T.C. SÜLEYMAN DEMİREL ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ

Transkript

1 T.C. SÜLEYMAN DEMİREL ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ TOZ METALURJİSİ YÖNTEMİYLE İMAL EDİLEN TİTANYUM ALAŞIMI İMPLANTLARIN TEMEL ÖZELLİKLERİNİN ARAŞTIRILMASI BEKİR YALÇIN Danışman: Prof. Dr. Remzi VAROL DOKTORA TEZİ MAKİNA MÜHENDİSLİĞİ ANABİLİMDALI ISPARTA 2007 i

2 İÇİNDEKİLER Sayfa İÇİNDEKİLER... i ÖZET... iii ABSTRACT... v TEŞEKKÜR... vii ŞEKİLLER DİZİNİ... viii ÇİZELGELER DİZİNİ... xii KISALTMALAR... xiv 1. GİRİŞ Kuramsal Temeller Toz Metalürjisi Titanyum Tozlarının Üretilmesi Atomizasyon Kimyasal Yöntemle Toz İmalatı Hidrür/Hidrit Metot Plazma-Döner Elektrot Yöntemi (PDEY) Tozların Fiziksel ve Kimyasal Özellikleri Toz Karıştırma Sıkıştırma Sinterleme Sinterleme Mekanizmaları TM Teknolojisinin Avantaj ve Limitleri TM Teknolojisinin Geliştirilmesi ve Uygulama Alanları Titanyum un Temel Özellikleri İmplantasyon Yapılan Kemiklerin Özellikleri Kemik Oluşumu ve İşlevi Kemiklerin Sınıflandırılması Kemiğin Mekanik Özellikleri Kemik Yoğunluğu ve Gözeneklilik Anizotropi ve Heterojenlik İmplant Uygulamalarında Kullanılan Biyomalzemeler. 39 ii

3 Metalik Biyomalzemeler Biyomalzeme Olarak Kullanılan Ti Alaşımlarının Mekanik Özellikleri Titanyum Alaşımlarının Korozyon Davranışları ve Biyouyumlulukları Titanyum Toz Metalürjisi KAYNAK ÖZETLERİ MATERYAL VE YÖNTEM Alaşımların Belirlenmesi Sıkıştırma Kalıbının Tasarımı ve İmalatı Numunelerin İmal Edilmesi Mekanik Deneyler Çekme Deneyi Üç Noktadan Eğme Deneyi Mikrosertlik Deneyi Aşınma Deneyleri Fiziksel Özelliklerin Tayini Metalografik Çalışmalar ARAŞTIRMA BULGULARI Boyut ve Yoğunluk Değişimi Çekme Deney Sonuçları Eğme Deney Sonuçları Mikrosertlik Deney Sonuçları Aşınma Deney Sonuçları Metalografik Bulgular Aşınma Numunelerinin Optik Mikroskopta Analizi Eğme Kırık Yüzeyi SEM ve EDS Analizi Mikro Yapı ve Optik-SEM Mikroskop İncelemeleri SONUÇLAR ve TARTIŞMA Genel Sonuçlar ve Öneriler KAYNAKLAR ÖZGEÇMİŞ 147 iii

4 ÖZET Doktora Tezi TOZ METALURJİSİ YÖNTEMİYLE İMAL EDİLEN TİTANYUM ALAŞIMI İMPLANTLARIN TEMEL ÖZELLİKLERİNİN ARAŞTIRILMASI Bekir YALÇIN Süleyman Demirel Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Makina Mühendisliği Anabilim Dalı Jüri: Prof. Dr. Cahit KURBANOĞLU Prof. Dr. Remzi VAROL(Danışman) Prof. Dr. Süleyman TEKELİ Prof. Dr. Mustafa ACAR Doç. Dr. Abdullah ÖZSOY Biyomalzemeler, geleneksel tıbbi medikal aletlere ilaveten, teşhis ürünleri, tedavi atıkları, doku kültürleri, hibrid organların yanı sıra, medikal implantların büyük bir kısmını içeren malzemeleri tanımlamak için kullanılan terimdir. Ancak, hiçbir protez veya implant malzemesi, insan kemiğinin yerini tutamayacağı bir gerçektir. Henüz yeterli olmamasına rağmen kullanılan birçok implant malzemesi mevcuttur. İmplant malzemelerinin büyük bir çoğunluğu protez malzemesinin kullanılacağı yere göre eğme-çekme dayanımı, sertlik, aşınma performansı, korozyon direnci, biyouyumluluk, hafiflik, süngerimsi veya sert kompakt kemik yapıları göz önüne alınarak imal edilmektedirler. Paslanmaz çelik ile başlayan süreç, bazı implantasyon ve biyouyumsuzluk problemlerinden dolayı malzeme ve imalat teknolojilerinin geliştirilmesi sayesinde titanyum (Ti) alaşımlarının biyomalzeme olarak kullanılmasıyla devam etmiştir. Bu çalışmanın amacı, titanyum esaslı implant malzemelerinin toz metalürjisi (TM) yöntemiyle numune tarzında imal edilmesi ve mekanik-tribolojik, fiziksel ve metalürjik özelliklerinin araştırılmasıdır. İmplant endüstrisinde sıklıkla kullanılan Ti-6Al-4V, Ti-6Al-7Nb ve Ti-5Al-2.5Fe alaşımlarınının yanı sıra klasik Ti-6Al-4V alaşımına % 4Ta ilavesi ile Ti-6Al-4V-4Ta alaşımı TM yöntemiyle imal edilmiştir. Alaşımlar, elementel toz karıştırma metoduyla MPa tek etkili sıkıştırma basıncı ile çelik kalıp içerisinde sıkıştırılmış ve argon koruyucu gaz ortamına sahip tüp fırında, 1200 o C iki saat süreyle sinterlenelerek imal edilmişlerdir. İmal edilen numunelerin, sinterleme öncesi yoğunluklarının sinterleme sonrası değişimi, çekme ve eğme mukavemeti, mikrosertlik, kuru ve vücut sıvısı ile özdeş hank sıvısı içerinde aşınma performansları yapılan deneylerle tespit edilmiştir. Çekme deneylerinde belirgin akma karakteristiği göstermeyen TM Ti alaşımlarının elastisite modül değeri, sonik elastisite modül sistemi ile belirlenmiştir. TM Ti alaşımlarının karakteristiğini daha iyi analiz edebilmek için sürtünme katsayısı ve yüzey pürüzlülük ölçümlerinin yanısıra eğme numunesi kırık yüzeyleri, aşınma yüzeyleri ve mikroyapı incelemeleri SEM-EDS ve optik mikroskopta yapılmıştır. Sonuç olarak, Ti-6Al-4V-4Ta alaşımında diğer alaşımlara nispeten yüksek eğilme dayanımı ve buna karşılık gelen sehim miktarı ve kemiğe en yakın elastisite modül ile birlikte kabul edilebilir çekme dayanımı, kuru sürtünme ve hank sıvısı ortamında (sıvı sürtünme) yüksek aşınma performansı saptanmıştır. Ti-6Al-4V alaşımında Ti-6Al-4V-4Ta alaşımı ile benzeş aşınma performansına karşılık bu alaşımda eğme durumunda daha kırılgan bir yapı ve çekme deneylerinde daha yüksek tokluk, yüksek elastisite modül değeri elde edilmiştir. Ti-5Al 2.5Fe alaşımında ise, yüksek süneklik, eğme-çekme dayanımı ve tokluğa karşı düşük aşınma performansı, yüksek elastisite modül ve yüksek yüzey pürüzlülük değerleri tespit edilmiştir. TM iv

5 Ti-6Al-7Nb alaşımında ise düşük eğme dayanımı ve düşük aşınma performansı ile birlikte düşük süneklik, kabul edilebilir çekme dayanımı ve yüksek elastisite modül tespit edilmiştir. Metalografik çalışmalarda, özellikle Ti-5Al-2.5Fe alaşımında, yüksek sinter difüzyonu ile daha yoğun gelişmiş sinter boyun mekanizması ve düşük poroziteli bir karakteristik göstermiş ve buna paralel olarak mekanik özelliklerin daha iyi olduğu görülmüştür. Ancak, Ti-6Al-4V alaşımında daha yoğun bir iğnemsi α fazı (dönüşmüş β fazı) gözlemlenmiş ve bu ise mukavemet ile birlikte kırılganlığı arttırmıştır. Diğer alaşımlarda, Ti-6Al-4V alaşımına nispeten eş eksenli α fazı ile birlikte iğnemsi β faz dönüşümü gözlemlenmiştir. Ti-6Al-7Nb alaşımında, düşük tane sınırı ve kütle difüzyonu ile düşük sinter boyun gelişiminden dolayı karmaşık gözenekli yapı elde edilmiş, bu da eğme dayanımı ve sünekliği belirgin bir şekilde düşürmüştür. Ti-6Al-4V-4Ta alaşımında ise, yüksek tane sınır difüzyonu ve kütle transferi ile birlikte gözeneklerin küreselleşmesi sayesinde yüksek eğilme dayanımı ve sehim miktarı görülmüştür. Genel kapsamda, Ti-6Al-4V- 4Ta alaşımı diğer alaşımlara nispeten kabul edilebilir çekme dayanımı ile birlikte daha iyi mekanik, tribolojik ve metalografik özelliklere sahip olduğu sonucuna varılmıştır. ANAHTAR KELİMELER: İmplant, Toz Metalürji, Sinterleme, Sinter Difüzyon, Ti Alaşımları. 2006, 148 sayfa v

6 ABSTRACT Ph.D. Thesis INVESTIGATION FOR THE BASIS PROPERTIES OF THE TITANIUM ALLOY IMPLANTS PRODUCED WITH POWDER METALLURGY METHOD Bekir YALÇIN Süleyman Demirel University Graduate School of Applied and Natural Sciences Department of Mechanical Engineering Thesis Committee: Prof. Dr. Cahit KURBANOĞLU Prof. Dr. Remzi VAROL(Adviser) Prof. Dr. Süleyman TEKELİ Prof. Dr. Mustafa ACAR Doç. Dr. Abdullah ÖZSOY Biomaterials is a term used to describe diagnosis products, cure disposals, tissue cultures, hybrid organs as well as traditional medical tools and including most of the medical implants. However, it is a fact that none of the implants can substitute a human s bone. Although still not enough, there are many applied implant materials. Most of the implant materials are produced considering bending and tensile strength, hardness, wear performance, corrosion strength, biocompatible, lightness and spongy or hard compact bone structures. The process which started with the use of stainless steel, changed into the use of titanium alloy (Ti) due to some developments in technology, equipment, implantation and bio inharmony problems. The aim of these studies is to search the production of titanium based implant materials by powder metallurgy (PM) method and find out mechanical tribological, physical and metallurgic features of these materials. In addition to the commonly used alloys such as Ti-6Al-4V, Ti-6Al-7Nb and Ti-5Al-2.5Fe, Ti- 6Al-4V-4Ta in implant industry is produced by adding %4 Ta to Ti-6Al-4V by PM method. Alloys are produced by elemental powder mixing method in steel die compressed with singleacting pressing at MPa and sintering in 1200 o C for two hours in argon protected tube furnace. The change in the densities of the products before and after sintering, tensile and bending strength, microhardness, dry sliding wear performance and in hank liquid similar to body liquid are determined by the conducted experiments. In tensile tests the elastic module value of the PM Ti alloy, which did not show clearly yield point, is determined by sonic elastic module system. In order to better analyze PM Ti alloys characteristic friction coefficient and surface roughness measurements, fracture type of bending specimens, wear surfaces and microstructure examinations SEM-EDS and optical microscope is done and photographed. As a result, Ti-6Al-4V-4Ta alloy is relatively more bend strength and deflection quantity correlating to this, the acceptable tensile strength in addition wear performance of dry friction and in hank liquid (liquid friction) is identified. Between Ti-6Al-4V and Ti-6Al-4V-4Ta alloys there is a similar wear performance but in the preceding one a more fragile structure, high toughness and higher elastic module values are obtained. Especially, elastic module of Ti-6Al- 4V-4Ta alloy is determined to be close to bone elastic module and least surface roughness. In Ti- 5Al-2.5 Fe alloy higher ductility, bending and tensile strength and toughness, low wear vi

7 performance to be parallel to microhardness, high elastic module and high surface roughness values are obtained. In PM Ti 6Al-7Nb alloy low bending and acceptable tensile strength, low wear performance, low ductility; acceptable tensile strength and high elastic modules are obtained. In metallographic studies, especially in Ti-5Al-2.5Fe alloy, with higher sinter diffusion, showed grain boundary and mass diffusion and improved sinter neck mechanism and lower porous characteristic. So, Ti-5Al-2.5Fe alloy showed high bending strength and ductile structure characteristic. But, in Ti-6Al-4V alloy intensity acicular α phase (transformed β phase) is observed, consequently strength and fragile structure is increased with this transformation. More equiaxed α phase together moderate acicular α phase in other Ti alloys is observed. In Ti-6Al- 7Nb alloy, low grain boundary and mass diffusion and because of low sinter diffusion complex pore structure is obtained this has lowered the bending strength and ductility evidently. In Ti- 6Al-4V-4Ta alloy thanks to high grain boundary diffusion and mass transfer, spherical pore, high bending strength deflection quantity is observed. In general, when compared with other alloys Ti- 6Al-4V-4Ta alloy has relatively more acceptable tensile strength as well as better mechanical, tribological and metallographic properties. KEY WORDS: Implant, Powder Metallurgy, Sintering, Sinter Diffusion, Ti Alloys. 2006, 148 pages vii

