Toz metalurjisi yöntemiyle üretilen magnezyum alaşımlarının karakterizasyonu ve mikro-işlenebilirliği
Characterization and micro-machinability of magnesium alloys fabricated through powder metallurgy method
Yazar: ALİ ERÇETİN
Danışman: PROF. DR. KUBİLAY ASLANTAŞ ; DR. ÖĞR. ÜYESİ ÖZGÜR ÖZGÜN
Afyon Kocatepe Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Konstrüksiyon ve İmalat Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2019
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Biyouyumluluk = Biocompatibility ; Korozyon = Corrosion ; Magnezyum alaşımları = Magnesium alloys ; Mekanik özellikler = Mechanical properties ; Mikroişleme teknikleri = Micromachining techniques ; Toz metalurjisi = Powder metallurgy

Özet:
Bu tez çalışmasında, biyomedikal uygulamalarda kullanılabilecek, Mg alaşımının üretimi ve karakterizasyonu gerçekleştirilmiştir. Çalışmada, toz metalurjisi (T/M) tekniği olan sıcak presleme yöntemi kullanılarak, Mg5Sn-xZn (ağırlıkça %x=0, 1, 2, 3, 4, 5) numunelerinin üretimi yapılmıştır. Her bir alaşıma ait mikroyapı incelemeleri gerçekleştirilerek, mekanik ve korozyon özellikleri tespit edilmiştir. Bununla birlikte insan nöron hücrelerine karşı toksisite etkisini belirlemek için hücre canlılık analizi uygulanmıştır. Korozyon, biyouyumluluk ve mekanik testler sonucu, optimum özelliklere sahip olan alaşım numunesinin mikro işlenebilirlik parametrelerinin tayin edilebilmesi için, mikro frezeleme deneyleri gerçekleştirilmiştir.

Elde edilen sonuçlar göstermiştir ki, sıcak presleme metoduyla Mg5Sn-xZn alaşımının üretimi mümkündür. Numune yüzeylerinden alınan SEM/EDS incelemeleri neticesinde; homojen bir mikroyapı elde edilebildiği, oluşan ikincil fazların tane sınırlarında homojen bir şekilde dağıldığı gözlenmiştir. Artan Zn oranıyla birlikte genel olarak korozyon direncinde artış tespit edilmiştir. Korozyon testi sonrası numune yüzeylerinde koruyucu film şeklinde apatit yapılarının oluştuğu belirlenmiştir. En yüksek korozyon direnci, apatit yapılarının da yoğun bir şekilde oluştuğu TZ54 numunesinden elde edilmiştir. Bununla birlikte, Zn miktarındaki artışın mekanik özellikleri de iyileştirdiği tespit edilmiştir. En yüksek mekanik özellikler TZ55 numunesinden elde edilmiştir. Alaşımlara Zn ilavesi biyouyumluluk açısından SH-SY5Y hücrelerine herhangi bir toksik etki oluşturmamıştır. Korozyon ve biyouyumluluk özellikleri bakımından optimum özellikleri TZ54 numunesi sağlamıştır. Bu amaçla farklı kesme parametreleri dikkate alınarak TZ54 alaşımının mikro frezeleme deneyleri gerçekleştirilmiştir. Uygun kesme parametrelerine karar verebilmek için kesme kuvvetleri, işlenen yüzey kalitesi ve çapak genişliğinin değişimi araştırılmıştır. TZ54 alaşımının mikro frezelenmesinde elde edilen kesme kuvvetleri, diğer biyomedikal malzemelere nazaran oldukça küçüktür. Hem kesme kuvvetleri hem de yüzey pürüzlülüğü açısından, minimum talaş kalınlığının, takım kenar radyüsünün yaklaşık %7'si olduğu sonucuna varılmıştır.  Bununla birlikte Ti6Al4V ve AZ31 gibi alaşımlarla kıyaslandığında, çapak oluşumu daha küçük düzeydedir. Minimum talaş kalınlığından daha düşük ilerleme hızlarında çapak genişliği artmaktadır. Kesici takımda baskın olan hasar tipi abrasiv aşınmadır. Kısmen talaş yapışmasının da meydana geldiği gözlemlenmiştir. Takım ömrü, yüzey pürüzlülüğü ve çapak oluşumu dikkate alındığında, TZ54 alaşımının kolay işlenebilen, alternatif bir biyomedikal malzeme olabileceği öngörülmektedir.

Abstract:
In this thesis study, production and characterization of Mg alloy which can be used in biomedical applications has been realized. In study, Mg5Sn-xZn (x = 0, 1, 2, 3, 4 and 5 wt%) samples were produced by using the hot pressing method which is a powder metallurgy (P/M) technique. Microstructure investigations of each alloy were carried out and mechanical and corrosion properties were determined. However, cell viability analysis was performed to determine the effect of toxicity against human neuron cells. As a result of corrosion, biocompatibility and mechanical tests, micro-milling tests were carried out to determine the micro-machinability parameters of the alloy sample with optimum properties.

The results showed that it is possible to produce Mg5Sn-xZn alloy by hot pressing method. From the SEM/EDS results of the specimen surfaces, it was observed that a homogeneous microstructure could be obtained, and the formed secondary phases were uniformly distributed at the grain boundaries. It was determined that the corrosion resistance increased with increasing Zn ratios. After the corrosion tests, it was determined that apatite structures were formed in the form of protective films on the specimen surface. The highest corrosion resistance was obtained from TZ54 alloy, in which the apatite structures formed intensively; however, an increase in the amount of Zn was found to enhance the mechanical properties with the highest mechanical properties being obtained from TZ55 alloy. The addition of Zn to the alloys had no toxic effects on SH-SY5Y cells in terms of biocompatibility but was effective for cell growth. For the properties of corrosion and biocompatibility, the TZ54 sample provided optimum properties. For this purpose, micro milling experiments were carried out, considering different cutting parameters. In order to determine the appropriate cutting parameters, the cutting forces, surface quality and variation of burr width were investigated. The cutting forces obtained in micro milling of the TZ54 alloy are relatively small compared to other biomedical materials. In terms of both cutting forces and surface roughness, minimum chip thickness was determined to be approximately 7% of the tool edge radius. However, compared to alloys such as Ti6Al4V and AZ31, the formation of burrs is smaller. The burr width increases at feed rates lower than the minimum chip thickness. The predominant type of damage in the cutting tool is abrasive wear. Partial chip adhesion has also been observed. In view of tool life, surface roughness and burr formation, it is envisaged that the TZ54 alloy can be an easily machinable, alternative biomedical material.