Yüksek basınçlı döküm yöntemi ile üretilen biyobozunur mg alaşımlarının mekanik ve korozyon özelliklerine nadir element ilavesinin etkisi
The effect of rare element addition on the mechanical and corrosion properties of biodegradable mg alloys produced by high pressure die casting method
Yazar: SELMA ÖZARSLAN
Danışman: DOÇ. DR. İDRİS SORAR ; YRD. DOÇ. DR. HÜSEYİN ŞEVİK
Hatay Mustafa Kemal Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Fizik Ana Bilim Dalı / Katıhal Fiziği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2018
Konu: Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering

Özet:
Bu çalışmada, yüksek basınçlı döküm yöntemi kullanılarak magnezyum-kalay esaslı alaşımların üretimi gerçekleştirilmiştir. Saf magnezyuma (Mg) ağırlıkça %4 kalay (Sn) elementi ilave edilmiş ve üretilen Mg-4Sn alaşımı ana alaşım olarak belirlenmiştir. Daha sonra Mg-4Sn esaslı alaşımlara ağırlıkça %1, 2 ve 4 oranlarında seryum(Ce), lantanyum (La) ve itriyum (Y) nadir toprak elementleri ilave edilmiştir. Üretilen Mg-4Sn, Mg-4Sn-xCe, Mg-4Sn-xLa ve Mg-4Sn-xY (x=%1, 2 ve 4) magnezyum alaşımlarının biyobozunur malzeme olarak kullanımı araştırılmıştır. Her bir alaşımın mikroyapısal, mekaniksel ve korozyon özellikleri belirlenmiştir. Alaşımların mikroyapı özellikleri alan emisyonlu taramalı elektron mikroskobu (FE-SEM), enerji dağınımlı element (EDS) analizi ve X-ışını difraksiyon (XRD) analizi kullanılarak incelenmiştir. Bu analizler yardımı ile magnezyuma ilave edilen alaşım elementlerinin oluşturduğu fazlar tespit edilmiştir. Elde edilen alaşımların mekanik özelliklerinin belirlenmesi için nanoindentasyon, mikrosertlik ve çekme testleri yapılmıştır. Nanoindentasyon ve mikrosertlik testleri gerçekleştirilerek her bir alaşımın nano ve mikro sertlik değerleri ile indirgenmiş elastik modül değerleri ölçülmüştür. Çekme testleri ile alaşımların akma ve çekme mukavemetinin yanı sıra yüzde uzama değerleri de tespit edilmiştir. Alaşımların biyokorozyon davranışlarını incelemek üzere yapay vücut sıvısı olarak kullanılan Hanks dengeli tuz solüsyonu (Hanks Balanced Salt Solution; HBSS) içerisinde, potansiyodinamik polarizasyon testi ve kütle kaybı yöntemi ile alaşımların korozyon hızları tespit edilmiştir.
Mikroyapı analizleri sonucunda ilave edilen Ce, La ve Y nadir toprak elementlerinin Mg-4Sn alaşımının mikroyapısını önemli ölçüde etkilediği, yeni intermetalik fazların oluştuğu, dane boyutunu değiştirdiği tespit edilmiştir. Mg-4Sn alaşımına; Ce, La ve Y alaşım elementlerinin artan ağırlık oranlarında ilave edilmesiyle bütün alaşımların nano ve mikrosertlik değerleri ve indirgenmiş elastik modül değerlerinin arttığı görülmüştür. Yapılan çekme testleri ile Mg-4Sn alaşımına ağırlıkça %2 Ce ilavesi ile akma ve çekme mukavemeti değerinin arttığı görülmüştür. Daha fazla Ce ilavesiyle akma mukavemeti değerinin sabit kaldığı, çekme mukavemeti değerinin ve yüzde uzama değerinin ise artmaya devam ettiği tespit edilmiştir. Mg-4Sn alaşımına La alaşım elementi ilavesinin artması ile ana alaşımın akma mukavemeti ve yüzde uzama miktarı artmış, fakat ağırlıkça %2 La ilavesine kadar ana alaşımın çekme mukavemeti değerini artırırken daha fazla La ilavesi çekme mukavemeti değerini bir miktar düşürmüştür. Ana alaşıma Y elementi ilavesi akma mukavemeti ve yüzde uzama değerini artırırken, çekme mukavemeti ağırlıkça %1 Y ilavesi ile artmış, fakat daha fazla Y ilavesi ile düşüş göstermiştir. Yapılan mekanik testler, mikroyapı analizinden elde edilen veriler ile birlikte yorumlanmıştır. Alaşımların biyokorozyon davranışını incelemek üzere gerçekleştirilen korozyon testleri sonucunda Mg-4Sn alaşımına Ce ve La ilavesinin ağırlıkça %1 olması halinde ana alaşımın bozunma hızını azalttığı,  daha fazla oranlarda Ce ve La ilavesinin ana alaşımın bozunma hızını arttırdığı tespit edilmiştir. Mg-4Sn alaşımına ilave edilen Y miktarının artması ile alaşımın korozyon direncinin arttığı, ağırlıkça %4 Y ilavesi ile en iyi sonucun elde edildiği görülmüştür.

