Toz metalurjisi yöntemiyle imal edilen titanyum alaşımı implantların temel özelliklerinin araştırılması
Investigation for the basis properties of the titanium alloy implants produced with powder metallurgy method
Yazar: BEKİR YALÇIN
Danışman: PROF.DR. REMZİ VAROL
Süleyman Demirel Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2007
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering ; Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering

Özet:
ÖZETDoktora TeziTOZ METALURJİSİ YÖNTEMİYLE İMAL EDİLEN TİTANYUM ALAŞIMIİMPLANTLARIN TEMEL ÖZELLİKLERİNİN ARAŞTIRILMASIBekir YALÇINSüleyman Demirel Üniversitesi Fen Bilimleri EnstitüsüMakina Mühendisliği Anabilim DalıJüri: Prof. Dr. Cahit KURBANOĞLUProf. Dr. Remzi VAROL(Danışman)Prof. Dr. Süleyman TEKELİProf. Dr. Mustafa ACARDoç. Dr. Abdullah ÖZSOYBiyomalzemeler, geleneksel tıbbi medikal aletlere ilaveten, teşhis ürünleri, tedavi atıkları, dokukültürleri, hibrid organların yanı sıra, medikal implantların büyük bir kısmını içeren malzemeleritanımlamak için kullanılan terimdir. Ancak, hiçbir protez veya implant malzemesi, insankemiğinin yerini tutamayacağı bir gerçektir. Henüz yeterli olmamasına rağmen kullanılan birçokimplant malzemesi mevcuttur. İmplant malzemelerinin büyük bir çoğunluğu protez malzemesininkullanılacağı yere göre eğme-çekme dayanımı, sertlik, aşınma performansı, korozyon direnci,biyouyumluluk, hafiflik, süngerimsi veya sert kompakt kemik yapıları göz önüne alınarak imaledilmektedirler. Paslanmaz çelik ile başlayan süreç, bazı implantasyon ve biyouyumsuzlukproblemlerinden dolayı malzeme ve imalat teknolojilerinin geliştirilmesi sayesinde titanyum (Ti)alaşımlarının biyomalzeme olarak kullanılmasıyla devam etmiştir. Bu çalışmanın amacı,titanyum esaslı implant malzemelerinin toz metalürjisi (TM) yöntemiyle numune tarzında imaledilmesi ve mekanik-tribolojik, fiziksel ve metalürjik özelliklerinin araştırılmasıdır.İmplant endüstrisinde sıklıkla kullanılan Ti-6Al-4V, Ti-6Al-7Nb ve Ti-5Al-2.5Fe alaşımlarınınınyanı sıra klasik Ti-6Al-4V alaşımına % 4Ta ilavesi ile Ti-6Al-4V-4Ta alaşımı TM yöntemiyleimal edilmiştir. Alaşımlar, elementel toz karıştırma metoduyla 450-550 MPa tek etkili sıkıştırmabasıncı ile çelik kalıp içerisinde sıkıştırılmış ve argon koruyucu gaz ortamına sahip tüp fırında,1200 o C iki saat süreyle sinterlenelerek imal edilmişlerdir. İmal edilen numunelerin, sinterlemeöncesi yoğunluklarının sinterleme sonrası değişimi, çekme ve eğme mukavemeti, mikrosertlik,kuru ve vücut sıvısı ile özdeş hank sıvısı içerinde aşınma performansları yapılan deneylerle tespitedilmiştir. Çekme deneylerinde belirgin akma karakteristiği göstermeyen TM Ti alaşımlarınınelastisite modül değeri, sonik elastisite modül sistemi ile belirlenmiştir. TM Ti alaşımlarınınkarakteristiğini daha iyi analiz edebilmek için sürtünme katsayısı ve yüzey pürüzlülükölçümlerinin yanısıra eğme numunesi kırık yüzeyleri, aşınma yüzeyleri ve mikroyapıincelemeleri SEM-EDS ve optik mikroskopta yapılmıştır.Sonuç olarak, Ti-6Al-4V-4Ta alaşımında diğer alaşımlara nispeten yüksek eğilme dayanımı vebuna karşılık gelen sehim miktarı ve kemiğe en yakın elastisite modül ile birlikte kabul edilebilirçekme dayanımı, kuru sürtünme ve hank sıvısı ortamında (sıvı sürtünme) yüksek aşınmaperformansı saptanmıştır. Ti-6Al-4V alaşımında Ti-6Al-4V-4Ta alaşımı ile benzeş aşınmaperformansına karşılık bu alaşımda eğme durumunda daha kırılgan bir yapı ve çekmedeneylerinde daha yüksek tokluk, yüksek elastisite modül değeri elde edilmiştir. Ti-5Al-2.5Fealaşımında ise, yüksek süneklik, eğme-çekme dayanımı ve tokluğa karşı düşük aşınmaperformansı, yüksek elastisite modül ve yüksek yüzey pürüzlülük değerleri tespit edilmiştir. TMTi-6Al-7Nb alaşımında ise düşük eğme dayanımı ve düşük aşınma performansı ile birlikte düşüksüneklik, kabul edilebilir çekme dayanımı ve yüksek elastisite modül tespit edilmiştir.Metalografik çalışmalarda, özellikle Ti-5Al-2.5Fe alaşımında, yüksek sinter difüzyonu ile dahayoğun gelişmiş sinter boyun mekanizması ve düşük poroziteli bir karakteristik göstermiş ve bunaparalel olarak mekanik özelliklerin daha iyi olduğu görülmüştür. Ancak, Ti-6Al-4V alaşımındadaha yoğun bir iğnemsi Î± fazı (dönüşmüş Î² fazı) gözlemlenmiş ve bu ise mukavemet ile birliktekırılganlığı arttırmıştır. Diğer alaşımlarda, Ti-6Al-4V alaşımına nispeten eş eksenli Î± fazı ilebirlikte iğnemsi Î² faz dönüşümü gözlemlenmiştir. Ti-6Al-7Nb alaşımında, düşük tane sınırı vekütle difüzyonu ile düşük sinter boyun gelişiminden dolayı karmaşık gözenekli yapı elde edilmiş,bu da eğme dayanımı ve sünekliği belirgin bir şekilde düşürmüştür. Ti-6Al-4V-4Ta alaşımındaise, yüksek tane sınır difüzyonu ve kütle transferi ile birlikte gözeneklerin küreselleşmesisayesinde yüksek eğilme dayanımı ve sehim miktarı görülmüştür. Genel kapsamda, Ti-6Al-4V-4Ta alaşımı diğer alaşımlara nispeten kabul edilebilir çekme dayanımı ile birlikte daha iyimekanik, tribolojik ve metalografik özelliklere sahip olduğu sonucuna varılmıştır.ANAHTAR KELİMELER: İmplant, Toz Metalürji, Sinterleme, Sinter Difüzyon, Ti Alaşımları.2006, 148 sayfa

