Seramik kaplanmış AZ31 alaşımının tribolojik, korozyon, tribokorozyon performansı ve biyouyumluluk davranışının incelenmesi
Investigation of tribological, corrosion, tribocorrosion performance and biocompatibility behavior for ceramic coated AZ31 alloy
Yazar: YUSUF BURAK BOZKURT
Danışman: PROF. DR. AYHAN ÇELİK
Atatürk Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2021
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Amaç: AZ31 biyobozunur metalik malzemenin bozunma hızının seramik kaplamalar kullanarak azaltılması ve bozunmanın daha kontrollü bir hale getirilmesi amaçlanmıştır.
Yöntem: AZ31 alaşımı, katodik ark fiziksel buhar biriktirme yöntemi kullanılarak AlTiN ve Ag doplu TiN olmak üzere seramik türde malzemeler ile kaplanmıştır. Üç grup numune için kuru ve sıvı ortamda aşınma, daldırmalı korozyon, elektrokimyasal korozyon ve tribokorozyon testleri uygulanmış, numuneler birbirleri ile kıyas edilmiştir. Test çözeltisi olarak PBS (Phosphate Buffered Saline), DMEM (Dulbecco's Modified Eagle's Medium) ve SBF (Simulated Body Fluid)  kullanılmıştır. Tribolojik testler iki farklı yük altında tekrarlanmıştır. Numunelerin yapısal ve morfolojik analizleri XRD, SEM, EDS, mikrosertlik ve üç boyutlu profilometre ile gerçekleşitirilmiştir. Temas açısı ölçüm cihazı ile numune yüzeylerinden statik temas açıları alınmıştır. Taban malzeme ve kaplama arasındaki adezyonun tespiti için çizme testi uygulanmıştır. Tribolojik analizlerin elde edilebilmesi için oda şartlarında doğrusal zıt yönlü düzlem-pim aşınma düzeninde deneyler gerçekleştirilmiştir. Elektrokimyasal korozyon deneyleri için potansiyodinamik polarizasyon ve elektrokimyasal empedans spekstroskopisi yöntemleri kullanılmıştır. Tribokorozyon testleri kapsamında tribolojik ve elektrokimyasal korozyon test düzeneği eş zamanlı çalışır hale getirilmiştir. Biyobozunurluk testleri için daldırmalı korozyon testi uygulanmıştır. Çözeltilerin element içeriklerinin niceliksel analizi ICP-MS ile gerçekleştirilmiştir.
Bulgular: AZ31 taban malzemeye göre AlTiN ve Ag doplu TiN filmlerin yüzey sertlikleri daha fazladır. Kaplanmış numunelerde sürtünme katsayılarında artış gözlemlenmiş, aşınma oranları AZ31 alaşımına göre azalmıştır. Elektrokimyasal ve daldırmalı korozyon testlerine göre maksimum korozyon direnci Ag doplu TiN filmde görülmüştür. Tribokorozyon testlerinde arttırıcı ve sinerjik etkinin ayrı ayrı veya birlikte denge halinde etki gösterdiği tespit edilmiştir. Uzun süreli test periyotları için SBF çözeltisinin korozyon hasarında daha etkin olduğu söylenebilir. 
Sonuç: AlTiN ve Ag doplu TiN ile ayrı ayrı kaplamış AZ31 alaşımının, biyobozunur implant malzemesi olarak yüzey özellikleri iyileştirilmiş ve bozunma hızı daha kontrollü bir hale getirilmştir.

Abstract:
Purpose: It is aimed to reduce the degradation rate of AZ31 biodegradable metallic material and to make the degradation more controlled by using ceramic coatings.
Method: AZ31 alloy is coated with ceramic type materials, AlTiN and Ag-filled TiN, using cathodic arc physical vapor deposition method. For three groups of specimens, wear, immersion corrosion, electrochemical corrosion and tribocorrosion tests were applied in dry and liquid medias, and the samples were compared with each other. PBS (Phosphate Buffered Saline), DMEM (Dulbecco's Modified Eagle's Medium) and SBF (Simulated Body Fluid) were used as test solution. Tribological tests were repeated under two different loads. Structural and morphological analyzes of the specimens were performed with XRD, SEM, EDS, microhardness and three-dimensional profilometry of the samples were used. Static contact angles were taken from the sample surfaces with the contact angle measuring device. The scratch test was applied to determine the adhesion between the base material and the coating. In order to obtain tribological analyzes, the experiments were carried out reciprocating ball-on-flat system at room conditions. For electrochemical corrosion experiments, potentiodynamic polarization and electrochemical impedance spectroscopy methods were used. For biodegradability tests, immerison corrosion test was applied. Within the scope of tribocorrosion tests, the tribological and electrochemical corrosion test setup was used simultaneously. Quantitative determination of the elemental contents of the solutions was carried out by ICP-MS. 
Findings: The surface hardness of AlTiN and Ag-filled TiN films is higher than the AZ31 base material. An increase was observed in the coefficients of friction in the coated samples, and the wear rates decreased compared to the AZ31 alloy. According to the electrochemical and immersion corrosion tests, the maximum corrosion resistance was observed in the Ag doped TiN film. In tribocorrosion tests, it has been determined that the additive and synergistic effects act separately or together in balance. It can be said that SBF solution is more effective in corrosion damage for long-term test periods.
Results: As a biodegradable implant material, the surface properties of AZ31 alloy coated separately with AlTiN and Ag doped TiN have been improved and the degradation rate has been made more controlled.