8 TEŞEKKÜR Tez çalışmasının başlangıcından bu güne kadar yapıcı desteklerini esirgemeyen değerli hocam Prof. Dr. Remzi VAROL a bu çalışmadaki değerli katkıları için teşekkür ederim. Ayrıca, deneysel çalışmaların yapılması sırasında laboratuar temin eden Doç. Dr. Abdullah ÖZSOY a, çalışmalarımda yardımlarını esirgemeyen diğer mesai arkadaşlarıma ve hocalarıma teşekkür ederim. Osmangazi Üniversitesi, Makine Mühendisliği öğretim üyesi Yrd. Doç. Dr. Osman Nuri ÇELİK ve Arş. Gör. Mustafa ULUTAN a, Maysan MANDO A.Ş. Toz Metal Grubu Müdürü Ahmet DURAN a ve Mober Metalürji Ltd. Şti. Müdürü Mustafa OCAK Bey e katkıları için ayrıca teşekkür ederim. Tezimi, 1026-M-05 ve 1157-D-05 No lu projelerle maddi olarak destekleyen S.D.Ü. Araştırma Projeleri Yönetim Birimine teşekkür ederiz. Son olarak, bugüne kadar yetişmemde büyük emeği olan değerli anneme ve babama, kardeşlerime, diğer büyüklerime, manevi desteklerini hiç esirgemeyen sevgili eşime ve çocuklarıma da teşekkürü bir borç bilir, şükranlarımı sunarım. Bekir YALÇIN Isparta, 2007 viii

9 ŞEKİLLER DİZİNİ Sayfa Şekil 1.1. Titanyum gaz atomizasyon ünitesi.. 5 Şekil 1.2. Gaz atomizasyonuyla üretilen Ti tozların partikül şekli ve boyutu.. 6 Şekil 1.3. a) İndirgeme ve b) Hidrür yöntemiyle üretilen Ti tozlarının tane şekli... 7 Şekil 1.4. Döner plazma elektrot sistemi. 8 Şekil 1.5. a) PDEY yöntemiyle üretilen Ti-6Al-4V tozlarının partikül şekli b) Ti-6Al-4V ile gözenekli kaplama... 9 Şekil 1.6. Muhtemel toz tane şekilleri 10 Şekil 1.7. Hidrojenize ve atomizasyon tozlarının sıkıştırma basıncı ile ham mukavemet ilişkisi.. 12 Şekil 1.8. Tozlar içerisinde karbon içeriğinin ham yoğunluk ve mukavemet değerine etkisi 12 Şekil 1.9. Toz karıştırmada kullanılan bazı karıştırıcı tipleri Şekil Çinko-Stearat oranının ham yoğunluğa etkisi Şekil 1.11.Toz metal parçaların sıkıştırma basamakları Şekil Metalürjik açıdan sıkıştırma işlemi 15 Şekil Sıkıştırma sırasında kalıp kuvvetlerin dengelenmesi. 16 Şekil Çift ve tek etkili sıkıştırmada radyüs ve yükseklik (g/cm 3 ) ilişkisi 18 Şekil Sinterleme sonrası Ti-6Al-4V briketlerin ham yoğunluk değerleri 18 Şekil Laplace gerilmesi a) boyun bölgesinde b) gözenekler çerçevesinde, c) boyun bölgesinde muhtemel sinter mekanizmaları Şekil Sinterleme sırasında taneler arası bağların gelişimi.. 21 Şekil TM yönteminin başlıca endüstriyel uygulamalar.. 25 Şekil Ti alaşımlarının Al ve V içeriğine göre faz dönüşümleri.. 28 Şekil Yavaş soğuma sonrası oluşmuş tipik Widmanstatten yapı 28 Şekil Kaba taneli dönüşmüş β fazından oluşan iğnemsi α yapı.. 29 Şekil TMZF alaşımından imal edilen implantların kemik implantasyonunda kullanımı. 32 Şekil Kemiğin genel yapısı Şekil Genelde implantasyon yapılan femur kemiği ve kesit görünümü ix

10 Şekil Kortikal kemik ve bazı diğer doku ve biyomalzemenin çekme mukavemeti ve elastisite modül değerleri.36 Şekil Kortikal kemikten farklı yönlerde çıkarılan silindirik numuneler. 39 Şekil İmplantasyon malzemesinin kemikle etkileşimi 40 Şekil Değişik implant malzemelerinin toz süspansiyon içerisinde L132 hücrelerinin hayatta kalma oranları 48 Şekil 3.1. Deneysel çalışmalar için belirlenen deney planı. 66 Şekil 3.2. İmal edilen numune geometrisi Şekil 3.3. Sıkıştırma kalıbının konstrüktif şekli.. 69 Şekil 3.4. Çift taraflı konik karıştırıcı.. 71 Şekil 3.5. Sıkıştırma kalıbı ve imal edilen ham numune. 72 Şekil 3.6. a) Elastisite modül numunesi b) çekme deney numunesi boyutları Şekil 3.7. Eğme deney numunesi boyutları.. 74 Şekil 3.8. Mikrosertlik ölçümünün yapıldığı yüzeyler. 75 Şekil 3.9. Aşınma ve sürtünme test düzeneği Şekil 4.1. a) Ti-6Al-4V alaşımı numunelerin sinterleme sonrası % yoğunluk değişimi, b) % boyut değişimi. 80 Şekil 4.2. a) Ti-6Al-7Nb alaşımı numunelerin sinterleme sonrası % yoğunluk değişimi, b) % boyut değişimi 81 Şekil 4.3. a) Ti-5Al-2.5Fe alaşımı numunelerin sinterleme sonrası % yoğunluk değişimi, b) % boyut değişimi Şekil 4.4. a) Ti-6Al-4V-4Ta alaşımı numunelerin sinterleme sonrası % yoğunluk değişimi, b) % boyut değişimi.. 83 Şekil 4.5. Karşılaştırmalı olarak dört farklı Ti alaşımının kopma dayanımı değerleri Şekil 4.6. TM Ti alaşımlarının çekme deneyi sonrası elde edilen gerilme-gerinim eğrileri Şekil 4.7. Sonik sistemle ölçülen elastisite modül değerleri.. 86 Şekil 4.8. Dört farklı TM Ti alaşımlarının ortalama eğme dayanımları. 87 Şekil 4.9. Numunelere uygulanan eğme yükü ile sehim miktarları Şekil Ti-6Al-4V alaşımı a) numune boyuna sertlik değişimi b) sıkıştırma x

11 yönüne paralel mikrosertlik değerleri. 89 Şekil Ti-6Al-4V-4Ta numunesi a) boyuna mikrosertlik değişimi, b) sıkıştırma yönüne paralel mikrosertlik değerleri.. 90 Şekil Ti-6Al-7Nb alaşımının a) boyuna mikrosertlik değişimi, b) sıkıştırma yönüne paralel mikrosertlik değişimi 91 Şekil Ti-5Al 2.5Fe alaşımı a) numunenin boyuna mikrosertlik değişimi, b) sıkıştırma yönü boyunca mikrosertlik dağılımı 92 Şekil TM Ti alaşımlarının ortalama mikrosertlik değerleri 93 Şekil a) Hank sıvısı ortamında ağırlık kaybı, b) Kuru kayma durumunda ağırlık kaybı Şekil Ti-5Al-2.5Fe alaşımının dinamik sürtünme katsayısı değerleri 95 Şekil Ti-5Al 2.5Fe alaşımının oluşan sürtünme kuvveti değerleri 95 Şekil Ti-6Al-7Nb alaşımın dinamik sürtünme katsayısı değerleri. 96 Şekil Ti-6Al-7Nb alaşımın sürtünme kuvveti değerleri. 96 Şekil Ti-6Al-4V alaşımı sürtünme katsayısı değerleri Şekil Ti-6Al-4V alaşımının sürtünme kuvveti değerleri 97 Şekil Ti-6Al-4V-4Ta alaşımının dinamik sürtünme katsayısı değerleri 98 Şekil Ti-6Al-4VTa alaşımının oluşan sürtünme kuvveti değerleri 98 Şekil Alaşımların hank sıvısı ortamında ve kuru kayma durumunda aşınma öncesi ve sonrası Ra değerleri.. 99 Şekil Alaşımların hank sıvısı ortamında ve kuru kayma durumunda aşınma öncesi ve sonrası Rt değerleri Şekil Ti-5Al-2.5 Fe alaşımı için a) kuru kayma durumunda b) hank sıvısı ortamında aşınan yüzeyin optik görüntüsü Şekil Ti-6Al-7Nb alaşımı için a) kuru kayma durumunda b) hank sıvısı ortamında aşınan yüzeyin optik görüntüsü Şekil Ti-6Al-4V alaşımı için a) kuru kayma durumunda b) hank sıvısı ortamında aşınan yüzeyin optik görüntüsü Şekil Ti-6Al-4V-4Ta alaşımı için a) kuru kayma durumunda b) hank sıvısı ortamında aşınan yüzeyin optik görüntüsü Şekil Kırık yüzeyleri makro görüntüsü (a) Ti-6Al-4V, (b) Ti-6Al-4V-4Ta, (c) Ti-6Al-7Nb, (d) Ti-5Al-2.5Fe xi

12 Şekil Ti-6Al-4V eğme numunesinde oluşan kırık yüzeyi SEM görüntüsü Şekil Ti-6Al-4V alaşımında sinter boyun gelişimi 107 Şekil Ti-6Al-4V alaşımı kırık yüzeyi EDS analizi Şekil Ti-6Al-4V-4Ta alaşımı eğme numunesinde oluşan kırık yüzeyi SEM görüntüsü. 108 Şekil Ti-6Al-4V-4Ta alaşımı sinter boyun gelişimi Şekil Ti-6Al-4V-4Ta alaşımı kırık yüzeyi EDS analizi 109 Şekil Ti-6Al-7Nb alaşımı eğme numunesinde oluşan kırık yüzeyi SEM görüntüsü 110 Şekil Ti-6Al-7Nb alaşımı sinter boyun gelişimi Şekil Ti-6Al-7Nb alaşımı kırık yüzeyindeki iri taneli yapının EDS analizi 112 Şekil Ti-6Al-7Nb alaşımı kırık yüzeyi genel yapının EDS analizi Şekil Ti-5Al-2.5Fe alaşımı eğme numunesinde oluşan kırık yüzeyi SEM görüntüsü. 113 Şekil Ti-5Al-2.5Fe alaşımı sinter boyun gelişimi. 114 Şekil Ti-5Al-2.5Fe alaşımı kırık yüzeyi EDS analizi Şekil Ti-6Al-4V alaşımı mikroyapısı Şekil Ti-6Al-4V-4Ta alaşımı mikroyapısı Şekil Ti-6Al-7Nb alaşımı mikroyapısı. 117 Şekil Ti-5Al-2.5Fe alaşımı mikroyapısı Şekil Ti-5Al-2.5Fe alaşımı mikroyapı SEM incelemesi Şekil Ti-5Al-2.5Fe alaşımı parlatılmış yüzeylerde EDS analizi Şekil Ti-6Al-7Nb alaşımı mikro yapı SEM incelemesi Şekil Ti-6Al-7Nb alaşımı mikroyapı SEM incelemesi 120 Şekil Nb elementinin yapı içerisinde heterojen durumu Şekil Ti-6Al-4V alaşımı mikroyapı SEM incelemesi Şekil Ti-6Al-4V alaşımı parlatılmış yüzeylerde EDS analizi Şekil Ti-6Al-4V-4Ta alaşımı mikroyapı SEM analizi. 122 Şekil Ti-6Al-4V-4Ta alaşımı parlatılmış yüzeylerde EDS analizi xii