Abstract:
ABSTRACTPh.D. ThesisINVESTIGATION FOR THE BASIS PROPERTIES OF THE TITANIUMALLOY IMPLANTS PRODUCED WITH POWDER METALLURGYMETHODBekir YALÇINSüleyman Demirel University Graduate School of Applied and Natural SciencesDepartment of Mechanical EngineeringThesis Committee: Prof. Dr. Cahit KURBANOĞLUProf. Dr. Remzi VAROL(Adviser)Prof. Dr. Süleyman TEKELİProf. Dr. Mustafa ACARDoç. Dr. Abdullah ÖZSOYBiomaterials is a term used to describe diagnosis products, cure disposals, tissue cultures, hybridorgans as well as traditional medical tools and including most of the medical implants. However,it is a fact that none of the implants can substitute a human?s bone. Although still not enough,there are many applied implant materials. Most of the implant materials are produced consideringbending and tensile strength, hardness, wear performance, corrosion strength, biocompatible,lightness and spongy or hard compact bone structures. The process which started with the use ofstainless steel, changed into the use of titanium alloy (Ti) due to some developments intechnology, equipment, implantation and bio inharmony problems. The aim of these studies is tosearch the production of titanium based implant materials by powder metallurgy (PM) methodand find out mechanical tribological, physical and metallurgic features of these materials.In addition to the commonly used alloys such as Ti-6Al-4V, Ti-6Al-7Nb and Ti-5Al-2.5Fe, Ti-6Al-4V-4Ta in implant industry is produced by adding %4 Ta to Ti-6Al-4V by PM method.Alloys are produced by elemental powder mixing method in steel die compressed with single-acting pressing at 450-550 MPa and sintering in 1200 oC for two hours in argon protected tubefurnace. The change in the densities of the products before and after sintering, tensile andbending strength, microhardness, dry sliding wear performance and in hank liquid similar tobody liquid are determined by the conducted experiments. In tensile tests the elastic modulevalue of the PM Ti alloy, which did not show clearly yield point, is determined by sonic elasticmodule system. In order to better analyze PM Ti alloys? characteristic friction coefficient andsurface roughness measurements, fracture type of bending specimens, wear surfaces andmicrostructure examinations SEM-EDS and optical microscope is done and photographed.As a result, Ti-6Al-4V-4Ta alloy is relatively more bend strength and deflection quantitycorrelating to this, the acceptable tensile strength in addition wear performance of dry frictionand in hank liquid (liquid friction) is identified. Between Ti-6Al-4V and Ti-6Al-4V-4Ta alloysthere is a similar wear performance but in the preceding one a more fragile structure, hightoughness and higher elastic module values are obtained. Especially, elastic module of Ti-6Al-4V-4Ta alloy is determined to be close to bone elastic module and least surface roughness. In Ti-5Al-2.5 Fe alloy higher ductility, bending and tensile strength and toughness, low wearperformance to be parallel to microhardness, high elastic module and high surface roughnessvalues are obtained. In PM Ti 6Al-7Nb alloy low bending and acceptable tensile strength, lowwear performance, low ductility; acceptable tensile strength and high elastic modules areobtained.In metallographic studies, especially in Ti-5Al-2.5Fe alloy, with higher sinter diffusion, showedgrain boundary and mass diffusion and improved sinter neck mechanism and lower porouscharacteristic. So, Ti-5Al-2.5Fe alloy showed high bending strength and ductile structurecharacteristic. But, in Ti-6Al-4V alloy intensity acicular Î± phase (transformed Î² phase) isobserved, consequently strength and fragile structure is increased with this transformation. Moreequiaxed Î± phase together moderate acicular Î± phase in other Ti alloys is observed. In Ti-6Al-7Nb alloy, low grain boundary and mass diffusion and because of low sinter diffusion complexpore structure is obtained this has lowered the bending strength and ductility evidently. In Ti-6Al-4V-4Ta alloy thanks to high grain boundary diffusion and mass transfer, spherical pore, highbending strength deflection quantity is observed. In general, when compared with other alloys Ti-6Al-4V-4Ta alloy has relatively more acceptable tensile strength as well as better mechanical,tribological and metallographic properties.KEY WORDS: Implant, Powder Metallurgy, Sintering, Sinter Diffusion, Ti Alloys.2006, 148 pages