Farklı yön ve büyüklükteki durgun elektrik alan altında katılaştırılan biyobozunur çinko-bakır peritektik alaşımının mikroyapı ve mekanik özelliklerinin incelenmesi
Investigation of the microstructure and mechanicalproperties of biodegradable zinc-copper peritectic alloythat solidificated under different directions andmagnitudes of static electrical field
Yazar: YİĞİT YAVUZ AYDOĞAN
Danışman: PROF. DR. NECMETTİN MARAŞLI
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Malzeme Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2021
Konu: Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering

Özet:
Biyomedikal malzemeler insan vücudundaki canlı dokuların işlevlerini yerine getirmek, desteklemek ya da tedavi edilmesine katkıda bulunması amacıyla kullanılırlar. Biyomedikal malzemeler implante edildiği canlı doku ile uyumluluğunun yüksek olması, herhangi bir toksik etkisi olmaması gereken çok özel malzemelerdir. Mevcut kalıcı implantlar; uygulandığı bölgenin işlevlerini karşılayabilecek potansiyelinin olması gerektiğinden bu parçaların mekanik ve fiziksel özelliklerinin yüksek olması zaruri olduğundan birçok implante uygulamalarında, ne yazık ki; metal alaşımlarına alternatif malzeme henüz geliştirilememiştir. Fakat metal alaşımları, aşınma veya korozyon yoluyla kanserojen, toksik veya alerjik yan etkilere neden olabilecek partikülleri biyolojik ortama salma riski taşımaktadır. Ayrıca pediatrik uygulamalarda büyüme kısıtlaması, tıbbi görüntülemedeki engeller gibi problemler, kalıcı implantların zorunlu durumlar dışında kullanılmaması ve yerine geçecek biyolojik olarak bozunabilen malzemelerin geliştirilmesini zorunlu kılmıştır. Metalik malzemelerin üretiminde en önemli aşama şüphesiz katılaşma aşamasıdır. Malzemenin temel özellikleri katılaşma kontrol parametreleri tarafından belirlenir. Soğutma hızı, yönsel olarak katılaşan alaşımların mikroyapısını kontrol etmede kritik bir rol oynar, ancak alaşımların mikroyapı ve mekanik özellikleri üzerindeki etkisi sınırlıdır. Son zamanlarda, alaşımların mikroyapısını ve mekanik özelliklerini kontrol etmek için ergiyik alaşımlara alternatif akım, doğru akım ve manyetik alan yaygın bir şekilde uygulanmış ve sıvı alaşımın katılaşması esnasında bu parametrelerin kontrol edilmesiyle alaşımların istenen mekanik özelliklerinin elde edilebileceği sonucuna varmıştır. Mevcut çalışmada, farklı büyüklükteki (10.0-17.0 kV cm-1) pozitif (E+) ve negatif (E-) elektrik alanları altında Zn ağ.%4 Cu biyobozunur peritektik sıvı alaşımı katılaştırarak statik elektrik alanının yön ve büyüklüğünün CuZn4 fazının hacim kesrine(f), Brinell sertliğine (HB) ve çekme mukavemetine (σUTS) etkileri incelendi. Sıvı Zn ve Cu atomları, sıvı alaşıma uygulanan yüksek dış DC voltajı ile Zn+2 ve Cu+2 katyonları olarak yüklenmiştir. Bu nedenle, sıvı Zn+2 ve Cu+2 katyonlarına etki eden pozitif ve negatif durgun elektrik alan kuvvetleri (sırasıyla F+ ve F-) katılaşma esnasında katı-sıvı (S-L) ara yüzündeki atomik akıda bir artışa ve azalmaya neden olmaktadır.  Durgun elektrik alanın bu etkisi; uygulanana elektrik alan kuvveti katılaşma yönüne zıt yönlü olduğunda katı-sıvı arayüzeyindeki atomik akıya hızlandırırken, katılaşmayı yönüyle aynı doğrultuda uygulanan Elektrik alan kuvveti bu arayüzeyindeki atomik akının yavaşlamasına neden olarak katılaşmayı yavaşlamasına neden olur. Dolayısıyla Zn çözelti fazı ve CuZn4 fazı, uygulanan E+ ve E değerlerinden etkilenmiştir. Ağırlıkça %4 Cu içeren Zn bazlı biyobozunur peritektik alaşımda; E+'daki artış f, HB ve σUTS değerlerinde bir azalmaya neden olurken, E-'deki artış f, HB ve σUTS değerlerinde artışa neden olmuştur.

Abstract:
Biomedical materials are used to fulfill the functions of living tissues in the human body or contribute to their treatment. Biomedical materials are very special materials that should be highly compatible with the living tissue where they are implanted and should not have any toxic effects. Available permanent implants: the mechanical and physical properties of these parts must have high potential to meet the functions of the area where it is applied. The only way to overcome the expected mechanical strength is to use metal alloys; Alternative materials to those have not been developed yet. However, metal alloys carry the risk of releasing particles that can cause carcinogenic, toxic, or allergic side effects into the biological environment through wear or corrosion. In addition, problems such as growth restriction of the body and obstacles in medical imaging in pediatric applications caused difficulties for using permanent implants so it is necessary to develop biodegradable materials to replace them.The most important stage in the production of metallic materials is undoubtedly the solidification stage. The main characteristics of the material are determined by the solidification control parameters. Cooling rate plays a critical role to control the microstructure of alloys solidified directionally, but its effect on microstructure and mechanical properties of alloys is limited. Recently, alternative current, direct current and magnetic field have been extensively applied into the molten alloys to control the microstructure and the mechanical properties of alloys and the desired mechanical properties of alloys might be obtained by controlling these parameters during the solidification of alloy. In present work, Zn4.0 wt.% Cu biodegradable peritectic alloy was directionally solidified with different magnitudes (10.0-17.0 kV cm1) of positive (E+) and negative (E) to study the influences of E+ and Eon volume fraction of CuZn4 phase, volume fraction (f), Brinell hardness (HB) and ultimate tensile strength (σUTS). Liquid Zn and Cu atoms were charged as Zn+2 and Cu+2 cations with the external DC high voltage applied into the molten alloy. Thus, the positive and negative external static electric field forces (F+ and F respectively) acting on the liquid Zn+2 and Cu+2 cations cause an increase and decrease in the atomic flux at the solidliquid (S-L) interface during solidification. This effect of static electric field; When the applied electric field force is in the opposite direction to the solidification direction, it causes acceleration of the atomic flux at the solid-liquid interface, the electric field force applied in the same direction as the solidification direction causes the atomic flux at this interface to slow down so the solidification to slow down. Therefore, Zn solution and CuZn4 phases were affected by the applied E+ and E+ values. An increase in E+ caused a decrease in the f, HB and σUTS values while a shot in E- caused an increase in the f, HB and σUTS values in Zn-4wt.% Cu biodegradable peritectic alloy.