Yapılan çalışmalar sonucunda Mg-4Sn alaşımına ilave edilen Ce, La ve Y alaşım elementlerinin ilave oranlarının alaşımın mikroyapısal, mekanik ve korozyon özelliklerinde önemli etkilere sahip olduğu sonucuna varılmıştır. Alaşımların mekanik ve biyokorozyon özellikleri göz önünde bulundurulduğunda Mg-4Sn-1Ce ve Mg-4Sn-1La alaşımlarının biyobozunur magnezyum alaşımı olarak kardiyovasküler stent olarak kullanılabilirliğinin olduğu, Mg-4Sn-2Y alaşımının ise biyobozunur ortopedik implant malzemesi olarak kullanılabilir olduğu düşünülmektedir.

Abstract:
In this work, magnesium-tin based alloys were produced by high pressure die casting method. Pure magnesium (Mg) was added in an amount of 4% tin (Sn) and the produced Mg-4Sn alloy was identified as the main alloy. Subsequently, cerium (Ce), lanthanum (La) and yttrium (Y) rare earth elements were added to the Mg-4Sn based alloys in ratios of 1, 2 and 4% by weight. The use of Mg-4Sn, Mg-4Sn-xCe, Mg-4Sn-xLa and Mg-4Sn-xY (x = 1, 2 and 4) magnesium alloys as biodegradable materials was investigated. The microstructural, mechanical and corrosion properties of each alloy have been determined. Microstructure properties of alloys were investigated using Emission Scanning Electron Microscopy (FE-SEM), Energy Dispersive Element (EDS) analysis and X-Ray Diffraction (XRD) analysis. With the help of these analyzes, phases formed by alloying elements added to magnesium were determined. Nanoindentation, microhardness tests and tensile tests were performed to determine the mechanical properties of the produced alloys. Nanoindentation and microhardness tests were used to measure the elastic modulus values of each alloy with reduced nano and micro hardness values. Tensile tests were also determined the elongation values of the alloys as well as yield and tensile strength. To investigate the biocorrosion behaviors of alloys, corrosion rates of alloys were determined by using Hanks Balanced Salt Solution (HBSS) as the artificial body fluid, potentiodynamic polarization test and mass loss method.
It was determined that rare earth elements of Ce, La and Y added of the microstructure analysis significantly affected the microstructure of Mg-4Sn alloy, formed new intermetallic phases and changed grain size. Mg-4Sn alloy; the addition of Ce, La and Y alloying elements at increasing weight ratios showed that nano and microhardness values and reduced elastic modulus values of all alloys increased. Tensile tests showed that the yield strength and tensile strength values increased with addition of 2% wt. Ce to the Mg-4Sn alloy. It was determined that the yield strength value remained constant while the tensile strength value and the elongation value contiuned to increase with the addition of more Ce. With the increase of the La alloy element addition to the Mg-4Sn alloy, the yield strength and elongation of the main alloy increased, but increased the tensile strength value of the main alloy to 2% wt. La addition, while the addition of La reduced the tensile strength value slightly. While the main alloying addition of Y element increased the yield strength and percent elongation, the tensile strength increased by 1% wt. addition but decreased by more Y addition. The mechanical tests were interpreted together with the data obtained from the microstructure analysis. As a result of the corrosion tests carried out to investigate the biocorrosion behavior of the alloys, the addition of Ce and La to the Mg-4Sn alloy decreased the corrosion rate of the main alloy if the Ce and La additions were 1% by weight and the addition of Ce and La at more ratios increased the corrosion rate of the main alloy. It has been found that with the increase of the amount of Y added to the Mg-4Sn alloy, the corrosion resistance of the alloy increases and the best results is obtained with addition of 4% Y by weight.
As a result of the studies, it has been concluded that the addition ratios of the alloying elements Ce, La and Y added to the Mg-4Sn alloy have significant effects on the microstructure, mechanical and corrosion properties of the alloy. Mg-4Sn-1Ce and Mg-4Sn-1La alloys can be used as biodegradable magnesium alloy as a cardiovascular stent and Mg-4Sn-2Y alloy can be used as biodegradable orthopedic implant material when mechanical and biocorrosive properties of alloys are taken into consideration.