13 ÇİZELGELER DİZİNİ Sayfa Çizelge 1.1. Toz imalat türüne göre toz özellikleri 10 Çizelge 1.2. TM alanındaki yıllara göre gelişmeler Çizelge 1.3. Titanyum un element olarak mekanik özellikleri. 27 Çizelge 1.4. Ti alaşımlarında bazı özelliklerin mikroyapı dönüşümü ile ilişkileri 29 Çizelge 1.5. α, α/β ve β alaşımlarının bazı özellikleri.. 30 Çizelge 1.6. Değişik Ti alaşımlarının kullanım alanları 31 Çizelge 1.7. Kemiğin hiyeraşik seviyesi 35 Çizelge 1.8. Basma, çekme ve burulma testlerinden elde edilen insan femur kemiklerinin mekanik özellikleri Çizelge 1.9. Kemik doku seviyesinde kortikal kemiğin eğilme özellikleri Çizelge İmplant uygulamalarda kullanılan malzemeler Çizelge Ti Esaslı ve diğer biyomalzemelerin mekanik özelliklerinin kemikle karşılaştırılması. 44 Çizelge İmplant malzemelerin karakteristikleri 45 Çizelge Bazı İmplant malzemelerin özel mukavemet değerleri Çizelge TM ve Döküm Ti alaşımlarının mekanik özelliklerinin karşılaştırılması Çizelge 3.1. Ti-6Al-4V alaşımını oluşturan tozların kimyasal kompozisyonu.. 67 Çizelge 3.2. Ti-6Al-7Nb alaşımını oluşturan tozların kimyasal kompozisyonu 67 Çizelge 3.3. Ti-5Al-2,5Fe alaşımını oluşturan tozların kimyasal kompozisyon 67 Çizelge 3.4. Ti-6Al-4V-4Ta alaşımını oluşturan tozların kimyasal kompozisyonu 67 Çizelge 4.1. TM Ti alaşımlarının ortalama ham yoğunluk ve sinterlenmiş yoğunluk değerleri Çizelge 4.2. Ti-6Al-4V alaşımından imal edilen numunelerin çekme özellikleri 84 Çizelge 4.3. Ti-6Al-7Nb alaşımından imal edilen numunelerin çekme özellikleri.. 84 Çizelge 4.4. Ti-5Al 2.5Fe alaşımından imal edilen numunelerin çekme özellikleri 84 Çizelge 4.5. Ti-6Al-4V-4Ta alaşımından imal edilen numunelerin çekme özellikleri 84 Çizelge 4.6. Dört farklı TM Ti alaşımının eğme dayanımı. 86 Çizelge 5.1. TM Ti alaşımlarının özgül eğme mukavemet değerleri 127 xiii

14 Çizelge 5.2. TM Ti alaşımları ile döküm Ti alaşımların karşılaştırılması 128 Çizelge 5.3. Aşınma deneyi sonrası önemli bazı verilerin karşılaştırılması. 130 xiv

15 KISALTMALAR TM MIM PIM SLS HIP CIP PDEY SEM EDS Ti V Al Nb Ta Fe G y H y S y HSP HMK FC FF Toz metalürjisi Metal enjeksiyon kalıplama Toz enjeksiyon kalıplama Seçici lazer sinterleme Sıcak izostatik presleme Soğuk izostatik presleme Plazma döner elektrot yöntemi Taramalı elektron mikroskobu Enerji dağıtmalı element analizi Titanyum Vanadyum Alüminyum Niyobyum Tantalyum Demir Görünür yoğunluk Ham yoğunluk Sinterlenmiş yoğunluk Hegzegonal sıkı paketlenmiş Hacim merkezli kübik Sürtünme katsayısı Sürtünme kuvveti xv

16 1. GİRİŞ İnsan vücudu sadece biyolojik ve kimyevi değil, her yönüyle mükemmel bir yapıya sahiptir. Bu yapının anlaşılabilmesi sadece tıp bilimi ile bazen mümkün olamamaktadır. Biyomühendisliğin alt dalları olarak tanımlanan biyomalzeme ve biyomekanik gibi alanlarla disiplinler arası araştırma yapmak zorunlu hale gelmiştir. Tıp ve mühendislik bilim dallarının ortak yapılan bilimsel araştırmalar neticesinde her geçen gün yapay organ, vücut içerinde önemli görevi üstlenen birçok implant malzemesi geliştirilmiştir. Kaybedilen doku ve organların yenilenmesi, bozulan kemik düzenin yeniden işlevsel hale getirilmesi, diş, çene, omur, kalça ve diz kapağı protezleri, takma el ve ayaklar, biyolojik uyumlu lens ve mercekler gibi implant malzemelerin tümü yapılan disiplinler arası çalışmaların ürünüdür. Hiçbir protez veya implant malzemesinin, insan kemiğinin yerini tutamayacağı bir gerçektir. Ancak, henüz yeterli olmamasına rağmen, 1950 li yıllardan itibaren kullanılan birçok implant malzemesi mevcuttur. İmplant malzemelerinin büyük bir çoğunluğu protez malzemesinin kullanılacağı yere göre; yorulma ve aşınma dayanımı, tokluk, gerilme-gerinme, korozyon direnci, biyouyumluluk, hafiflik, süngerimsi veya sert doku, ısıl iletkenlik, manyetiklik ve imalat özellikleri göz önüne alınarak DIN, ASTM ve TSE gibi standartlara göre hazırlanmaktadır. Paslanmaz çelik ile başlayan süreç, bazı implantasyon ve biyouyumsuzluk problemlerinden dolayı malzeme ve imalat teknolojilerinin geliştirilmesi sayesinde titanyum alaşımlarının biyomalzeme olarak kullanılması ile devam etmiştir. Ancak, Titanyum (Ti) alaşımlarının ülkemiz endüstrisinde imal edilememesi ile Ti alaşımı implantlar oldukça yüksek maliyetlere yurtdışından ithal edilmektedirler. Ti gibi pahalı ve geniş alaşım sistemlerinin malzeme kaybı olmaksızın imal edilebilmesi ve standartlara uygun kimyasal kompozisyona sahip tozlardan Toz Metalürjisi Yöntemi kullanılarak imalat maliyetlerin düşürülmesi hedeflenmiştir. Bu nedenle, bu alandaki çoğu bilimsel araştırma toz metalürjisi yöntemin Ti esaslı implant imalatında kullanılabilirliği üzerine yoğunlaşmaktadır. Toz metalürjisi (TM), katı durumda endüstriyel parça imal etmek için ince toz tanelerinin üretimi ve bu toz 1

17 tanelerinin birleştirilmesi olarak tanımlanabilir. Uzun zamandır TM teknolojisi, demir, bakır ve nikel esaslı malzemelerin sıklıkla kullanıldığı bir sektör iken, bugün Titanyum (Ti), Tantalyum (Ta), Vanadyum (V) gibi değişik metal tozların üretilebildiği ve bu tozlardan da endüstriyel parça üretilebilir bir sektör haline gelmiştir. Titanyum döküm-ingot metalürjisinde oluşan malzeme hataları (gözenek, lunker vs), işleme zorlukları ve alaşımlandırma limitleri uzay-uçak, deniz altı ve biyomalzeme gibi modern malzeme teknolojisindeki özel uygulamalarda bazen yetersiz kalmaktadır. Hemen hemen hiç ikincil operasyona ihtiyaç olmadan parça imal etme imkânını veren ileri toz metal teknolojileri, TM tekniğinin endüstriyel kullanım yelpazesini genişletmiştir. Araştırmalar neticesinde konvansiyonel TM tekniği ile imal edilen yapısal parçalarda oluşan istenmeyen gözenekler mümkün olduğu kadar ortadan kaldırılması için toz enjeksiyon kalıplama (PIM), metal enjeksiyon kalıplama (MIM), lazer sinterleme sistemi (SLS), sıcak-soğuk izostatik sıkıştırma (CIP-HIP) ve metal matris kompozit (MMK) gibi ileri toz metal teknolojilerinin kullanılması önerilmektedir (Froes, vd. 1985; IMAP, 2006; Morgan, 2006). Bu sayede, uzay sektörüne Ti gibi pahalı tozlardan malzeme israfı olmadan yapısal parça imalatının gerçekleştirilmesi ve kemikle uyumlu, istenilen kemik yapısına uygun mekanik ve fiziksel özelliklere (gözenekli veya yoğun yapı) sahip implantların imal edilebilmesi için, Ti toz metalürjisini vazgeçilmez hale getirmiştir (EPMA, 2006). Bu çalışmada, sıklıkla döküm yöntemiyle imal edilen ve implant malzemesi olarak kullanılan Ti alaşımlarının toz metalürjisi yöntemiyle imal edilebilmesi ve imal edilen numunelerin mekanik, metalürjik ve tribolojik özellikleri deneysel olarak araştırılmıştır. Alaşımların belirlenmesi ve uygulanacak toz metalürjisi yönteminin proses parametreleri, konuyla ilgili literatür araştırma sonrası gerçekleştirilmiştir. İmplant imalatında yaygın olarak kullanılan Ti-6Al-4V, Ti-6Al-7Nb, Ti-5Al 2.5Fe gibi titanyum alaşımlarının yanı sıra yeni titanyum alaşımı olan Ti-6Al-4V-4Ta alaşımı TM yöntemiyle üretilmiştir. Numune şeklinde imal edilen implant malzemelerin mikrosertlik değerleri, çekme ve eğme dayanımının yanı sıra her bir alaşımın tribolojik davranışları belirlenmiştir. Ayrıca, imal edilen TM Ti sinterleme sonrası boyutsal ve yoğunluk değişimi gibi fiziksel özellikleri de tespit edilmiştir. 2

18 Dört farklı TM Ti alaşımının mekanik ve fiziksel özellikleri birbiri arasında karşılaştırılmış ve konvansiyonel döküm yöntemiyle imal edilen Ti alaşımlarının mekanik özellikleri ile kıyaslanmıştır. Uzun süreli kullanımlarda imal edilen TM Ti alaşımlarının aşınma performansı, aşınma deneyi yapılarak tespit edilmiştir. Aşınma performansları, kuru ve vücut sıvısına benzer hank sıvı ile yağlamalı durumda 75 N yükleme ve 0,25 m/s disk dönme hızıyla, her 2000 turda ağırlık kaybı (g) ölçülerek toplam tur kayma mesafesi uygulanarak belirlenmiştir. Aşınma deneyleri sırasında oluşan sürtünme kuvvetleri ve alaşımların dinamik sürtünme katsayıları veri toplayıcı sistem ile kaydedilmiştir. Implantasyonda önem arz eden yüzey pürüzlük değerleri, aşınma sonrası Ra ve Rt değerlerinin ölçümü ile belirlenmiştir. Bu sayede, mekanik ve fiziksel anlamda kemiğe yakın özelliklere ve üstün tribolojik karaktere sahip TM Ti alaşımı belirlenmeye çalışılmıştır. İmal edilen TM Ti implant malzemelerinin mikroyapıları, kırık yüzeyleri, aşınma yüzeyleri, gözenek miktarı, gözeneklerin bağlantı şekilleri ve tane büyüklüğünün iyi analiz edilebilmesi için metalografik çalışmalar yapılmıştır. Genel kapsamda bu çalışma ile Ti alaşımların TM yöntemiyle laboratuar şartlarında imal edilebilmesi ve uygun mekanikmetalürjik ve tribolojik özelliklerin sağlanabilmesi, ülkemiz implant endüstrisinde de TM Ti alaşımı implantların seri olarak üretilebilirliği ortaya konulmuştur. 3

19 1.1. Kuramsal Temeller Toz Metalürjisi Toz Metalürjisi (TM), son şekle yakın parça imal etme ve ileri teknoloji malzemelerin-alaşımların imal edilmesine imkân veren faklı bir imalat yöntemidir (ASM, 1998). TM çeşitli metal ve seramik tozların imal edilmesi, karakterizasyonu ile bu tozların değişik ısıl ve mekanik deformasyon prensiplerinin uygulanarak birleştirilmesi, kullanışlı mühendislik parçalara dönüştürülmesini (German, 1989; Kalpakijan, 2001) amaçlayan bir imalat sürecidir. Bu dönüşüm başlıca, toz üretme, istenilen tozların homojen bir şekilde karıştırılması, toz karışımın kalıp içerisinde sıkıştırılması ve toz tanelerinin birbirleriyle bağ oluşturmaları için atmosfer kontrollü ve gerekli sıcaklıkta-sürede sinterleme işleminin yapılması basamaklarını içerir. Bu dönüşümü kapsayan genel bir ifade ile TM; farklı boyut, tip, şekil ve sıkıştırılabilme özelliğine sahip tozların, % ağırlık oranlarının belirlenip homojen olarak karıştırılması, karışımın uygun ortamda sıkıştırılmasıyla istenilen şekle veya forma dönüştürülerek yoğunluk kazandırılması daha sonra mukavemet ve yoğunluğun arttırılması için sinterleme yapılması esası ile parça imal etme tekniği olarak nitelendirilmektedir (Karataş ve Sarıtaş, 1998) Titanyum Tozlarının Üretilmesi TM işleminin ilk adımı olan toz imalatı, mekanik ve kimyasal olmak üzere iki yöntemle üretilir. Bu yöntemler de kendi içinde birçok bölüme ayrılır. Mekanik yöntemlerden en yaygın olarak kullanılanları, su ve gaz atomizasyonu, öğütme (milling), mekanik alaşımlama ve elektrolizdir. Kimyasal yöntemlerden ise, indirgeme (hidrojen indirgemesi, hidro-kimyasal indirgemesi, karbon indirgemesi ve metale indirgeme vs.) en çok kullanılan yöntemdir (Kurt, 2004). Özellikle Ti ve titanyum alaşımlarının tozları kimyasal indirgeme, gaz atomizasyon ve mekanik alaşımlama yöntemleri ile imal edilmektedir (ASM, 1998). Titanyum tozu üretme teknikleri literatür araştırması sonrası aşağıdaki gibi özetlenmiştir. 4

