CoCrFeNi yüksek entropi alaşımlarında Al ve Ti 'un degredasyon, iyon salınımı ve biyoaktivite üzerine etkilerinin araştırılması
Investigation of the effects of Al and Ti on degradation, ion release, and bioactivity in CoCrFeNi high-entropy alloys
Yazar: YUSUF GÜL
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ YAKUP SAY
Munzur Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Stratejik Hammaddeler ve İleri Teknoloji Uygulamaları Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Biyomühendislik = Bioengineering ; Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering ; Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering

Özet:
Bu çalışma, CoCrFeNi alaşımlarına Al ve Ti katkısının biyomalzeme uygulamaları için önemli olan degradasyon, iyon salınımı ve biyoaktivite özellikleri üzerindeki etkisini araştırmayı amaçlamaktadır. Üç farklı yüksek entropi alaşım (CoCrFeNi, CoCrFeNiAl ve CoCrFeNiTi) mekanik alaşımlama ve ark plazma sinterleme yöntemleri ile üretilmiştir. Mekanik alaşımlama, alaşım tozlarının eldesi için kullanılmış ve 80 saatlik alaşımlama süresi ile tüm numunelerde homojen bir element dağılımının sağlandığı görülmüştür. Ark plazma sinterleme, tozların preslenerek yüksek sıcaklıkta sinterlenmesi için kullanılmış ve Al ve Ti katkısının amorflaşmayı geciktirdiği tespit edilmiştir. Karakterizasyon analizleri, alaşımların mikroyapı, element dağılımı ve faz yapısını belirlemek için SEM, EDS ve XRD analiz yöntemleri kullanılarak yapılmıştır. Degradasyon analizleri, alaşımların yapay vücut sıvısı (SBF) içerisindeki çözünme miktarlarını tespit edebilmek için daldırma öncesi ve sonrası ağırlık ölçümleri yapılarak gerçekleştirilmiştir. Al ve Ti katkısının CoCrFeNi alaşımlarında degradasyon şiddetini azalttığı gözlenmiştir. İyon salınım analizleri, alaşımların SBF içerisindeki metal iyon salınımlarını belirlemek için 4 haftalık bekleme sonrası alınan SBF örneklerindeki metal iyon konsantrasyonları ölçülerek tespit edilmiştir. Tüm numune gruplarında metal iyon salınımlarının ppb seviyelerinde olduğu ve en düşük iyon salınımının CoCrFeNiTi numune grubunda elde edildiği gözlenmiştir. Biyoaktivite analizleri, alaşımların SBF içerisindeki Ca-P çekirdeklenme davranışlarını incelemek için 4 haftalık bekleme sonrasında numune yüzeylerinde meydana gelen Ca-P çekirdeklenmeleri ve yüzeylerdeki Ca-P oranlarının EDS analizleri ile tespit edilmesi ile gerçekleştirilmiştir. CoCrFeNi alaşımında biyoaktivitenin oldukça düşük seviyelerde olduğu, Al katkısının biyoaktiviteyi arttırdığı ve en yüksek biyoaktiviteye CoCrFeNiTi alaşımlarında ulaşıldığı tespit edilmiştir. Bu çalışma, CoCrFeNi esaslı yüksek entropi alaşımların alternatif bir biyomalzeme olarak güçlü bir potansiyele sahip olduğunu ortaya koymaktadır.

Abstract:
This study aims to investigate the effect of Al and Ti addition on the degradation, ion release and bioactivity properties of CoCrFeNi alloys for biomaterial applications. Three different high entropy alloys (CoCrFeNi, CoCrFeNiAl and CoCrFeNiTi) were produced by mechanical alloying and arc plasma sintering methods. Mechanical alloying was used to obtain the alloy powders and it was observed that a homogeneous element distribution was achieved in all samples with 80 hours of alloying time. Arc plasma sintering was used to sinter the pressed powders at high temperature and it was found that Al and Ti addition delayed the amorphization. Characterization analyses were performed using SEM, EDS and XRD analysis methods to determine the microstructure, element distribution and phase structure of the alloys. Degradation analyses were carried out by measuring the weight changes of the alloys before and after immersion in simulated body fluid (SBF) to determine the dissolution amount of the alloys. It was observed that Al and Ti addition reduced the degradation severity of CoCrFeNi alloys. Ion release analyses were performed by measuring the metal ion concentrations in the SBF samples taken after 4 weeks of immersion to determine the metal ion release of the alloys. It was observed that the metal ion release was at ppb levels in all sample groups and the lowest ion release was obtained in the CoCrFeNiTi sample group. Bioactivity analyses were performed by determining the Ca-P nucleations and the Ca-P ratios on the sample surfaces after 4 weeks of immersion in SBF using EDS analyses to examine the Ca-P nucleation behavior of the alloys. It was determined that the bioactivity was very low in CoCrFeNi alloy, Al addition increased the bioactivity and the highest bioactivity was achieved in CoCrFeNiTi alloys. This study reveals that CoCrFeNi-based high entropy alloys have a strong potential as an alternative biomaterial.