Orta entropili TiNbZr alaşımı/hidroksiapatit gözenekli biyokompozit malzeme üretimi ve karakterizasyonu
Medium entropy TiNbZr alloy- hydroxyapatite porous biocomposite material production and characterization
Yazar: ŞÜKRAN KARADENİZ
Danışman: PROF. DR. ERSİN ARSLAN
Atatürk Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2023
Konu: Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering

Özet:
Amaç: Bu çalışmanın amacı, boşluk tutucu amonyum bikarbonat(NH4HCO3)  uygulanmasıyla gözenekli eşmolar orta entropili TiNbZr(TNZ)/Hidroksiapatit(HA) biyokompozit malzeme üretmek, mikroyapısal ve aşınma davranışını karakterize etmektir. 
Yöntem: Bu çalışmada sığır femur kemiklerinden doğal HA elde edilmiş olup bu işleme paralel olarak Ti, Nb, Zr tozları kullanılarak gezegen hareketli bilyalı öğütücüde mekanik alaşımlama işlemiyle orta entropili eşmolar TNZ alaşımı geliştirilmiştir. Tozların boyutsal özellikleri için tane boyutu analizi uygulanmıştır. Geliştirilen TNZ alaşımına %30 ve %70 ağırlık oranlarında, doğal HA tozu eklenerek TNZ/HA kompozit malzeme üretilmiştir. Ayrıca gözenekli bir yapı oluşturmak için %20 ve %30 oranlarında NH4HCO3 ilave edilmiştir. Eşmolar TNZ/HA içeren kompozitlere ön presleme işlemi ardından soğuk izostatik presleme (Cold Isostatic Pressing-CIP) işlemi uygulanmıştır. Green (ham) kompact bir yapı elde edilmiştir. Presleme işlemi yapılan numunelerin sinterleme işlemi gerçekleştirilmiştir. Kompozit malzemelerin yoğunluk ölçümleri Arşimet prensibine göre belirlenmiştir. Sinterleme sonrası numunelerin yapısal özellikleri XRD ve SEM-EDS analizleri ile belirlenmiştir. Mekanik özellikler basma ve mikro sertlik testleri ile aşınma özellikleri ise Pin-On Disk aşınma testi ile belirlenmiştir.
Bulgular: Elde edilen numunelerde boşluk tutucu (NH4HCO3) miktarının artmasıyla birlikte gözeneklilik miktarında artış görülmüştür. Porozite miktarında ki artışa bağlı olarak numunelerin yüzey pürüzlülüklerinde, sürtünme katsayılarında ve aşınma oranında artış gözlenirken, elastisite modüllerinde, basma mukavemetlerinde ve yoğunluklarında azalma gözlenmiştir. Ayrıca HA miktarı artışıyla birlikte, porozite miktarının arttığı ve buna bağlı olarak yüzey pürüzlülüklerinde, sürtünme katsayılarında ve aşınma oranında artış gözlenirken, elastisite modüllerinde, basma mukavemetlerinde ve yoğunluklarında azalma kaydedilmiştir.
Sonuç: Mevcut tez çalışmasından elde edilen veriler doğrultusunda gözenekli iskele yapısına sahip orta entropili TNZ/HA biyomalzeme üretimi ile geliştirilen malzemenin ortopedik ve dental implantlarda kullanılabilecek potansiyel bir aday olduğu sonucuna varılmıştır.  

Anahtar Kelimeler: Eşmolar TNZ alaşımı, Doğal HA, Orta Entropili Alaşımlar, Gözenekli Yapı Iskeleleri, Mekanik Alaşımlama, Soğuk Izostatik Pres, Boşluk Yapıcı Malzemeler

Abstract:
Objective: The main purpose of this study is to produce a porous equimolar medium-entropy TiNbZr(TNZ)/Hydroxyapatite(HA) biocomposite material and to characterize its microstructural and wear behavior by applying space holder ammonium bicarbonate (NH4HCO3).
Method: In this study, natural HA was obtained from bovine femur bones, and in parallel with this process, a new medium entropy alloy was developed by mechanical alloying in a planetary ball mill using Ti, Nb, Zr powders. Afterwards, a new composite material was obtained by adding the produced natural HA powder at 30% and 70% weight ratios to the developed TNZ alloy. In order to increase the pore amount of the composite material formed in the study, 20% and 30% ammonium bicarbonate (NH4HCO3) was added. After pre-pressing, cold isostatic pressing method (CIP) was applied to the composites containing equimolar TNZ/HA. The sintering process of the pressed samples was carried out in 2 stages. Finally, the structural properties of the sintered samples were determined by XRD and SEM/EDS analyses, and particle size analyses, compression tests, density measurements, surface roughness analyzes, micro hardness measurements and wear tests by pin-on-disc method were performed.
Findings: With the increase in the amount of space holder (NH4HCO3) in the samples, a significant increase in the amount of porosity is observed. Depending on the increase in the amount of porosity, an increase was observed in the surface roughness, coefficient of friction and wear rate of the samples, while a decrease was observed in the elastic modulus, compressive strength and densities. In addition, with the increase in the amount of HA; An increase in the amount of porosity was observed. Accordingly, while an increase was observed in surface roughness, coefficients of friction and wear rate, a decrease was observed in modulus of elasticity, compressive strength and densities.
Results: As a result of the analysis, it has been determined that the TNZ alloy, TNZ and TNZ/HA porous scaffolds developed within the scope of the thesis study have a great potential to be used especially in implant applications.

Keywords: Equimolar TNZ alloy, Natural HA, Medium Entropy Alloys, Porous Scaffolds, Mechanical Alloying, Cold Isostatic Press, Space Holder Materials