20 Atomizasyon Günümüzde üretilen metal tozların %80 i atomizasyon yöntemiyle üretilir (Doğan, 1996). Temel prensip, eriyik durumdaki metal çok ince şerit halinde akıtılır ve bu sırada bir su veya gaz jeti ile çok küçük parçacıklara parçalanarak soğutulur. Atomizasyon, eritme, eriyik metal damlalarını küçük boyutlara parçalama ve katılaşma/soğuma olarak üç bölüme ayrılır. Hava, azot ve argon sıklıkla kullanılan gazlar, su ise tercih edilen sıvıdır. Su Atomizasyon yöntemi; endüstriyel anlamda düşük kurulum ve işletme maliyetlerinden dolayı üretim miktarı açısından kullanılan en yaygın metottur. Pota çıkış ağzından düşey yönde akıtılan eriyik metal, yüksek basınçlı ve özel tasarımlı su jetleri ile parçalanır MPa mertebesinde su basıncı ile saniyede m/sn lik hız sağlanarak ve bu şartlarda kg/dak. metal akışı için, m 3 /dak. lık sıvı akışı tüketimi söz konusudur. Su atomizasyon yöntemiyle imal edilen tozların tane boyutu µm aralığındadır. Gaz atomizasyon (GA) yönteminde (Şekil 1.1.) prensip olarak su atomizasyonuna benzer ancak eriyik sıvıyı parçalamak için akışkan olarak su yerine hava, azot, argon ve helyum gazı kullanılır. Şekil 1.1. Titanyum gaz atomizasyon ünitesi (German, 1989) Gaz atomizasyon (GA) yönteminde; prensip olarak su atomizasyonuna benzer ancak eriyik sıvıyı parçalamak için akışkan olarak su yerine hava, azot, argon ve helyum 5

21 gazı kullanılır. Ti tozlar için, özel Titanyum Gaz Atomizasyon (TGA) yöntemi geliştirilmiş (ASM, 1998) ve bu sistemde ergime potasında bulunan katı Ti malzeme, vakum indüksiyon akımı yüklenerek ısıtılır ve eriyik duruma getirilir. Tam ergime sağlandıktan sonra, eriyiğin homojenliğini sağlamak için potada belli bir süre bekletilir ve uzun süreli potada bekletebilme bu yöntemin en önemli avantajıdır. Bu yöntemde, eriyiğin lüleden ilk akışı için, pota dibi merkezinde sekonder indüksiyon bobini tasarlanmış olup, eriyiğin lüle bölgesine yerleşmesini sağlar. Sıvı metal serbest akış ile damlacık halinde lüleden atomizasyon odasına doğru akıtılır. Bu odacıkta, yüksek basınçlı bir gaz üfleci ile yüksek basınçlı gaz oluşturularak ergimiş Ti küçük parçalara ayrılır. Soğutma kulesinde ise, partikül haline gelen ergiyik Ti katılaşır. TGA sürecinde toz partikülleri, küresel yapıya ve iyi serbest akışa sahiptir (ASM, 1998). TGA yöntemi, ticari saf Ti ve α/β ve β alaşımı tozlarını üretilmesinde yaygın olarak kullanılmaktadır. Bu yöntemle imal edilen tozların boyutu µm arasındadır. Şekil 1.2. de görüldüğü gibi, tane şekli düzenli ve küresele yakındır. Şekil 1.2. Gaz atomizasyonuyla üretilen Ti tozların partikül şekli ve boyutu (ASM, 1998) Kimyasal Yöntemle Toz İmalatı Kimyasal yöntemle toz imalatı, soljel, kimyasal çöktürme, kimyasal buhar biriktirme, redüksiyon, dekompozisyon, indirgeme ve elektroliz yöntemleri olarak sıralanabilir. Genellikle, titanyum tozu indirgeme metoduyla o C reaksiyon sıcaklığında tüp fırınlarda üretilmektedir. Çoğu durumda indirgenecek malzeme katı durumdadır. Hidrojen indirgeme yöntemi ile, çok ince ve saf tozlar elde edilebilmektedir. 6

22 İndirgeme yöntemi ile tozun imalatı için, toz karakteristiğini etkileyen önemli parametreler aşağıda açıklanmıştır (ASM, 1998): İndirgeme süresi arttıkça daha büyük toz boyutu, düşük birim yüzey alanı ve kalıntı oksijen, Düşük indirgeme sıcaklığı toz boyutunun düşük olmasına ve birim yüzey alanın yüksek olmasına, kalıntı oksijen miktarının artmasına neden olur, Hidrojen akış hızının yüksek olması, yüksek indirgeme hızına ve düşük kalıntı oksijenle birlikte soğuma sırasında bir miktar oksitlenmeye neden olur. Ti, Ta, W, V ve Nb gibi refrakter ve reaktif metal tozları, metale indirgeme yöntemi ile imal edilmektedirler. Bu işlem için tercih edilen indirgeme metalleri ise, Na, Ca ve Mg dur. Ti tozu imalatında, Ti tozlarının ilk kaynağı süngerimsi yapıya sahiptir. Süngerimsi taneler Titanyum Tetraklorürden (TiCl 4 ) den Ti köpüğünün imalatı sırasında düzensiz yapıdadır. Ti nin ticari üretimi doğal ya da sentetik üretilmiş minerallerin klorlanmasını gerektirir. Ti tozu üretimi, TiCl 4 magnezyum kullanılarak veya TiO 2, kalsiyum hidrür (CaH 2 ) kullanılarak metalik titanyuma indirgenir. TiCl 4 +2Mg Ti+2MgCl 2 TiO 2 +2CaH 2 Ti+2CaO+2H 2 Bu yöntemle, Şekil 1.3.-a da görüldüğü gibi, 41 µm ortalama partikül boyutunda ve süngerimsi yapıya sahip Ti tozu üretilebilmektedir. (a) (b) Şekil 1.3. a) İndirgeme ve b) hidrür yöntemiyle üretilen Ti tozlarının tane şekli (ASM, 1998) 7

23 Hidrür/Hidrit Metot Ti un hidrojen ile tersinir bir reaksiyona girmesi ile Ti tozu üretme tekniğidir. Ti hidrojen için oldukça yüksek kimyasal kararlılığa sahiptir ve hidrojen atmosferinde ısınan Ti kolayca hidrojenize olabilir Hidrojenle reaksiyona giren Ti, oldukça kırılgan ve çok küçük partiküllere kolayca parçalanabilir. Hidrojen dinamik vakumda ısınan Ti tozları tarafından kolayca atılabilir. Ticari saf Ti nin minimum hidrojenize sıcaklığı 400 o C ve MPa pozitif hidrojen basıncında yapılmaktadır. Şekil 1.3., b' de görüldüğü gibi, bu yöntemle üretilen Ti tozlarının tane şekli köşeli yapıya sahiptir ve ortalama µm mertebesindedir. Hidrür/Hidrit (hydride/dehydride) yöntemle üretilen saf Ti tozları, HIP-CIP yöntemleriyle Ti-6Al-4V ve Ti-6Al-6V-2Sn alaşımının imal edilmesinde kullanılmaktadır (ASM, 1998) Plazma-Döner Elektrot Yöntemi (PDEY) PDEY yöntemi, Starmet tarafından geliştirilen santrafüj atomizasyon yöntemi olarak tanımlanmaktadır. Bu yöntemde, tozu elde edilecek Ti dan imal edilmiş bir elektrot (anot) ile ergimeyen tungsten elektrot (katot) arasında bir ark oluşturulur. Helyum plazma Ti elektrotunu ergitmek için kullanılır. Ergiyen Ti elektrotu, helyum atmosferi altında hızla döndürülerek ve dönmenin etkisiyle eriyik Ti toz halinde etrafa saçılır. Plazma döner elektrot yöntemi Şekil 1.4. de verilmiştir. Vakum-gaz Eriyik film Hareket sistemi Motor Küresel tane Küresel taneler Anot Tungsten katot Hız kontrol İlerleme Yatak Titanyum elektrot (anot) Toz toplama ünitesi Şekil 1.4. Döner plazma elektrot sistemi (German, 1989) 8

24 Ergitme ve atomizasyon, yaklaşık 2440 mm çapındaki paslanmaz çelik tank içerisinde muhafaza edilir. Elektrotlar mm çapında ve dev/dak. hızla döndürülür. Şekil 1.5., a da görüldüğü gibi, PDEY Ti tozları genelde küreseldir ve iyi akış karakteristiği gösterirler (ASM, 1998). (a) (b) Şekil 1.5. a) PDEY yöntemiyle üretilen Ti-6Al-4V tozlarının şekli b) Ti-6Al-4V ile gözenekli kaplama (ASM, 1998) Toz partikül boyutu, dönme hızına ve süresine, elektrot çapına bağlıdır. Bu yöntemle üretilen Ti-6Al-4V tozların boyutları µm aralığındadır. Gaz atomizasyon ile karşılaştırıldığında daha kaba taneli tozlar üretilir. Bu metotla imal edilen Ti tozları, genellikle kalça protezlerinin porozlu kaplaması için kullanılmaktadır (Şekil 1.5., b) Tozların Fiziksel ve Kimyasal Özellikleri TM yöntemiyle imal edilen parçaların temel özellikleri, parçayı oluşturan tozların fiziksel ve kimyasal özelliklerine ve uygulanan sıkıştırma basıncı, sinterleme işlemlerine bağlıdır. Toz taneleri tek bir taneden oluşur. Taneler düzenli yapıda olabildikleri gibi amorf yapıda da olabilir. Taneler tek kristalli olabildiği gibi çok kristalli yapıya da sahip olabilirler. Hatta toz taneleri ikincil taneler oluşturabilirler. Bu yapıya aglomerasyon denir (ASM, 1998). Aglomerasyon, birden çok partikülün katı halde tek yapıda bir arada bulunması ve kontrol edilemeyen toz üretim süreçlerinde istem dışı oluşmaktadır. Toz tanelerin şekli ve yüzeysel yapıları tozun sıkıştırılabilme özelliğini önemli oranda etkilemektedir. Şekil 1.6. da muhtemel toz tane şekilleri verilmiş ve toz genelde düzensiz şekilli, çubuksu, dentritik, lifsi, açılı, kütle halinde ve küresel 9

25 yapıya sahip toz taneciklerinden ibarettir. Çizelge 1.1. de ise üretim metotlarına göre bazı toz karakterizasyonları verilmiştir. Küresel yoğun Düzensiz yoğun Düzensiz gözenekli Kitlesel Dentritik Çubuksu Lifsi Şekil 1.6. Muhtemel toz tane şekilleri Çizelge 1.1. Toz imalat türüne göre toz özellikleri Yöntem Düzensiz Gözenekli Toz Özellikleri Düzensiz Yoğun Kitlesel Yoğun Küresel Gözenekli Küresel Yoğun Öğütme X X Kimyasal X X X X X Fiziko-kimyasal X X X X X Atomizasyon X Atomizasyon yöntemi ile elde edilen veya bir gaz fazından itibaren hazırlanan tozların şekilleri genellikle küreseldir. İndirgeme metoduyla üretilen tozlar ise, iğne şeklinde olup süngerimsi yapıya sahiptir. Metalsel bir tozun partikül morfolojisinin yanı sıra tane boyutları da birbirinden farklıdır ve imal edilecek parçanın özelliklerine direkt olarak etki etmektedir. Küresel şekilli tozların paketlenmesi ve yüksek ham yoğunluk elde edilmesi zordur. Genellikle, yüksek yoğunluklu yapısal parçaların imal edilebilmesi için, küresel tozlar ile köşeli tozların karıştırılması önerilmektedir (Duran, 2006, sözlü görüşme). Toz dağılımını tayin etmek için toz tanelerinin ortalama büyüklüğüne göre elek analizi, mikroskobik muayene gibi farklı usuller tatbik edilir. Birim alanda mevcut delik sayısı eleği karakterize eder ve standart bir ölçü tavsiye edilmektedir. Bunun için 100 g. toz belirli bir zaman sarsılır. Muhtelif eleklerde toplanan tozlar tartılarak toz dağılım elde edilir. 50 mikrondan küçük tanelerin büyüklük ve dağılımını veren ve direkt metot olan mikroskobik 10

