Ti6al4v titanyum alaşımının lazer kaynak kabiliyeti ve biyoaktivite özelliklerinin incelenmesi
Investigation of laser weldability and bioactivity characteristics of ti6al4v titanium alloy
Yazar: ŞENNUR ARSLAN
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ HAYRİYE ERTEK EMRE
Karabük Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / İmalat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2020
Konu: Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering

Özet:
Günümüzde malzeme bilimindeki en büyük gelişmelerden birisi de 'Biyomalzemeler'dir. Yüksek yoğunluk–mukavemet ve iyi derecede korozyon dirençlerinden dolayı endüstride biyomalzeme olarak, kimya sanayinden medikal sektöre kadar birçok alanda titanyum alaşımlarından yararlanılmaktadır. Titanyum alaşımlarının tribo-korozyon ve korozyon özelliklerinin önemi; denizaltı, deniz üstü platformları, biyomedikal implantlar ve diş hekimliğinde kullanımlarından kaynaklanır. Bugün kullanılan tüm titanyum alaşımların % 50 'sinden fazlası Ti6Al4V alaşımıdır. Ti6Al4V iki fazlı bir α+β alaşımı olup, içeriğindeki alüminyumun α faz dengeleyici, vanadyumun ise β faz dengeleyici element olarak görev yaptığı bilinir.

Günümüzde medikal alanda kullanılan malzemelerin kullanım alanında insan dokusu ile uyumluluğu ve biyokorozyon davranışları hakkında araştırmalar halen devam etmektedir. Bununla birlikte kullanılan parçaların boyutsal oranlarının çok küçük ve kompleks olması üretim aşamasında bu parçaların kaynaklı birleştirilmelerini zorunlu kılmaktadır. Kaynak ısıl işleminin, Ti6Al4V alaşımlarının korozyon direnci ve mekanik özelliklerini nasıl etkilediğini bilmek, kullanım alanı açısından oldukça önemlidir. Literatür araştırmalarından, titanyum alaşımlarının kaynaklı birleştirmeleri ile ilgili farklı çalışmalar yürütüldüğü görülmektedir. Modern birleştirme teknolojilerinden biri olarak, lazer kaynağı ayırt edici özellikleri ve potansiyeli nedeniyle artan ilgi görmektedir. Bu kaynak yöntemini nitelikli yapan, dar bir alana odaklanarak yüksek güç yoğunluğunda kullanılabilmesi ve otomasyona uygun olmasıdır. Lazer kaynak yöntemlerinden biri olan CO2 lazer kaynak yöntemi, düşük ısı girdisi, yüksek yoğuşma enerjisi, yüksek kaynak besleme hızı, dar kaynak bölgesi, yüksek mekanik dayanım, düşük distorsiyon nedeniyle ilave metal olmadan kaynak yapma imkânı sağlamasından dolayı geleneksel kaynak yöntemlerinden ayrılır.
	
Medikal alanda kullanılan titanyum ve alaşımlarından oluşan ortopedik cihaz ve implantların üretim tekniklerinde, selektif lazer ışını eritme (SLM), elektron ışını ergitme (EBM) (electron beam melting) ve hızlı üretim (RM) (rapid manufacturing) özel bir yere sahiptir. Ancak biyomalzemelere uygulanan bu termal etkinin titanyum malzeme özelliklerine ve implant olarak insan vücudu içerisinde kullanımı sırasında gösterdiği davranışlara etkileri bilinmemektedir. 

