Plazma elektrolitik oksidasyon yöntemiyle Ti6Al4V alaşımı yüzeyine hidroksiapatit bazlı biyoseramik fazların kaplanması ve karakterizasyonu
Characterization and formation of hydroxyapatite based bioceramic phases on Ti6Al4V alloy by plasma electrolytic oxidation method
Yazar: SALİH DURDU
Danışman: PROF. DR. METİN USTA
Gebze Yüksek Teknoloji Enstitüsü / Mühendislik ve Fen Bilimleri Enstitüsü / Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2014
Konu: Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering ; Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences
Dizin: Anodik oksidasyon = Anodic oxidation ; Elektrokimyasal oksidasyon = Electrochemical oxidation ; Kalsiyum hidroksiapatit = Calcium hydroxyapatite ; Yüzey aşınması = Surface wear

Özet:
Bu çalışmada Ti6Al4V alaşımı; biyomedikal uygulamalarda biyoaktif ve biyouyumlu malzeme olarak kullanılan titanyum oksit, kalsiyum apatit ve hidroksiapatit bazlı kompozit kaplamalar üretmek için; kalsiyum asetat ((CH3COO)2Ca*x.H2O), -kalsiyum glisero fosfat (-C3H7CaO6P) ve saf su içerikli çözelti içerisinde plazma elektrolitik oksidasyon (PEO) yöntemiyle kaplandı. PEO kaplama prosesi ilk aşamada, kalsiyum ve fosfor bazlı bazik çözelti içerisinde üç farklı akım yoğunluğu (0,123, 0,140 ve 0,335 A/cm2) ve düşük kaplama sürelerinde (1, 2, 3, 4 ve 5 dakika) gerçekleştirildi. PEO prosesi daha sonra, tek akım yoğunluğu (0,123 A/cm2) ve yüksek kaplama sürelerinde (1, 5, 10, 20, 40, 60, 90 ve 120 dakika) gerçekleştirildi. Kaplama parametrelerinden; akım yoğunluğu ve kaplama süresinin kaplamaların büyüme kinetiğine, faz kompozisyonuna, bağlanma enerjisine, moleküler fonksiyonel gruplarına, yüzey morfolojine ve mikro yapısına, elementel kompozisyonuna, yüzey pürüzlülüğüne, altlık malzemeye yapışmasına, aşınma ve korozyon özelliklerine ve biyoaktivitelerine olan etkisi incelenmiştir. PEO prosesi sonrası yüzeyde anataz-TiO2, rutil-TiO2, TiP2, Ca3(PO4)2 (TCP-tri kalsiyum fosfat), perovskit-CaTiO3 (perovskit-kalsiyum titanat) ve Ca10(PO4)6(OH)2 (hidroksiapatit) fazları tespit edilmiştir. Kalsiyum bazlı elektrolit çözeltisinde PEO yöntemiyle kaplanan numunelerin ortalama kaplama kalınlıkları 15 ile 65 m arasında değişmektedir. PEO prosesi sonrası gözenekli ve pürüzlü bir yüzey oluşmaktadır ve kaplama işleminden sonra yüzey pürüzlülüğü, artan akım yoğunluğu ve kaplama süresi ile birlikte artmaktadır. Elementel haritalama sonuçlarına göre, yüzey yapısı homojen ve sürekli bir yapıdadır. Kaplamaların altlık metale olan yapışma mukavemetleri, artan akım yoğunluğu ve kaplama süresi ile birlikte artmıştır. Aşınma ve korozyon deneyleri sonucunda PEO yöntemiyle kaplanan Ti6Al4V alaşımlarının aşınma ve korozyon dirençleri kaplanmamış metale göre önemli ölçüde artmıştır. Kaplamaların SBF içerisinde 36,5 C'de bekletilmesi sonrası yüzeyde kemik benzeri apatit oluşumu gerçekleşmiş ve biyoaktivitif bir yüzey elde edilmiştir.

Abstract:
In this study, the Ti6Al4V alloy was coated in the solution consisting of calcium acetate ((CH3COO)2Ca*x.H2O), -calcium glycerophosphate (-C3H7CaO6P) and pure water by plasma electrolytic oxidation (PEO) method to produce titanium oxide, calcium apatite and hydroxyapatite-based surface used as of bioactive and biocompatible materials in biomedical applications. At the first step, the PEO was carried out at 0,123, 0,140 and 0,335 A/cm2 current densities in calcium based electrolyte for 1, 2, 3, 4 and 5 minutes. And then, the PEO was carried out at 0,123 A/cm2 current density for 1, 5, 10, 20, 40, 60, 90 and 120 minutes. The influence of the coating parameters such as the current density and oxidation time on the kinetic, phase composition, binding energy of the atoms, functional groups of the molecules, surface morphology and microstructure, surface roughness, adhesion to substrates, wear and corrosion and bioactivity of the coatings were investigated in detail. The phases formed on the coated Ti6Al4V alloy were detected anatase-TiO2, rutile-TiO2, TiP2, Ca3(PO4)2 (TCP-tri calcium phosphate), perovskite-CaTiO3 (perovskite-calcium titanate) and Ca10(PO4)6(OH)2 (hydroxyapatite). The average thickness of the plasma electrolytic oxidized coatings ranged from 4.8 to 73.5 μm for sodium silicate solution and from 15 to 65 μm for calcium based solution with some scatters. The adhesion strengths of coatings were increased with increasing current density and duration time. After PEO process, the coatings on Ti6Al4V alloy are rough and porous and the roughness of PEO coatings enhances with increasing current density or duration times. According to the EDX-Mapping, the elements and phases are uniformly distributed on the surface of PEO coatings. The wear resistance in all PEO coatings samples was considerably improved in relation to the untreated Ti6Al4V specimen under dry and SBF conditions. The corrosion resistance in all PEO coatings samples was considerably improved in relation to the untreated specimen in SBF. Bone like apatite structure was formed on the surface after the coatings were immersed in SBF at 36.5 C.