26 analiz sayesinde tanelerin gerçek boyutları, belirli bir miktar toz içindeki tane sayısı tespit edilmektedir. Tane büyüklüğünün yanı sıra önemli bir parametre olan görünür yoğunluk (g/cm 3 ), kalıp tasarımında ve istenilen yoğunluğa ulaşmak için uygulanan sıkıştırma yükünün hesaplanmasında kullanılır. Sıkıştırma öncesi, toz kütlesinin serbest düşüş sonrası tozun kapladığı hacme bölünmesiyle elde edilir. Bir başka anlamda, hacmi sabit silindirik bir kabı serbest düşüş ile dolduran tozların kütlesi tespit edilir ve kapladığı hacme bölünür. Sıkıştırma sonrası yoğunluk değeri ham yoğunluk, sinterleme sonrası yoğunluk ise sinterlenmiş yoğunluk olarak nitelendirilmektedir. Görünür yoğunluk (G y ), ham yoğunluk (H y ) ve sinterlenmiş yoğunluk ise (S y ) aşağıdaki formüllerle ifade edilmektedir: G y : Toz Ağırlığı( g ) Serbest Düşüş Hacim(c m 3 ) (1.1) H y : Toz Ağırlığı( g ) Sı k ı ş t ı r ı l m ı ş Hacim(c m 3 ) (1.2) S y : Toz Ağırlığı( g ) Sı k ı ş t ı r ı l m ı ş Hacim(c m 3 ) (1.3) Tozların kalıp içerisinde serbest olarak akma özelliğinin belirlenmesinde kullanılan önemli bir parametre de toz akıcılığı veya akış hızı (gr/s)dır. Prensip olarak, sabit ağırlıkta (50 g) tozun, konik bir kap içerisinden ne kadar sürede (sn) geçtiği belirlenerek hesaplanır. Toz akış hızını belirlemede, ISO 4490 standardından yararlanılmaktadır. Tozların sıkıştırılabilmesi tozun fiziksel özelliklerine bağlıdır. Tozun sıkıştırma esnasındaki hareketi, şekil verilebilme özelliğine (yani sıkıştırma ile elde edilen parçanın şekil ve kenarlarının kararlılığına) ve sıkıştırma indisi ne (yani bir basınç tatbikiyle elde edilen numunenin yoğunluğuna) bağlıdır. Küresel tozların sıkıştırılabilme kabiliyetleri, köşeli yapıya sahip tozlarınkinden daha düşük olduğu bilinmektedir (Froes vd., 1985). Şekil 1.7. de hidrojen indirgeme yöntemiyle imal edilmiş köşeli tozlar ile atomizasyon yöntemiyle elde edilmiş küresel tozların sıkıştırma-ham mukavemet ilişkisi verilmiştir. 11

27 Ham mukavemet, MPa Atomize tozlar Hidrojen indirgeme % 1 Zn-S ilaveli Sıkıştırma Basıncı, MPa Şekil 1.7. Hidrojenize ve atomizasyon tozlarının sıkıştırma basıncı ile ham mukavemet ilişkisi (ASM, 1998) Metal esaslı tozlar ile mukavemetli alaşımların imal edilebilmesi için, diğer bir unsur da kimyasal özellikleri ve saflıklarıdır. Saflık, kimyasal analizle tayin edilebilir ve sinterlenmiş cisimlerin mekanik ve fiziksel özellikleri birinci derecede etkilemektedir (Godfrey vd., 1999). Metal esaslı tozların saflığı büyük ölçüde alaşım elemanlarının saflığına bağlıdır. Mesela, kendi oksitlerinin hidrojenle redüklenmesiyle elde edilen volfram, kobalt ve demir tozlarının saflığı, pratik olarak kullanılan oksidin saflığına bağlıdır. Oksijen ve karbon gibi elementlerin malzeme içinde ne şekilde bulundukları da önemlidir. Oksitlerin redüklenmesi ile hazırlanan metalsel tozlar genellikle muntazam oksit kalıntıları ihtiva ederler. Elektroliz veya atomizasyonla elde edilen tozlarda oksijen genellikle oksit kalıntı, karbon grafit, karbür veya katı solüsyon hallerinde bulunur. Bu durum ise, imal edilen TM parçanın ham yoğunluğunu ve sonraki mukavemet değerlerini önemli oranda etkilemektedir (Şekil 1.8.) Ham Yoğunluk, g/cm 3 Ham Yoğunluk, g/cm 3 Sıkıştırma Basıncı, MPa Karbon İçeriği, % Oksijen İçeriği; % Şekil 1.8. Tozlar içerisinde karbon içeriğinin ham yoğunluk ve mukavemet değerine etkisi (ASM, 1998) 12

28 Toz Karıştırma TM teknolojisinin toz imalatından sonraki önemli bir aşaması, homojen bir şekilde karıştırılmasıdır. Metalik tozlar, yağlayıcılar ve isteğe bağlı alaşım elementleriyle homojen bir karışım elde etmek için karıştırılır. Karışım, imalatı yapılacak parçanın ağırlığına göre, % olarak karışım elementlerinin ağırlığı belirlenerek oluşturulur. Karışım içerisine, genellikle % arası yağlayıcı ilave edilmektedir. Yağlayıcı olarak çinko stearat, stearik asit, metalik stearatlar ve parafin en çok kullanılanlarıdır. Özellikle küresel tozların paketlenmesinde, parafin, polivinil alkol (PVA) gibi bağlayıcılar sıklıkla kullanılmaktadır. Yağlayıcın temel amacı, toz taneleriyle takım yüzeyleri ve kalıp duvarları arasındaki sürtünmeyi azaltmak, tozların sıkıştırma sırasında kolay kaymalarını sağlamaktır (Hale, 2003). Karıştırma işlemi, Şekil 1.9. da verilen prizmatik, V şekilli ve çift taraflı konik kaplar tarafından gerçekleştirilir. Şekil 1.9. Toz karıştırmada kullanılan bazı karıştırıcı tipleri (a. Silindirik şekilli, b. Kübik, c. Çift taraflı konik, d. V şekilli) Karıştırma işleminde karıştırıcı doluluk oranı, minimum % oranında olması tavsiye edilmektedir (German, 1989). Karıştırma devri dev/dak hızda (Şekil 1.7.-a), dakika süreyle yapılmaktadır. Optimum karıştırma işlemi, ham yoğunluğu ve daha sinterleme sonrası yoğunluğu etkilemektedir. Eğer ki, uygun karıştırma yapılmazsa, partiküller arasında mekanik kilitlenme meydana gelerek sinterleme sonrası daha büyük gözenekli yapı meydana gelir ve bu ise mekanik özelliklerin kötüleşmesine neden olmaktadır. Yüksek hızda karıştırma homojenliği ortadan kaldırır ve toz tanelerinde plastik deformasyon meydana getirebilmektedir. İlave edilen yağlayıcının miktarı arttıkça, ham yoğunluk değerlerinin düştüğü (Şekil 13

29 1.10.) ve ham biriketlerin sıyırma sırasında daha çok deformasyona uğradığı tespit edilmiştir (German, 1989). Ham yoğunluk, g/cm 3 Sıkıştırma Basıncı, MPa Çinko Stearat, % Şekil Çinko-Stearat oranının ham yoğunluğa etkisi (German, 1989) Sıkıştırma Toz metalürjisindeki en önemli ve üçüncü işlem basamağı sıkıştırmadır. Metal tozlar, özel olarak hazırlanmış kalıp içersinde basınç etkisiyle briket hale getirilir. Sıkıştırmanın (sıkıştırma) temel amacı, toz partiküllerin istenilen şekle dönüştürülmesi için, yapıya kendi ağırlığını taşıyabilecek kadar yoğunluk kazandırılmasıdır. Sıkıştırma, eksenel, izostatik ve hacim deformasyonu olarak üç farklı yöntemde gerçekleştirilir. Eksenel sıkıştırma; tek ve çift etkili olabildiği gibi soğuk, sıcak ve ılık sıkıştırma şeklinde de olabilmektedir. İzostatik sıkıştırma soğuk ve sıcak olmak üzere iki farklı şekilde uygulanabilir. Hacimsel deformasyon işlemleri ise, toz dövme, toz extrüzyon ve toz haddeleme olarak uygulanmaktadır (ASM, 1998). Şekillendirme ve sıkıştırma yöntemine karar verilirken aşağıdaki parametreler dikkate alınır: Kullanılacak tozun tipi (küresel, sünger, pul) ve toz imalat yöntemi Bağlayıcı ve yağlayıcı kullanımı Rijit kalıp kullanımı Üretilecek malzemeden istenilen özellikler Genellikle endüstriyel uygulamalarda, Şekil de sistematik olarak gösterilmiş olan çift etkili sıkıştırma işlemi kullanılmaktadır. 14

30 Üst zımba Toz doldurma pabucu (ıstampa) Kalıp boşluğu Alt zımba a b c d e f Şekil 1.11.Toz metal parçaların sıkıştırma basamakları (Türk TM Derneği, 2006) Çift etkili sıkıştırmada, zımbaların her ikisi de hareketlidir. Şekil 1.11., a ilk aşamadır ve imal edilecek parçanın kalıbı daha önceden tasarlanmış olup, bu aşamada kalıp prese montajlanır. Şekil 1.11., b ikinci aşamada, toz partikülleri kalıp doldurma pabucundan kalıba serbest akış durumunda doldurulur. Üçüncü aşamada, kalıp boşluğuna doldurulan toz, sistemin titreşim mekanizmasıyla sıkıştırma öncesi titreşimli yoğunluk kazandırma işlemi yapılarak doldurulan tozun kalıpta düzgün bir şekilde yerleşmesi sağlanır. Bu sırada da, ıstampa ile kalıp yüzeyinde artan tozlar diğer toz haznesine itilir ve üst zımba sıkıştırmak için dişi kalıp boşluğuna yerleşir (Şekil 1.11., c). Dördüncü aşamada, sıkıştırma işlemi gerçekleştirilir. Bu aşamada, toz taneleri sıkıştırmanın etkisiyle belli bir değerde yoğunluk ve mukavemet kazanarak briket hale gelmektedir. Beşinci aşamada ise mukavemet ve yoğunluk kazandırılmış ham briket, belli bir sıyırma kuvvetiyle alt zımba tarafından kalıp boşluğundan çıkartılır. Altıncı ve son aşamada (Şekil 1.11., f), kalıp boşluğundan çıkarılan ham briket toz doldurma pabucu tarafından itilir ve ikinci parçanın preslenmesi için toz doldurma işlemi gerçekleştirilir. Şekil de görüldüğü gibi, sıkıştırma işlemi metalürjik açıdan üç aşamada ele alınabilir (German, 1989; Kurt, 2004): Sıkıştırma basıncının artması Şekil Metalürjik açıdan sıkıştırma işlemi (German, 1989) 15

31 İlk aşamada, sıkıştırma basıncının uygulamasından sonra, toz tanelerinin yer değiştirmesi ve yeniden pozisyon belirlemesi sağlanır. Bu aşamada, plastik şekillendirme yoktur, ancak bir kısım toz tanelerinde kırılma olabilir. Partikül boyutu, şekli, toz boyut dağılımı ve taneler arası sürtünme önemli rol oynar. İkinci aşamada elastisite ve plastik deformasyon faktörleri baskındır. Partiküller arası soğuk şekillendirmeye bağlı olarak bağlar oluşabilir. Ayrıca, tanelerin mekaniksel kilitlenmeleri ve tane-tane etkileşimleri bu aşamada gerçekleşir. Sıkıştırma basıncının arttığı ve sıkıştırmanın son aşamasında, toz tanelerinin kırılması, boşlukların dolması ve toz taneleri arasında soğuk kaynaklanma oluşmakta ve ham yoğunluk kazandırılmış olur. Toz sıkıştırmada temel problem tozlar ile kalıp cidarları arasındaki sürtünmedir. Sürtünme kuvveti uygulanan kuvvetin alt bölgede azalmasına neden olmaktadır. Toz kompaktlarda basınç-yoğunluk ve mukavemet arasındaki ilişki, kalıp malzemesinin pekleşme oranı, yüzey sürtünme katsayısı ve toz taneleri ile kimyasal reaksiyon eğilimine bağlıdır. Ayrıca, sıkıştırılabilme toz şekli ve büyüklüğü, yağlayıcı durumu ve sıkıştırma oranı ile ilişkilidir. Şekil de H yüksekliğine ve D çapına sahip silindirik toz kompakt model verilmiştir. Uygulanan yük İletilen yük Şekil Sıkıştırma sırasında kalıp kuvvetlerin dengelenmesi (German, 1989) dh yüksekliğinin ince bir kesiti analiz edildiğinde uygulanan kuvvet elementin en üst bölgesindeki P basıncı, P b ise elementin en alt bölgesinde iletilen basınç değeri olarak nitelendirilmektedir. Matematiksel olarak kuvvetler dengelendiğinde; F = O = A (P P ) + b uf n (1.4) 16

