Biyomedikal titanyum alaşımlarının bilyalı dövme sonrası değişen yüzey ve yüzey altı mekanik özelliklerinin incelenmesi
Investigation of surface and subsurface mechanical properties of shot peened biomedical titanium alloys
Yazar: EMİRHAN ÇALIM
Danışman: DOÇ. DR. EGEMEN AVCU
Kocaeli Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Bilyalı dövme = Shot peening ; Biyomedikal araştırmalar = Biomedical research ; Karakterizasyon = Characterization ; Morfoloji = Morphology ; Sertlik = Hardness ; Titanyum alaşımları = Titanium alloys

Özet:
Titanyum alaşımları üstün mekanik özellikleri, yüksek ağırlık-mukavemet oranları ve biyouyumlulukları sebebiyle biyomedikal uygulamalarda sıklıkla tercih edilmektedir. Diğer metalik biyomedikal alaşımlarla karşılaştırıldığında kemik elastiste modülüne daha yakın elastiste modülüne sahip olması da titanyum alaşımlarının bu alanda kullanım potansiyelini arttırmaktadır. Bu çalışmada toz metalürji yöntemi kullanılarak üretilen ticari saflıkta Cp-Ti, Ti6Al4V ve yenilikçi titanyum alaşımları olan Ti13Nb13Zr ve Ti10Mo5Fe numunelere bilyalı dövme işlemi uygulanarak mekanik özelliklerinin geliştirilmesi ve değişen mekanik özelliklerinin yenilikçi bir yöntem olan iki boyutlu mekanik özellik haritalama yöntemi kullanılarak incelenmesi amaçlanmıştır. Bu amaç doğrultusunda kimyasal kompozisyona uygun hazırlanan tozlar sıcak pres cihazında 950 °C'de 30 dakika sinterlenerek üretilmişlerdir. Üretilen numuneler daha sonra CNC kontrollü özel tasarım bilyalı dövme cihazında 7 bar basınçta 10 dakika süreyle 600 µm -1000 µm arası boyutta paslanmaz çelik bilyalar kullanılarak dövülmüştür. Bilyalı dövülmüş numunelerin yüzey karakterizasyonu 3-boyutlu profilometre ve taramalı elektron mikroskobu (SEM) ile gerçekleştirilmiştir. Numunelerin bilyalı dövme sonrası mikroyapı incelemeleri için optik mikroskop kullanılmıştır. Numunelerin mekanik karakterizasyonu ise bu alanda daha önce denenmemiş olan 2-boyutlu haritalama yöntemi kullanılarak yapılmıştır. Kesit bölgesinde belirli bir alanda yapılan 200 adet mikrosertlik ölçümünden elde edilen sonucun işlenmesi ve sertlik haritalarının eldesi için Matlab programı kullanılmıştır. Sonuçlar incelendiğinde, bilyalı dövmenin malzemenin yüzeyinde plastik deformasyona sebep olduğu ve yüzey pürüzlülüğünü arttırdığı görülmüştür. Bununla beraber yüzey altı bölgede bilyalı dövmenin etkisine bağlı olarak tane incelmesi ve tane yönelmesi gözlemlenmiştir. Ayrıca, dövmenin etkisinin görüldüğü yüzey altı bölgede (yaklaşık 600 µm) sertlik değerlerinin arttığı görülmüştür. Sertlik değerlerindeki bu artışın sebebinin mikroyapısal incelemelerde görülen tane incelmesi ve tane yönlenmesi mekanizmaları olduğu yorumu yapılmıştır.

Abstract:
Titanium alloys are frequently preferred in biomedical applications due to their superior mechanical properties, high weight-strength ratios, and biocompatibility. The fact that titanium alloys have a lower modulus of elasticity compared to other metallic implant materials increases their potential for use in this area. In this study, it was aimed to improve the mechanical properties of Cp-Ti, Ti6Al4V, Ti13Nb13Zr and Ti10Mo5Fe samples produced by powder metallurgy method by applying shot peening process and to investigate their changing mechanical properties using an innovative two-dimensional mechanical property mapping method. For this purpose, in the first stage, the samples were produced by sintering in a hot press device at 950 °C for 30 minutes. The produced samples were then peened for 10 minutes at 7 bar pressure in a CNC-controlled specially designed shot peening device. Surface characterization of peened samples was performed by 3D profilometer and scanning electron microscope (SEM). Optical microscopy was used to examine the changes in the microstructure of the samples after shot peening. The mechanical characterization of the samples was made using the 2D mapping method, which has not been tried before in this field. Matlab® program was used to process the results obtained from 200 microhardness measurements made in a certain area in the cross section and to obtain the hardness maps. When the results were examined, it was seen that shot peening caused plastic deformation on the surface of the material and increased the surface roughness. Additionally, grain refinement and grain orientation were observed in the subsurface region due to the effect of shot peening. Also, it was observed that the hardness values increased in the subsurface region (approximately 600 µm) where the effect of shot peening was observed. It has been interpreted that the reason for this increase in hardness values is due to grain refinement and grain orientation mechanisms seen in microstructural studies.