Bu tez çalışmasında Ti6Al4V alaşım malzemenin, CO2 lazer kaynaklı birleştirmelerinin özelliklerinin değişiminde, kaynak parametrelerinden ısı girdisi üzerinde etkin rolü olan kaynak ilerleme hızının etkisi araştırılmıştır. Bu amaçla Ti6Al4V alaşım malzemenin, CO2 lazer kaynak yöntemiyle farklı kaynak hızlarında birleştirilmesi gerçekleştirilerek bağlantıların mekanik özelliklerinin belirlenmesi amacıyla çekme testi ile sertlik ölçümleri gerçekleştirilmiştir. Ayrıca, birleştirmelerin mikroyapı incelemeleri de gerçekleştirilmiştir. Böylece birleştirmelerin mikroyapı ve mekanik özelliklerine kaynak ilerleme hızının etkisi tayin edilmiştir. İlaveten, kaynak termal çevriminin, biyomalzeme olarak kullanılan titanyum alaşımının biyouyumluluğuna ve biyokorozyon davranışına etkileri incelenmiştir. Bu amaçla Ti6Al4V ana malzemenin ve lazer kaynaklı birleştirmelerinin yapay vücut sıvısı (SBF) içerisinde 1, 7, 14, 21 ve 28 gün bekletilerek biyoaktivite özellikleri tayin edilmiştir. Numune yüzeylerinde oluşan hidroksiapatit oluşumu ağırlık artışıyla belirlenmiştir. Biyoaktivite testi sonrası yüzeydeki hidroksiapatitin temizlenerek ağırlık kayıpları hesaplanmış, ağırlık kaybına bağlı numunelerin biyokorozyon hızları belirlenmiştir. İlave olarak; numune yüzeylerinde oluşan hidroksiapatitin karakterizasyonu Taramalı Elektron Mikroskobu (SEM), elementel haritalama (mapping), X-Işını Difraktometresi (XRD) ve Enerji Dispersiyon Spektrometrisi (EDS) ile gerçekleştirilmiştir.

Abstract:
One of the greatest developments in materials science today is 'Biomaterials'. Due to its high density-strength and good corrosion resistance, titanium alloys are used in many fields from the chemical industry to the medical sector as biomaterials in the industry. The importance of tribo-corrosion and corrosion properties of titanium alloys stems is distinguished from their use in submarine, offshore platforms, biomedical implants and dentistry. More than % 50 of all titanium alloys used today are Ti6Al4V alloys. Ti6Al4V is a two-phase α + β alloy and it is known that aluminum acts as α phase stabilizer and vanadium acts as β phase stabilizer.

Today, research on the compatibility of materials used in the medical field with human tissue and biocorrosion behaviors is still ongoing. However, the dimensional proportions of the parts used are very small and complex, making it mandatory to combine these parts in the production stage. It is important to know how weld termal cycle affects the corrosion resistance and mechanical properties of Ti6Al4V alloys. In literature studies, it is seen that different studies are carried out on welded joints of titanium alloys. As one of the modern joining technologies, laser welding is receiving increasing attention due to its superior distinguishing properties and potential. The advantage of this welding method is that it can be used at high power density by focusing on a narrow space and suitable for automation. CO2 laser welding method, which is one of the laser welding methods, differs from traditional welding methods due to its low heat input, high condensation energy, high welding feed rate, narrow welding zone, deep penetration joints, high mechanical strength, and the possibility of welding without additional metal due to low distortion. 

The production techniques of orthopedic devices and implants consisting of titanium and its alloys used in medical field are, selective laser beam melting (SLM), electron beam melting (EBM) and rapid production (rapid manufacturing). However, the effects of this thermal effect applied to titanium biomaterials properties and behaviors during use as implant in human body are not known.

In this study, the effect of laser welding speed which has an effective role on heat input from welding parameters on properties of CO2 laser welded Ti6Al4V joints was investigated. For this purpose, Ti6Al4V alloy was joined with CO2 laser welding method at different welding speeds and hardness measurements were carried out with tensile tests in order to determine the mechanical properties of the weldments. In addition, microstructures examination of the joints were also carried out. Thus, the effect of welding speed rate on the microstructure and mechanical properties of joints has been determined. In addition, the effects of the welding thermal cycle on titanium alloy biocompatibilities and biocorrosion behavior used as biomaterials were investigated. For this purpose, the bioactivity properties were determined by keeping Ti6Al4V alloy and its welded joints in Simulated Body Fluid (SBF) for 1, 7, 14, 21 and 28 days. The formation of hydroxyapatite formed on the sample surfaces was determined by the increase in weight. After the bioactivity test, the hydroxyapatite on the surface was cleaned and weight losses were calculated. Also, the biocorrosion rates of the samples due to weight loss were determined. In addition, the characterization of hydroxyapatite formed on the sample surfaces was carried out by Scanning Electron Microscope (SEM), elemental mapping, X-Ray Diffractometer (XRD) and Energy Dispersion Spectrometry (EDS).