32 olur. Burada, F n normal kuvvet, u, kalıp cidarı ile tozlar arasındaki sürtünme katsayısı ve A ise kesit alandır. Normal kuvvet oransal z sabiti ile uygulanan basıncın bir fonksiyonu olarak verilmektedir. z faktörü Eksenel ve radyal kuvvetlerin oranını ifade eder. Böylece F n ; F n = πzpddh (1.5) şeklinde ifade edilmektedir. Sürtünme kuvveti F f, sürtünme katsayısı ve normal kuvvetlerden aşağıdaki formül ile ifade edilmektedir: F f = uπzpddh (1.6) dp toz elementinin en üst ve alt bölgesindeki sıkıştırma basınç farkı ise; dp = P P b = F f / A = 4uzPDdH/ D (1.7) Kompakt yüksekliği ile sıkıştırma basıncı integrasyonu zımba etkisindeki her hangi bir basıncı gösterir ve bu durum; P x / P = exp [ 4uzx/ D] (1.8) şeklinde ifade edilmektedir. Bu ifade tek etkili sıkıştırma için kullanılmaktadır. Böylece tek eksenli sıkıştırma için ortalama sıkıştırma gerilmesi; σ = P ( 1 2uzH/ D) (1.9) formülü ile, çift etkili sıkıştırma gerilme ise; ( 1 uzh/ D) σ = P (1.10) formülasyonu ile ifade edilmektedir (German, 1989). 17

33 Tek eksenli sıkıştırmada toz kompaktın alt bölgesi ile üst bölgesi arasında yoğunluk farklılığı oluşmaktadır. Bu farklılık, Şekil de görüldüğü gibi çift etkili sıkıştırma ile dengelenebilmekte ve bu sayede sinterleme sonrası özellikler iyileştirilebilmektedir. Tek etkili Çift etkili Yükseklik, H Radyüs, D/2 Şekil Çift ve tek etkili sıkıştırmada radyüs ve yükseklik (g/cm 3 ) ilişkisi (German, 1989) Teorik ve uygulamalı araştırmalar sonrası geliştirilen, basınç ile toz yoğunluğu arasındaki ilişkiyi veren ve metal tozları için kabul gören Heckel eşitliği de mevcuttur. 1 In ( ) = k P + A 1 D (1.11) Bu denklemde, A kesit alan, D sıkıştırma yoğunluğu, P uygulanan kuvvet, k ve b değerleri tozların özelliklerine göre sabit katsayılardır. In (1/1-D) nin P ile ilişkisi grafik olarak nitelendirildiğinde, k sabiti elde edilir. Şekil de Ti-6Al-4V toz karışımına uygulanan sıkıştırma basıncı arttıkça ham yoğunluk değerinin belli bir değere kadar arttığı görülmektedir. Ham Yoğunluk, (%) Kalıplama Basıncı, MPa Şekil Sinterleme sonrası Ti-6Al-4V briketlerin ham yoğunluk değerleri (5 ve 7. eğriler köşeli yapıya sahip toz karışımı) (Froes vd., 1985). 18

34 Sinterleme TM teknolojisinin diğer önemli bir adımı da sinterleme ısıl işlemidir. Sinterleme işlemi, gözenekli yapıda şekil kazandırılmış tozların, özgül yüzey alanının küçülmesi, partikül temas alanının büyümesi ve buna bağlı olarak gözenek hacminin küçülmesine neden olan ısıl olarak aktive edilmiş malzeme taşınımı olarak tanımlanabilir. Tek bileşenli sistemlerde genellikle sinterleme sıcaklığı olarak metalin mutlak ergime sıcaklığının 2/3 veya 4/5 i alınır. Ti-6Al-4V, Ti-6Al-7Nb gibi çok bileşenli sistemlerde sinterleme sıcaklığı, bu alaşımların sinterleme sıcaklığının ergime sıcaklığına oranı (T/T E ) 0,75 in üzerinde seçilmesi önerilmektedir (Archbold, 1999). Bazı gözenekli bronzlar ve bronzlara benzeyen alaşımlar 600ºC-800ºC arasında, demir grubu metallerin alaşımları ise 1000ºC-1300ºC arasında, sert alaşımlar 1400ºC-1600ºC arasında, refrakter metaller (molibden, volfram, tantal) 2000ºC-2900 ºC sıcaklık mertebesinde ve Ti6Al4V ise 1100 ºC-1350 ºC sıcaklık arasında iki saat süreyle vakum veya argon koruyucu gaz ortamında sinterlenmesi tavsiye edilmektedir (Schatt ve Wieters, 1997; ASM, 1998). Preslenmiş toz parçalarının arasındaki bağlantı, mekanik kilitlenme, yapışma ve benzeri türden zayıf bağlar olup, kristal kafes sistemi içerisindeki bağ dayanımına nazaran zayıftır. Sıkıştırılmış toz taneleri birbirine temas veya nüfuz etmiş durumda olsa bile, her bir tane diğerinden bağımsızdır. Sinterleme ile, tane temas noktalarının büyümesi sonucu özgül yüzey alanının küçülmesine, gözenek hacminin azalması veya küreselleşmesi, yapıda oluşabilecek atom boşlukları, dislokasyon gibi kristal hataların azaltılması sağlanır. Bu sayede, atomlar ve iyonlar arasında fiziksel bir bağ oluşmaktadır. Oluşan bu bağ, kristal kafes sistemindeki bağla benzeştir Sinterleme Mekanizmaları Metalürjik anlamda sinterleme işlemi, altı adımda gerçekleşir. Bunlar, başlangıç toz tane bağların oluşması, taneler arası boyun olarak adlandırılan köprü bağlarının oluşması, gözeneklerin küresel hale gelmesi, gözenek kanallarının kapanması, gözeneklerin daralması ile hacmin küçülmesi ve yoğunluk artışının sağlanması şeklinde sıralanabilir. Ancak, malzeme transfer mekanizması için, yüzey difüzyonu, 19

35 hacim difüzyonu, buharlaşma-yoğunlaşma ve tane sınırı difüzyonu gereklidir (German, 1996). Sinterleme işlemini, sinterleme sıcaklığı ve süresi direkt olarak, partikül boyutu ve tipi, sıkıştırma sonraki gözenek miktarı, önalaşımlandırma ise endirekt olarak etkiler (ASM, 1998). Genellikle katı hal sinterlenmesi için kabul gören sinterleme mekanizmaları üç temel grupta incelenmektedir (Kurt, 2004). Bu durum Şekil da verilmektedir. R ρ r R r Şekil Laplace gerilmesi a) boyun bölgesinde b) gözenekler çerçevesinde, c) boyun bölgesinde muhtemel sinter mekanizmaları (Archbold, 1999; Kurt, 2004) (c) 1. Aşama: Partiküller arası temas boyun olarak adlandırılan sinter köprülerine dönüşür. Bu aşamada toz taneleri halen birbirinden bağımsız ve sıkıştırmanın etkisiyle oluşan durumdadır. Ancak, iki tane arasındaki temas yüzeylerinde tane sınırı oluşmaya başlar. Partiküllerin merkezleri çok küçük miktarda birbirine yaklaşır ve hacimsel daralmanın başlangıcını teşkil eder (Yüzey difüzyonu). Yüzey difüzyonu iki tane arasındaki temas için yüzey difüzyonu aşağıdaki ampirik formül ile nitelendirilmektedir (Archbold, 1999). K= (1/ρ 1/r) + 2/R (1.12) Burada, ρ, sinter boyun eğrisinin radyüsü, r, sinter boyun yarıçapı ve R ise sinter toz tanelerinin yarıçapıdır. 2. Aşama: İki toz tane arasında mukavemetli boyun bölgesinin oluşumundan sonra, r/r oranı belli bir değerin üzerine çıkacak olursa, müstakil tane şekli ortadan kalkar. Düzenli bir boşluk ağı oluşur ve tane büyümesi olarak adlandırılan yeni 20

36 mikroyapı oluşur. Bu aşamada, toz karışım içerisine katılan bağlayıcı ve yağlayıcıların büyük çoğunluğu buharlaşır ve hacimsel daralmanın en fazla gözlemlendiği aşamadır (Buharlaşma ve yoğunlaşma). Bu aşama, sinter boyun gelişimi olarak değerlendirilmekte ve bu ifadeyi veren bir ampirik formül mevcuttur (Archbold, 1999): r n = F (S) x t (1.13.) Burada, r, sinter boyun radyüsü, t, sinterleme süresi, F (S), sıcaklık üzerine bağımlı fonksiyon ve partikül büyüklük geometrisi, n, malzeme transfer mekanizması değeridir ve bazı bilimsel çalışmalara göre yüzey difüzyon değeri arasında, tane sınırı difüzyon 6, hacim difüzyon değeri 4-5 olarak kabul görmektedir (Archbold, 1999). 3.Aşama: Kapalı gözenek oranı hızla azalır. Birbirinden izole edilen gözenekler, küresel forma dönüşür. Gözenekler içerisinde, yağlayıcı ve bağlayıcı elementlerin atılması sırasında oluşan gaz ve gaz basıncı ile yüzey geriniminden doğan basınç denge durumunu aldığında, sinterlenmiş yapıda istenilen teorik yoğunluğa ulaşılamaz. Vakumla sinterleme ile, gözeneklerde herhangi bir gaz yok ise veya gaz ana yapıdan kolayca difüze edilebiliyorsa yoğunluk artışı devam ederek % teorik yoğunluğa ulaşılabilmektedir (Kütle ve tane sınır difüzyonu). Tüm bu aşamalar sonrası taneler arası bağ oluşumu (sinter neck), yoğunlaşmış ve yoğunlaşmamış yapılar Şekil de görülmektedir. Nokta Teması Başlangıç Gelişme Son durum Gözenekler Tane sınırı Tane sınırı Gözenek Yoğunlaşmış yapı Yoğunlaşmamış yapı Şekil Sinterleme sırasında taneler arası bağların gelişimi (German, 1989) 21

37 TM Teknolojisinin Avantaj ve Limitleri TM yöntemi ile parça imalatının avantaj ve limitlerinin anlaşılabilmesi için, önemli altı parametrenin gözden geçirilmesi gerekmektedir. Bunlar, şekil boyutları, şekil karmaşıklığı, toleranslar, malzeme sistemleri, mekanik ve fiziksel özellikler, kalite ve maliyet olarak nitelendirilebilir (ASM, 1998). Bu parametreler değerlendirildiğinde, TM teknolojisinin döküm ve dövme gibi imalat yöntemlerine nazaran birçok avantajı olmakla birlikte bazı sınırlılıkları da mevcuttur (De garmo, 1997). Bunlar, aşağıdaki gibi ekonomiklik ve özellik avantajı olarak nitelendirilmektedir (EPMA, 2006): Mekanik özellikler ve ekonomiklik avantajları Döküm ve dövme yöntemlerine nazaran daha karşılaştırılabilir kalitede ve ekonomik bir yöntem, başlangıçtaki tüm ham malzemelerinin %99 un kullanılması ile ergime kayıplarının ortadan kaldırılması, İstenilen gözenekli yapının sağlanmasıyla kendinden yağlamalı yatakların imal edilebilmesi, gözenekli kemik yapısına uygun implant malzemelerin üretilebilmesi, Talaş kaldırma gibi ikincil operasyonu en aza indirerek malzeme sarfiyatını azaltma, Küçük ve karmaşık şekilli parçaların diğer metotlara nazaran yüksek verimlikte seri imal edilebilmesi Hemen hemen diğer yöntemlerle imal edilmesi imkânsız olan, ergime sıcaklığı yüksek refrakter metallerin (tungsten, tantalyum, molibden vs) ve sert metallerin imalatında tek ekonomik metottur, Yüksek mukavemet, süneklik ve termal dayanıma sahip mikro kristal ve amorf yapılar yalnızca bu yöntemle imal edilebilirler (Konstrüktif ağırlığını önem arz eden uçak parçalarında) İyi yüzey kalitesi ve dar boyutsal tolerans, İstenilen mekanik ve fiziksel özelliğe göre kontrollü olarak gözenekli yapının oluşturulabilmesi, gözeneklerin infiltrasyonu, Kompozit malzeme üretebilme 22

