmış numunelerde elde edilirken, en düşük ağırlık kaybı da 120 dakika mekanik alaşımlanmış numunelerde elde edilmiştir. 

İkinci aşamada, V'un olumsuz etkileri nedeniyle Ti5Al2,5Fe ve Ti15Mo alaşımları da 120 dak mekanik alaşımlama yöntemi ile üretilerek, vücut sıcaklığında ve yapay vücut sıvısı içerisinde korozyon ve aşınma davranışları incelenmiştir. Yapılan çalışmalar sonucunda, mekanik alaşımlanmış Ti5Al2,5Fe alaşımının yoğunluğu 4,314 gr/cm3, sertliği 706,6 HV olarak ölçülmüştür. Ayrıca alaşımın yapısında α-Ti fazının baskın olduğu belirlenmiştir. Korozyon testleri sonucunda, potansiyodinamik polarizasyon parametrelerinde, Ikor değeri 18,24 mA/cm2 ve korozyon oranı 0,34758 mm/yıl olarak ölçülmüştür. Ti5Al2,5Fe alaşımlarının korozyon testleri sonrası yüzeylerinde, farklı boyutlarda çukurcukların oluşması, çukurcuk korozyonu mekanizmasının gerçekleştiğini göstermiştir. Mekanik alaşımlanmış Ti15Mo alaşımının yoğunluğu 4,93 gr/cm3, sertliği 299,5 HV olarak ölçülmüştür. Ti15Mo alaşımının yapısında Ti, Mo (β) ve TiO fazlarının oluştuğu belirlenmiştir. Ti15Mo alaşımının tafel eğrilerinden elde edilen potansiyodinamik polarizasyon parametrelerinde Ikor değeri 36,969 mA/cm2 ve korozyon oranı 0,54448 mm/yıl olarak ölçülmüştür. Ti15Mo alaşımının korozyon testleri sonucunda, çukurcuk korozyon mekanizmasının oluştuğu belirlenmiştir. Mekanik alaşımlanmış Ti5Al2,5Fe ve Ti15Mo alaşımlarında yapay vücut sıvısı ve sıcaklığı ortamında yapılan aşınma testleri sonucunda, yük miktarı arttıkça ağırlık kaybı ve aşınma oranı artmıştır. Her iki alaşımda en yüksek ağırlık kaybının ve aşınma oranı 30 N yük uygulanan numunelerde görülmüştür. Mekanik alaşımlanmış Ti5Al2,5Fe ve Ti15Mo alaşımlarının aşınma yüzeylerinden genel olarak, abrasif aşınma mekanizmasının aktif olduğu anlaşılmıştır.

Abstract:
In this study, the in-vitro corrosion and wear performance of Ti6Al4V alloys at body temperature are investigated at different simulated body temperature. At the first stage of the study, the effect of different mechanical alloying (MA) times (15, 30, 60, 90, 120 min) on the particle size of Ti6Al4V alloy produced by MA. Produced alloying powders are pre-formed by cold pressing (620 MPa). Preformed green parts are sintered for two hours at 1300°C with 4°C/min heating rate and under 10-6 mbar vacuum. Hardness, corrosion and wear tests are made on the sintered Ti6Al4V alloys. Therefore, this study aims to determine the effects of powder size, changed by different MA times, on the microstructure, and corrosion and wear behaviors in simulated body environment. Corrosion tests are performed as a cyclic polarization measurement using potentiodynamic polarization technique in a simulated body fluid and temperature of 37°C with ±750 mV scan range and 1 mV/s scan rate. Wear tests is performed on a pin-on-disk type wear device in simulated body fluid and under three differ loads (10-20-30 N) for four different sliding distances (400-800-1200-1600 m) at 1 ms-1 sliding speed. It is determined that powder size decrease by the increasing MA time of Ti6Al4V. It is also determined that the corrosion properties of the alloys change by the mechanical alloying time, and the corrosion rate increases by decreasing particle size. Corroded surfaces are examined after potentiodynamic polarization tests and it is determined that as the MA time increases, pitting tendency of the alloy surfaces increases. Hardness and wear test revealed that the highest hardness and the lowest weight loss are obtained in samples MA'ed for 120 minutes. 

In the second stage of the study, Ti5Al2.5Fe and Ti15Mo are also produced by MA for 120 min and their corrosion and wear behaviors in simulated body fluid at body temperature are examined since the negative effects of V. The density and hardness of MA'ed Ti5Al2.5Fe alloy are measured as 4.314 g/cm3 and 706.6 HV respectively. It was also determined that the α-Ti phase dominates the structure of the alloy. As a result of the corrosion tests, in the potentiodynamic polarization parameters, the Icorr value is measured as 18.24 mA/cm2 and the corrosion rate as 0.34758 mmpy. The formation of pits in different sizes on the surfaces of the Ti5Al2.5Fe alloys after corrosion treatment shows that the mechanism of the pitting corrosion takes place. The density and hardness values of the mechanically alloyed Ti15Mo alloy were measured as 4.93 g/cm3 and 299.5 HV respectively. Ti, Mo (β) and TiO phases were formed in the structure of Ti15Mo alloy. In the potantiodynamic polarization parameters obtained from the tafel curves of the Ti15Mo alloy, Icorr value is measured as 36.969 mA/cm2 and the corrosion rate is measured as 0.54448 mmpy. As a result of the corrosion tests of the Ti15Mo alloy, it was determined that the mechanism of the pitting corrosion occurred. As a result of wear tests on MA'ed Ti5Al2.5Fe and Ti15Mo alloys performed in the environment of simulated body fluid and temperature, the weight loss and wear rate increased as the amount of load increased. The highest weight loss and wear rate in both alloys were observed in samples loaded with 30 N. It is understood from the wear surfaces of mechanically alloyed Ti5Al2.5Fe and Ti15Mo alloys that the abrasive wear mechanism is active in general.