Toz metalurjisi yöntemiyle üretilen CoCrMo matrisli nano partikül takviyeli kompozit malzemelerin mikroyapı, mekanik ve biyouyumluluk özelliklerinin araştırılması
Investigation of microstructure, mechanical and biocompatibility properties of CoCrMo matrix carbon nanoparticle reinforced composites produced by powder metallurgy
Yazar: HASANEEN MAJED HOUSSAIN HOUSSAIN
Danışman: PROF. DR. SERKAN ISLAK
Kastamonu Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering ; Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering ; Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences

Özet:
CoCrMo alaşımları, olağanüstü biyouyumluluk özelliklerine rağmen zayıf mekanik özelliklerinden dolayı gün geçtikçe bilim insanlarını CoCrMo alaşımları üzerine farklı çalışmalar yapmaya itmektedir. Bu çalışma, CoCrMo alaşımının farklı karbon nanopartiküller (karbon nanotüp (CNT), grafen (Gr) ve karbon nanofiber (CNF)) ile takviye edilmesinin mikro yapı, fiziksel, mekanik, tribolojik ve biyouyumluluk özellikleri üzerindeki etkisini araştırmaktadır. Her bir karbon nanopartikül içeriği %0,25, %0,50, %0,75 ve %1 ağırlık oranında olmuştur. Toz metalurji teknikleri kullanılarak dört grup kompozit alaşım üretilmiştir. Optik mikroskop, tarayıcı elektron mikroskobu (SEM) ve X-ışını kırınımı (XRD) kullanılarak mikro yapı analizi yapılmıştır. Ek olarak, yoğunluk, mekanik, triboloji ve biyouyumluluk testleri gerçekleştirilmiştir. Mikro yapı sonuçları, karbon nanopartiküllerin matris içinde homojen bir şekilde dağıldığını, tane sınırlarının görüldüğünü, karbür fazlarının tespit edilerek tane sınırları çevresine dağıldığını ve dendritik yapının da mikro yapıda görüldüğünü ortaya koymaktadır. Kompozitlerin bağıl yoğunluğu, karbon nanopartikül içeriği arttıkça azalmakta ve %85,77 ile %79,8 arasında değişmektedir. Tersine, Vickers sertlik testleri, nanopartikül ilavesi ile sertlikte önemli bir artış olduğunu göstermiştir ve optimum sertlik artışı %1 Gr ilavesi ile elde edilmiştir. Tribolojik testler, karbon nanopartikül içeriği arttıkça aşınma direncinde bir iyileşme olduğunu ve sürtünme katsayısının 0,48'den 0,63'e değiştiğini doğrulamıştır. Yine, %1 Gr içeren alaşım en uygun tribolojik özellikleri sergilemiştir. Biyouyumluluk değerlendirmesi, referans alaşıma (CoCrMo) kıyasla tüm karbon nanopartikül takviyeli alaşımlar için iyileştirilmiş biyouyumluluk göstermiştir. Bulgular, karbon nanopartiküllerin takviye olarak dahil edilmesinin CoCrMo alaşımlarının geliştirilmesi için umut verici olduğunu göstermektedir

Abstract:
Despite the exceptional biocompatibility properties of CoCrMo alloys, their poor mechanical properties drive scientists to conduct various studies on CoCrMo alloys. Scientists are investigating the alterations that take place when carbon nanoparticles such as carbon nanotube (CNT), graphene (Gr), and carbon nanofiber (CNF) are introduced to the CoCrMo alloy in order to enhance its strength. They are looking at its microstructure, physical, mechanical, tribological, and biocompatibility properties. Each carbon nanoparticle contained 0.25%, 0.50%, 0.75%, and 1% by weight. Four groups of composite alloys were produced using powder-metallurgy techniques. We analyzed the microstructure using optical, scanning electron microscopy (SEM), and X-ray diffraction (XRD). Additionally, density, mechanical, tribological, and biocompatibility tests were conducted. The microstructure results showed that the carbon nanoparticles were evenly spread throughout the matrix. Grain boundaries were also seen, and carbide phases were found and spread around the grain boundaries. Dendritic structures were also seen in the microstructure. The relative density of the composites decreased as the carbon nanoparticle content increased, ranging from 85.77% to 79.8%. In contrast, Vickers hardness tests revealed a significant increase in hardness with the addition of nanoparticles, with adding 1% Gr achieving the maximum increase in hardness. Tribological tests showed that the wear resistance improved as the amount of carbon nanoparticles increased. The coefficient of friction ranged from 0.48 to 0.63. Again, the alloy containing 1% Gr demonstrated the most favorable tribological properties. Biocompatibility assessment showed improved biocompatibility for all carbon nanoparticle-reinforced alloys compared to the reference alloy (CoCrMo). The findings indicate that including carbon nanoparticles as a reinforcement is promising for developing CoCrMo alloys.