38 Yukarıda bahsedilen avantajlar, özellikle kaliteli ve hızlı parça imalatının gerçekleştirilmesinde ve gereksinimleri karşılamada toz metalürjisi tekniğini diğer klasik yöntemlere nazaran tercih edilir hale getirmiştir. Ancak her imalat yönteminin kendine özgü kullanım alanı olmasından dolayısıyla, TM teknolojisinin de avantajlarının yanı sıra bazı limitleri de mevcuttur: Seri imalat yapılmaz ise, sıkıştırma ve sinterleme üniteleri gibi ilk yatırım maliyetini ve ikincil yatırım maliyeti olarak tanımlanan gözenek doldurma donanımı, kalıpların tasarımı ve imalatı maliyetlerinin yüksek olması (Kurgan, 2005), Metal tozların maliyeti ingot haldeki malzemeden daha pahalıdır, Mukavemet gerektiren parçalarda gözenek doldurma ve infiltrasyonu gibi ikincil işlem uygulanmaz ise, diğer yöntemlere nazaran kötü mekanik özellikler ve değişken yoğunluk değerleri, Gözenekten kaynaklanan düşük korozyon dayanımı ve düşük plastisite özellikleri Büyük hacimdeki parça imalatının yapılamaması, tasarım sınırlılıkları veya yüksek maliyetteki yeni TM tekniklerinin (SLS) kullanılması TM Teknolojisinin Geliştirilmesi ve Uygulama Alanları TM teknolojisinin çıkışı ve geliştirilmesi Çizelge 1.2. de verilmiştir. Çizelge 1.2. TM alanındaki yıllara göre gelişmeler (ASM, 1998) Yıl TM Alanındaki Gelişmeler Yer 3000 M.Ö. Sünger demirden el aletlerinin yapımı Mısır, Afrika, 1200 M.S. Semente edilmiş platin taneleri Güney Amerika 1781 Eriyebilir platin-arsenik alaşımı Fransa, Almanya 1822 Katı ingotlardan platin tozlarının imalatı Fransa 1826 Ticari anlamda platin tozlarının sıkıştırılması, sinterlenmesi Rusya 1830 Değişik metal tozlarının sinterlenmesi Avrupa 1870 Kendi kendini yağlayan yatakların ilk olarak yapılması U.S.A Lamba flamentlerinin yapımı U.S.A Semente edilmiş karbürlerin imalatı Almanya 1900 Kompozitlerin ve gözenekli malzemelerin imalatı U.S.A Demir tozu teknolojisinin geliştirilmesi Avrupa 1970 Sıcak izostatik sıkıştırma ile TM takım çelikleri, süper plastik alaşımların U.S.A. imal edilmesi 1980 Metal enjeksiyon teknolojisinin geliştirilmesi U.S.A İntermetalikler, metal matris kompozitler, nano tozlar ve sıcak sıkıştırma teknolojileri U.S.A. 23

39 Mısırlılar, M.Ö yılında sünger demirden çeşitli el aletleri imal etmişlerdir. Yeni Delhi Kolonu 6,5 ton ağırlığında ve M.S. 300 yılında sünger demirden şekillendirilmiştir. Ticari ilk gelişme olarak, 1800 lü yılların başında Amerika da, karbon (C), zirkonyum (Zr), vanadyum (V), tantalyum (Ta) ve tungsten (W) gibi malzemeden flaman imal edilmesiyle endüstriyel olarak uygulamaya girmiş ve 1826 yılında Rusya da tedavüle çıkarılan platin para TM nin ilk endüstriyel uygulaması olmuştur (Sarıtaş, 1994; ASM, 1998). Tüm bu gelişmeler, Ti, Ta, W, V, Nb, Mo gibi refrakter malzemelerin, TM teknolojisi ile üretilebilirliğini ortaya koymaktadır. Diğer önemli bir gelişme ise, elektrot, kontak malzemeleri ve karbür kesici takımlar gibi önemli kompozitlerin TM teknolojisi ile üretilebilmesi olmuştur. Krupp firması ise, 1914 yılında sert metal üretimini denemiş ve 1927 yılında piyasaya sürmüştür. TM yönteminde, I. Dünya Savaşı yıllarında büyük gelişmeler sağlanmıştır. Gözenekli gereçler, mıknatıslar ve emdirilmiş demir tozu parçalar bu yıllarda üretilmiştir lı yıllarda TM ürünü olarak en çok bakır esaslı kendi kendini yağlayan yataklar imal edilmiştir li yıllardan itibaren demir ve çelik tozlardan imal edilen dişliler, kamlar, biyeller, supaplar ve değişik otomotiv parçaları, TM yönteminin özellikle otomotiv sektöründe kullanımını artmıştır lı yıllarda TM ürünlerin tam yoğun parçalara göre dezavantajları tespit edilmiş olup, tam yoğun TM ürünü elde etmek için yoğun çalışmalar yapılmıştır. Bunlardan bazıları, HIP-CIP, MIM, PIM ve toz dövme olarak sıralanabilir li yıllara gelindiğinde, süper alaşımlar, takım çelikleri, karbür sınıfı kesici takımlar, gözenekli ürünler, aşındırıcı malzemeler, elektronik uygulamalar, hızlı katılaşma oranına sahip alaşımlar, otomotiv parçalarının çoğu ve hafif metaller TM teknolojisi ile imal edilebilmesi, günlük dünya çapında toz üretimini bir milyon ton seviyelerine çıkarmıştır (Sarıtaş, 1994; Colton, 2006) TM tekniğinin önemli bir özelliği de, diğer klasik yöntemlerde alaşım haline gelemeyen veya izin verilmeyen, çoğu mühendislik malzemelere uygulanabilmesidir. Örneğin, alüminyum, bakır, titanyum, niyobyum, demir, tantalyum, zirkonyum, tungsten, refrakter malzemeler, süper alaşımlar, takım çelikleri ve bunların birbirleriyle yapabileceği toz karışımlar ile parça imal etmek mümkündür. Bu 24

40 gelişmeler sayesinde, TM teknolojisinin % 60 kullanım alanı, otomotiv parçalarının (manifold, dişli, su pompası vs) imalatında olmak üzere, uzay ve savunma sanayisi, biyomalzeme ve karbür kesici takım endüstrisinde, elektrik-elektronik ve manyetik uygulamalarda, kalıp ve yatak imalatında, abraziv aşındırıcı ve çarkların imalatında diğer yöntemlere nazaran yaygın olarak kullanılmaktadır (Karataş, 1998; Morgan, 2006). Sürünme dayanımı istenilen parçaların imalatındaki karbürler, nitrürler, borürler ve alüminyum oksitler yine bu yöntemle imal edilmektedir. Genel olarak TM tekniğinin önemli endüstriyel kullanım alanları Şekil de verilmektedir (Orban, 2004). METALİK VE METALİK OLMAYAN TOZLAR Özel ve Yeni İleri Malzemelerin Üretimi Sinterlenmiş Parçaların İmalatı Yapısal parçalar Oto yağlama parçaları Özel malzemeden sinterlenmiş parçalar DİREKT UYGULAMALAR Otomotiv endüstrisi (%60 kullanım) Gıda ve tarım endüstrisi Abraziv aşındırıcılar Kaplama katotları Kaynak elektrotları Biyomedikal ve implant endüstrisi Optik uygulamalar Nükleer malzemeler Yüksek fonksiyonlu malzemeler Yüksek ergime sıcaklığına sahip metaller Metalik ve intermetalik/seramik takviyeli kompozit malzemeler Sürtünme malzemeleri Aşınmaya dayanıklı malzemeler Korozyona dayanıklı malzemeler - Sinterlenmiş paslanmaz çelikler - Süper alaşımlar Refrakter malzemeler Porozlu malzemeler (filtreler, köpük malzemeler) Elektroteknik malzemeler - Elektrik kontakları - Isıtma elementleri - Elektrot takımlar - Elektro erozyon işleme Manyetik malzemeler Kesici Takımlar - Yüksek hız çelikleri - Sermetler, Semented karbürler - Elmas, nitrürler, karbürler Hafif metaller Nanokristalli/Amorf yapılar Şekil TM yönteminin başlıca endüstriyel uygulamalar ( Orban, 2004) Titanyum un Temel Özellikleri Titanyum (Ti) element olarak ikiyüz yıl önce fark edilmiş olmasına rağmen, 1952 yılından itibaren endüstriyel uygulamalarda kullanımının artmasından dolayı yeni mühendislik malzemesi olarak nitelendirilmektedir (Froes vd., 1985; Erdoğan, 2001). 25

41 Ti ve alaşımlarının maliyeti yaygın olarak kullanılan metallerden daha fazladır. Direkt cevherden elde edilmeleri zor ve imalatında çok gelişmiş ergime teknikleri kullanılmaktadır. Ti alaşımının yüksek üretim maliyetinin nedeni, prensip olarak bu metalin yüksek reaktifliği ve oksijen, azot, hidrojen ve karbon ile kolayca reaksiyona girmesinin sonucudur. Ti metali, ilk olarak 1930 yıllarında Dr. Wilhelm tarafından Kroll işlemini geliştirilmesiyle üretilmiştir (ASM, 1998; ASM, 1991). Kroll işlemi, inert gaz atmosfer ortamında sodyum (Na), kalsiyumun (Ca) ve magnezyum (Mg) ile Ti un indirgenmesini gerektirir. Kroll işleminde, TiCl 4 yaklaşık o C sıcaklık aralığında paslanmaz çelik kap içerisinde sıvı Mg ile reaksiyona girer. Yüksek sıcaklık reaksiyonun son ürünleri Ti sünger, MgCl 2 ve magnezyumdur. Kimyasal reaksiyon; TiCl 4 (gaz) + 2Mg (sıvı) Ti(katı) + 2MgCl 2 (sıvı) Hunter işleminde, TiCl 4 Mg yerine Na ile reaksiyona girer. Bu yöntemin temel avantajı, TiCl 4 ün indirgenmesinin iki aşamada yapılmasıdır. İlkinde TiCl 4 sürekli bir indirgeyicide Na ile TiCl 2 ve NaCl ye indirgenir. Bu aşamada kimyasal reaksiyon; TiCl 4 (gaz) + 2Na (sıvı) TiCl 2 (sıvı) + 2NaCl(sıvı) İkinci aşamada TiCl 2 ve NaCl içeren eriyik Argon gazının üst atmosferine sahip bir sinter potasında ilave edilen Na ile reaksiyona girer. Bu reaksiyon; TiCl 2 (gaz) + 2Na (sıvı) Ti(katı) + 2NaCl(sıvı) Son olarak, Kroll ve Hunter işlemlerinde Ti süngeri, asit filtre veya vakum damıtma ile tuzlardan ve fazla reaksiyona girmemiş metalden arındırılır. Titanyum 4.51 gr/cm 3 yoğunluğa sahip ve çeliğe nazaran % 57 hafif bir metaldir (Çizelge 1.3.). Ti nin ısı transfer özelliği, manyetiklik ve elektrik iletkenliği özelliği çeliğe nazaran oldukça düşük bir malzemedir (Erdoğan, 2001). Ti ve alaşımlarının 26

42 özel özelliklerinin avantaj olduğu pek çok endüstriyel uygulamada etkili bir şekilde kullanılmaktadır. Ti nin endüstride hızla yaygınlaşmasının temel nedeni, korozyon dayanımı ve metale göre % 57 daha düşük yoğunlukta olmasına rağmen yüksek mukavemetli yapıya sahip olmasıdır (ASM, 1991). Düşük yoğunlukları nedeniyle, ağırlıkça önem arz eden uçak konstrüksiyonlarında ve implant uygulamalarında tercih edilir bir malzemedir (Yue vd., 1984; Cook vd., 1984; Young, 1989). Ayrıca, ingot, çubuk, sac, kabuk, sünger ve toz gibi değişik ürün formlarında üretilebilmelerinde sınır yoktur. Çizelge 1.3. Titanyum un element olarak mekanik özellikleri ( Donachie, 2000) Ti elementinin özellikleri Değeri Elastisite modülü (GPa) 120 Çekme mukavemeti (MPa) 240 Sertlik (HRB) Poisson oranı 0,361 Yoğunluk (gr/cm 3 ) 4.51 Ergime noktası ( o C) 1668 Isıl iletkenlik (W m -1 K -1 ) 11.4 (oda sıcaklığında) Elektrik İletkenliği %3 Bakıra göre (%100) Hesaplanmış atom çapı (metre) Kristal Kafes Yapısı (α-β) < ise Sıkı Paketlenmiş >882.5 ise Hegzegonal-HMK Ergime sıcaklığı çeliğinkinden yüksek ve yapısal uygulamalarda maksimum o C sıcaklığa kadar ısıl dayanım özelliğine sahip olup, TiAl alaşımları 760 o C sıcaklığa kadar olan endüstriyel uygulamalarda kullanılmaktadır. Saf Ti toxic içermez ve bazı Ti alaşımları (Ti-6Al-4V, Ti-6Al-7Nb ve Ti-5Al-2.5 Fe gibi) insan doku ve kemik ile biyolojik uyumluluk içerisindedir. Ti iki allotropik kristal yapı içerisinde bulunur o C sıcaklığa kadar hegzagonal sıkı paket (HSP) yapıya sahip α ve bu sıcaklıktan sonra hacim merkezli kübik (HMK) yapıya sahip β dır. Ti alaşımları, oda sıcaklığındaki mikroyapılarına bağlı olarak α, α yakın, α/β yarıkararlı, β veya β yarıkararlı şeklinde sınıflandırılmaktadır (Smith, 1981). α alaşımları, saf Ti alaşımı ve Al, Sn gibi α kararlaştırıcı elementlerin ilavesiyle oluşturulan alaşımlardır (Leyens ve Peters, 2003). α yakın alaşımları az miktarlarda β kararlaştırıcı elementlerin ilavesi ile elde edilmektedirler. α/β Ti alaşımları, α fazında yeterli β kararlaştırıcı elementlerin (Ta, V, Mo vs) ilave 27

