Toz metalurjisi ile üretilmiş Ti-xNb alaşımlarının yüzey özelliklerinin borlama yöntemi ile geliştirilmesi

Arş. Gör. BATUHAN SORUŞBAY

Tez Türü: Yüksek Lisans

Tezin Yürütüldüğü Kurum: İstanbul Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Türkiye

Tez Danışmanı: Faiz Muhaffel; Hüseyin Çimenoğlu

Tezin Onay Tarihi: 2023

Tezin Dili: Türkçe

Açık Arşiv Koleksiyonu: AVESİS Açık Erişim Koleksiyonu

Desteklendiği Program: Diğer

Özet:

Titanyum ve alaşımları sahip oldukları düşük elastisite modülü, üstün korozyon direnci ve biyo-uyumluluk özellikleri sebebiyle dental ve ortopedik implant uygulamalarında paslanmaz çelik ve CrCo alaşımlarının yerine tercih edilmektedir. Ancak titanyum alaşımlarının sahip olduğu yetersiz tribolojik özellikler kullanımlarını kısıtlamaktadır. Bu sınırlamanın aşılması adına daha üstün mekanik özelliklere sahip α + β tipi Ti-6Al-4V alaşımı geliştirilmiştir. Ti-6Al-4V alaşımı sahip olduğu mekanik özelliklerin yanı sıra hafifliği ve korozyon direnci ile özellikle implant uygulamalarında tercih edilmesine rağmen içerdiği Al ve V elementlerinin toksik olması nedeniyle insan vücuduna zararlı etkileri mevcuttur. Ayrıca elastik modülünün (110-120 GPa), insan kemiğinin elastik modülünden (E: 4-30 GPa) çok yüksek olması nedeniyle implant tarafından kemiğe transfer edilmesi gereken gerilmeler engellenmekte ve kemik zayıflaması sonucu gevşemeler oluşmaktadır. Bu biyomekanik uyumsuzluk, gerilme kalkanı etkisi (stress shielding effect) olarak adlandırılmakta ve kemik hücrelerinin ölümüne sebebiyet vermektedir. Bu durumun giderilmesi için V yerine, toksik olmayan β stabilize edici elementler kullanılarak çeşitli alaşımlar geliştirilmiştir. Bu elementlerin başında hücre ile doğrudan temas halinde toksik olmadığı ve hücre büyümesini nispeten desteklediği kanıtlanan Nb gelmektedir.

Ti-Nb ikili alaşımının sahip olduğu düşük aşınma direnci, implantın kullanımı sırasında aşınmasına ve yerinden çıkarak yeni bir cerrahi operasyona sebebiyet verebilmektedir. Bu nedenle alaşımın aşınma direncinin geliştirilmesi implantın kullanım ömrü ve hastanın yaşam kalitesi açısından son derece önemlidir.

Bu çalışmada, farklı oranlarda Nb ilaveli Ti-xNb alaşımları (%ağ. 0, 10, 20, 30 ve 40) toz metalurjisi yöntemi ile üretilip farklı sıcaklıklarda (900, 1000 ve 1100°C) 8 saat borlanarak:

· Nb ilavesinin alaşımın mikroyapı, mekanik ve tribolojik özellikler,

· Borlama sıcaklığının tabaka kalınlığı ve morfolojiye,

· Nb ilavesinin tabaka kalınlığı, morfoloji, sertlik ve tribolojik özellikler üzerindeki etkilerinin incelenmesi amaçlanmıştır.

Bu amaçla Ti ve Nb tozları belirlenen oranlarda mekanik alaşımlama ile karıştırıldıktan sonra 370 MPa’da preslenip, argon atmosferi altında 1400 °C’de 1 saat sinterlenmiştir. Sinterlenmiş numunelerin karakterizasyon çalışmaları optik mikroskop (OM), taramalı elektron mikroskobu (SEM), X-ışını difraktometresi (XRD), sertlik ve aşınma testleri kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Aşınma testlerinin ardından, aşınma yüzeyleri 2-boyutlu profilometre ve SEM kullanılarak incelenmiştir. Numunelerin spesifik aşınma miktarları aşınma izlerinin 2-boyutlu profilleri kullanılarak hesaplanmıştır.

Toz metalurjisi ile üretilen CP-Ti tamamen α fazından oluşurken Nb artışıyla beraber β fazlarının oluştuğu, Ti40Nb alaşımının ise neredeyse tamamen β fazından oluştuğu tespit edilmiştir. Hacim merkezli kübik (HMK) yapıya sahip β-Ti’nin plastik deformasyona yatkın olması nedeninyle Nb artışıyla sertlik ve aşınma direncinin düştüğü görülmüştür.

