Farklı kristal yapılardaki titanyum ve alaşımlarının borlanması ve borlamanın bu malzemelerin mikroyapı, mekanik ve biyouyumluluk özellikleri üzerindeki etkilerinin incelenmesi
Boriding of titanium and its alloys into different crystalline structures and investigating the effect of boriding on their microstructure, mechanical behaviour and biocompatibility
Yazar: GÖKHAN KARA
Danışman: PROF. DR. GENÇAĞA PÜRÇEK
Karadeniz Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2017
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Bu çalışmada, α-tipi Grade-2 Ti, (α+β)-tipi Ti-6Al-4V alaşımı ve β-tipi Ti-45Nb alaşımından üretilen numunelere amorf bor, susuz boraks ve aktif karbondan oluşan bir karışım içerisinde katı borlama işlemi uygulandı. Optimum karışım ve sıcaklıklarda uygulanan borlama sonucu söz konusu titanyum malzemelerden üretilen numune yüzeylerinde gelişen borür tabakalarının yapısal, mekanik özellikleri, aşınma davranışı ve biyouyumluğu incelendi. Farklı büyüme kinetiği sonucu her bir malzemenin yüzeyinde bileşime de bağlı olarak farklı kalınlıklarda TiB2(.NbB2) ve TiB fazlarından oluşan ikili borür tabakası meydana geldi. Grade-2 Ti ve Ti-6Al-4V alaşımından üretilen numune yüzeylerinde geliştirilen borür tabakalarında en yüksek sertlik değeri 4000HV, Ti-45Nb alaşımından üretilen numunelerde ise 3500 HV olarak ölçüldü. Borür tabakalarının altlık malzemeye yapışmasının tüm malzemelerde yeterli olduğu tespit edildi. Çizik testinde en yüksek kritik yük değeri Grade-2 Ti'da elde edilirken onu sırasıyla Ti-6Al-4V ve Ti-45Nb alaşımlarının takip ettiği görüldü. Borlama işlemleri söz konusu titanyum malzemelerin aşınma dirence önemli ölçüde artırdı. Borür tabakalarının yapısal ve mekanik özelliklerine bağlı olarak Grade-2 Ti ve Ti-6Al-4V alaşımının Ti-45Nb alaşımına göre daha yüksek aşınma dayanımı gösterdiği tespit edildi. Uygulanan borlama işlemi her üç titanyum malzeme üzerindeki hücre proliferasyonu çok belirgin olmasa da bir miktar azalttı.

Abstract:
In this study, solid state boriding technique was applied to the samples produced from α-type Grade-2 Ti, (α+β)-type Ti-6Al-4V and β-type Ti-45Nb alloys, into a mixture of amorphous boron, anhydrous borax and active carbon. Dual boride layers comprised of TiB2(.NbB2) and TiB phases with various thicknesses were formed on the surfaces of the titanium samples due to their different growth kinetics. Structural, mechanical and tribological properties as well as biocompatibility of borided layers developed on the surfaces of titanium samples at specific temperatures were investigated. The maximum hardness at upper most layer of the samples of Grade-2 Ti and Ti-6Al-4V alloy after boriding reached up to 4000 HV while that of Ti-45Nb alloy sample reached up to 3500 HV. Adhesions of borided layers to the titanium substrates were sufficient. While thick and adhered borided layer on Grade-2 Ti sample resulted in higher upper critical load, the borided layer of Ti-45Nb alloy sample showed lower critical load than those on others. The borided samples of all types of titanium materials exhibited excellent wear resistance compared to as-received ones. Borided Grade-2 Ti and Ti-6Al-4V alloy samples has superior wear resistance than borided Ti-45Nb alloy sample due to their different structural and mechanical properties. Boriding applied to all types of titanium samples slightly decreased cell proliferation compared to as-received ones.