Numuneler, Pavezyum Kimya San. Dış. Tic. A.Ş.’den temin edilmiş olan Nano Bor tozları kullanılarak pasta borlama yöntemi ile farklı sıcaklıklarda borlanmış ve borlanan numunelerin karakterizasyon işlemleri gerçekleştirilmiştir. Ayrıca, kaplamadaki element miktarlarının tespiti için Enenrji Dağınımlı X-ışınları (EDX) kullanılmıştır.

XRD analizleri sonucunda 900 °C’de borlanan numunelerin yüzeylerinde altlık malzemesinden gelen α-Ti ve β-Ti piklerinin yanında TiB, TiB₂ ve NbB₂ pikleri tespit edilmiştir. Borlama sıcaklığının artışıyla beraber 1000 °C’de altık malzemesinden gelen β-Ti piki sadece Ti40Nb’de görülmüş ve sıcaklığın 1100 °C’ye çıkmasıyla altlık malzemeden kaynaklanan herhangi bir pik görülmemiştir. Bu durum sıcaklık artışıyla kaplama kalınlığının arttığını göstermektedir. Nb ilavesi ile birlikte diborür piklerinin düşük açılara kaydığı gözlemlenmiştir. Piklerin düşük açılara kayması daha büyük atom çapına sahip Nb atomlarının TiB₂ kafes yapısındaki Ti atomlarının yerini alarak kafesi distorse etmesinden kaynaklandığı düşünülmektedir. Kesit SEM incelemelerinde 900 °C’de borür tabakasının çok ince ve kesintili olduğu, sıcaklık artışıyla beraber 1000 ve 1100 °C’lerde tabakanın kalınlaşarak uniform hale geldiği görülmüştür. Ayrıca 900 ve 1000 °C’de oluşan bor tabakalarında herhangi bir çatlak gözlemlenmezken, 1100 °C’de yüksek Nb ilaveli Ti30Nb ve Ti40Nb alaşımlarında çatlak ve kopmalar görülmüştür. Bu çatlak ve kopmaların, soğuma sırasında termal gerilmelere neden olan farklı termal genleşme katsayılarına sahip altlık malzemesi ile bor tabakasını oluşturan fazlardan kaynaklandığı düşünülmektedir.

EDS analizleri sonucunda, CP-Ti bor tabakasında Ti ve B elementleri tespit edilirken, Nb ilavesi alaşımlarda Nb de görülmüştür. Bu durum CP-Ti yüzeyinde oluşan bor tabakasının TiB₂, Nb bulunduran diğer alaşımların ise titanyum ve niyobyum diborürlerinin karışımından oluşan TiB2·NbB2 fazından meydana geldiğini göstermektedir. Serlik ölçümleri en yüksek borür tabaka kalınlığı veren 1100°C’de borlanan numunelerde gerçekleştirilmiştir. Yapılan ölçümlerde en yüksek ortalama sertlik değeri 2674 HV_0.025 ile CP-Ti’de elde edilirken, Nb artışıyla birlikte bor tabasının sertliği düşerek Ti40Nb’de 2460 HV_0.025 olarak elde edilmiştir. Bu durumun NbB₂ sertliğinin TiB₂’den düşük olmasından kaynaklandığı değerlendirilmiştir. Aşınma testleri sonucunda işlem görmemiş numunelerde ciddi miktarda plastik deformasyon gözlenirken borlama sonrasında karşıt bilya aşınma yüzeyinde parlatma etkisi göstermiştir. İşlem görmemiş numunelerde Nb artışıyla birlikte sürtünme katsayısı ve buna bağlı olarak aşınma miktarı artarken, borlanan numunelerde sürtünme katsayısı ve aşınma miktarlarında düşüş gözlenmiştir. Borlanan numunelerin aşınma yüzeyleri ve aşınma testlerinde kullanılan karşıt bilyalar incelendiğinde karşıt bilyaların ciddi miktarda plastik deformasyona maruz kaldığı ve numune yüzeyine karşıt bilyadan malzeme transferi gerçekleştiği tespit edilmiştir. En yüksek bor tabakası sertliğine sahip CP-Ti numunesinin aşınma testi sonucunda karşıt bilya ciddi miktarda aşınmış ve aşınma nedeniyle malzeme yüzeyine transfer olmuşken, Nb artışıyla birlikte kaplama sertliğinin düşüşü karşıt bilyadaki aşınma miktarını ve buna bağlı olarak malzeme transferini azaltmıştır. Elde edilen sonuçlar implant malzemesi olarak kullanılması planlanan β-tipi Ti-Nb alaşımlarının borlama işlemi sonrasında daha iyi tribolojik özellikler gösterdiğini vurgulamaktadır.