43 edilmesi ile imal edilmektedirler. Bu yapının genelini eşeksenli α fazı, % 5-40 aralığında tane sınırlarına yerleşen lamel β fazı oluşturur. β kararlaştırıcı elementi oranının artmasıyla da yarıkararlı β alaşımı oluşmaktadır. β dönüşüm, β karaşlaştırıcı elementlerin ilavesi ile sağlanabildiği gibi, malzemenin β dönüşüm sıcaklığına ısıtılıp bu sıcaklıktan soğutulması ile de elde edilebilmektedir (Donachie, 2000). Bu durum Şekil da gösterilmiştir. Sıcaklık, o C Sıcaklık, o C Ti-Al Vanadyum İçeriği Ti-Al Alüminyum İçeriği Şekil Ti alaşımlarının Al ve V içeriğine göre faz dönüşümleri (Leyens ve Peters, 2003; Erdoğan, 2001) Şekil da görüldüğü gibi, sıcaklığa bağlı olarak V içeriğinin artmasıyla β dönüşümü, Al içeriğinin artmasıyla α fazı dönüşümü artmaktadır. Soğutma hızına bağlı olarak, β dönüşüm sıcaklığından yavaş soğuma ile martenzit ve dönüşmüş β fazı (iğnemsi α) artan soğuma hızıyla da kaba lamel β fazı oluşmaktadır (Leyens ve Peters, 2003). Bu durum Şekil ve Şekil de verilmiştir. Şekil Yavaş soğuma sonrası oluşmuş tipik Widmanstatten yapı (martenzit dönüşmüş β fazı veya iğnemsi α fazı) (Donachie, 2000). 28

44 Şekil Kaba taneli dönüşmüş β fazından oluşan iğnemsi α yapı (Leyens ve Peters, 2003). Ti alaşımlarında alaşım elamanlarının tamamıyla yapıda karakteristiğini gösterebilmesi için, Şekil de görülen Widmanstatten yapının dönüşümünün gerekli olduğu rapor edilmektedir (Donachie, 2000). Çeliklerde bilinen martenzitten farklı olarak, Ti alaşımlarında kristal kafes siteminin çarpılması ile dengelenmiş bir pekleşme karakteristiği göstermektedir. Ti alaşımlarında mikroyapı dönüşümü mekanik özellikleri önemli oranda etkilemektedir. Ti alaşımlarında bazı özelliklerinin mikroyapı dönüşümü ile ilişkileri Çizelge 1.4. de verilmektedir. Çizelge 1.4. Ti alaşımlarında bazı özelliklerin mikroyapı dönüşümü ile ilişkileri (Leyens ve Peters, 2003) Özellik İnce taneli Kana taneli Lamel yapı Eş eksenli Mukavemet X - - X Süneklik X - - X Kırılma tokluğu - X X - Yorulma çatlak ilerlemesi - X X - Sürünme dayanımı - X X - Süperplastiklik X - - X Oksidasyon davranışı X - X - İnce taneli yapı, mukavemet ve süneklik avantajı gösterirken kırılma tokluğu ve sürünme dayanımı dezavantajına sahiptir. Kaba taneli yapı, sürünme ve kırılma tokluğu avantajı ile birlikte mukavemet ve süneklik dezavantajına sahiptir. Eş eksenli yapıda ise, mukavemet ve süneklik karakteri avantaj, kırılma tokluğu, oksidasyon davranışı ve sürünme dayanımı karakteri dezavantajlarıdır. Tamamen lamel yapı ise, kırılma tokluğu, oksidasyon davranışı ve sürünme dayanımı avantajlarına sahip 29

45 olmakla birlikte mukavemet ve süneklik dezavantajları da mevcuttur. Ancak, eşeksenli yapı ve lamel yapının birlikte oluştuğu Widmanstatten yapının sağlanabilmesi ile, Ti alaşımlarının önemli özelliklerinin dengelendiği ileri sürülmektedir (Leyens ve Peters, 2003; Donachie, 2000). α ve α yakın Ti alaşımlarına genellikle ısıl işlem uygulanamaz ve kaynaklanamaz alaşımlar olup α/β ve β alaşımlarına göre düşük mukavemet karakterine sahiptirler. α/β alaşımları α ve β fazı alaşımlarına nispeten yüksek dayanımla birlikte iyi süneklik karakteristik göstermektedirler (Smith, 1981; Erdoğan, 2001). α, α/β ve β alaşımlarının bazı özellikleri karşılaştırmalı olarak Çizelge 1.5. de verilmiştir. Çizelge 1.5. α, α/β ve β alaşımlarının bazı özellikleri (Leyens ve Peters, 2003) Özellik α α/β Β Yoğunluk X X - Mukavemet - X XX Süneklik -/X X X/- Kırılma tokluğu + -/X X/- Korozyon davranışı XX X X/- Sürünme dayanımı X X/- - Kaynaklanabilirlik X X/- - Oksidasyon davranışı XX X/- - HMK yapıya sahip β alaşımları ile kıyaslandığında, sıkı paketlenmiş hegzegonal α alaşımları anizotropik yapıya sahip olmakla birlikte plastik deformasyona dayanımı yüksek, düşük süneklik, yüksek sürünme dayanımı gibi özelliklere sahiptirler (Leyens ve Peters, 2003). Ti alaşımları pahalı olmasından dolayı çok özel ve sınırlı uygulamalarda yer almaktadır. Titanyum alaşımlarının ağırlık oranına göre yüksek mukavemetli yapısı ve korozyon dayanımı özelliğinden dolayı, ısı değiştirgeçleri, kimyasal işlemler için reaktör kap gibi korozyon uygulamalarında, gaz türbinleri, uçak parçaları, denizaltı ve biyomedikal uygulamalarda, enerji endüstrisinde (rotor, türbin kanatçığı, soğutma sistemleri vs), takım tezgâhlarında (koruyucu tüp, kontrol sistemleri vs), süper iletkenlerde, şekil hafızalı alaşımları, otomotiv parçaları gibi özel endüstriyel alanlarda vazgeçilmez bir mühendislik malzemesidir (Titanyum Industries, 2006). Endüstriyel uygulamalarda Ti alaşımları, α ve β dönüşümüne göre 30

46 seçilmektedirler. Değişik Ti alaşımları ve karakteristikleri, önemli bazı endüstriyel uygulamaları Çizelge 1.6. da verilmiştir. Çizelge 1.6. Değişik Ti alaşımlarının kullanım alanları (ASM, 1991) Alaşım Karakteristik Genel Uygulama Alanları Alaşımsız Ti Şekillendirilebilirliği ve Isı değiştirgeçleri, kimyasal-işleme (α alaşımı) kaynaklanabilirliği oldukça yüksek endüstrisi. Ti-5Al2.5 Sn İyi kaynaklanabilirlik ve kararlılık, Jet motor ve türbin motor (α alaşımı) 480 o sıcaklığa kadar kararlı uygulamalarında. Ti-6Al-2Sn-4Cr-2Mo (α ya yakın) Ti-5.8Al-4Sn- 3.5Zr0.7Nb-0.5Mo-0.3 Si (α ya yakın) mukavemet Mükemmel sürünme dayanımı, yüksek tokluk ve mukavemet Kaynaklanabilirlik, yüksek sıcaklıkta geliştirilmiş yorulma dayanımları Gaz türbin motorlarında dövme ve haddeleme ürünlerinde, uçak dış kaplama parçalarında. Maksimum 590 o C sıcaklıklardaki endüstriyel uygulamalarda Ti-6Al-4V (α/β) Mükemmel yorulma dayanımı, Ortopedik implant, gaz türbin biyouyumluluk, 300 o C sıcaklığa diskleri, kimyasal işlem üniteleri. kadar ısıl kararlılık. Ti-6Al-7Nb (α/β) Mükemmel biyouyumluluk, yüksek İmplant uygulamalarında. mukavemet. Ti-5Al-2.5 Fe (α/β) Yüksek mukavemet, biyouyumluluk. İmplant uygulamalarında. Ti-6Al-2.5Sn-4Zr- Yüksek sıcaklıkta uzun süreli yük Kompresör fan kanatçıkları ve gaz 6Mo (α/β) taşıyıcı. türbin motor uygulamalarında. Ti-35Nb-5Ta-7Zr Düşük elastisite modülü, İmplant uygulamalarında. (Meta stabil β) biyouyumluluk. Ti-13Nb-13Zr (α/β) Düşük elastisite modülü, İmplant uygulamalarında. biyouyumluluk. Ti-13V-11Cr-3Al (β) İyi kaynaklanabilen yüksek Yüksek mukavemetli uçak mukavemetli. konstrüksiyonda, misilleme uygulamalarında İmplantasyon Yapılan Kemiklerin Özellikleri İmplantasyonun yapılabilmesi ve implant malzemesinin seçiminde kemiğin temel özelliklerinin bilinmesi oldukça önemlidir. Kemikler iskelet sisteminin en önemli yapıtaşıdır. Hareketsiz ve taşlaşmış gibi gözükmesine rağmen özelleşmiş dokular olup fiziksel faaliyetlerin temelini teşkil ederler. Ayrıca kaslarla beraber vücut hareketini de sağlarlar. Sertliğinden dolayı hayati önemi olan organların korumasını da üstlenmiştir. Örneğin kafatasında beyin, omurgayla omuriliği, göğüs kafesiyle başta kalp olmak üzere diğer organları çevreleyerek korumaya almaktadır (Zeytinoğlu, 2006). Kemiklerin kırılması durumunda kendilerini tamir edebilme kapasiteleri çok iyi gelişmiştir ve böylece bozulan bölgede yeni kemik dokusu oluşturularak bölgenin fonksiyonları eskisi gibi yerine getirilir. Bazı durumlarda da, 31

47 kemik hasarları ancak Şekil de görüldüğü gibi implant uygulamaları ile tamir edilebilmektedir Hasarlı Kemik Şekil TMZF alaşımından imal edilen implantların kemik implantasyonunda kullanımı (Wang vd., 1993; Thompson, 2001). Şekil de görüldüğü gibi kemik, kompakt (dolgun) ve süngerimsi (porozlu) olmak üzere iki farklı yapıya sahiptir. Şekil Kemiğin genel yapısı (Yuehuei ve Draughn, 2000) Kompakt kemik sıkı tertiplenmiş, boşluk içermeyen bir dokudur. Süngerimsi kemik dokusu ise, gevşek, labirent veya bol boşluktu tarzda bir görünümü vardır. Ancak, boşluklar kemik iliği ile doludur. Şekil de verilen ve sıklıkla implantasyona maruz kalan femur kemik yapısı, kemiğin iki uç tarafı veya eklemlerinin bulunduğu bölge epifiz, bunların arasında yer alan uzun bölgeler ise şaft olarak tanımlanmaktadır (Yuehuei ve Draughn, 2000). Epifiz kısmı ince kompakt kemikle kaplı olup süngerimsi kemik dokusundan yapılmıştır. Şaft bölümü ise kompakt kemik dokusundan yapılmıştır (Yuehuei ve Draughn, 2000; Zeytinoğlu, 2006.). 32

48 Kemik Oluşumu ve İşlevi Kompakt (Yoğun) veya gözenekli kemik dokuları için iki farklı kemik oluşumu süreci söz konusudur. Embriyoda yoğun kemik oluşumu kıkırdak yapısında bir iskelet modelinin ortaya çıkmasıyla başlar ve zamanla kemik doku kıkırdağın yerini alır. Kıkırdaktaki osteoblastlar kollajen ve mukopolisakarit yapısında bir dolgu maddesi salgılar. Bu maddenin içinde yerleşen ve depolanan organik tuzlar bu aşamadan sonra kemik olarak adlandırılabilecek sert dokuyu oluşturur. Zarar gören veya ölen kıkırdak hücrelerinin yerini, kemikleşme merkezi olarak bilinen bölgelerde, osteoblast kümeleri alır. Kemikleşme bu merkezlerden dışa doğru ilerler. Femur kemiğinde, gövde ile epifizlerin arasında ince bir kıkırdak bandı kalana kadar sürmekte ve kemiğin erişkindeki boyuna ulaşmasından sonra kıkırdak kemik dokusuna dönüşmektedir (Yuehuei ve Draughn, 2000) Kemiklerin çok sayıda işlevi vardır. İskelette mekanik bir rol oynadıkları gibi, kaslar için tutunma noktaları olarak kaldıraç, yumuşak dokular içinde destek görevi yapar. Kafatası ve omurga çok önemli sinir merkezlerini, beyin ve omuriliği korurken, kalp, büyük damarların başlangıcı ve akciğerler de göğüs kafesi içinde yer alırlar. Kemikler organizmanın mineral yapılarının deposunu oluşturur (Yuehuei ve Draughn, 2000) Kemiklerin Sınıflandırılması Vücut sisteminde değişik fonksiyonlarda, biçimlerine ve büyüklüklerine göre, uzun, kısa, yassı ve düzensiz kemikler olarak sınıflandırılırlar. En uzun kemik olarak nitelendirilen femur kemiği, Şekil de görüldüğü gibi üç bölümden oluşmaktadır. Eklem kıkırdaklarıyla örtülü olan iki şişkin kemik ucu ve kesiti kabaca üçgen görünümünde olan kemik gövdesidir (şaft). Uzun kemikler özellikle kol ve ayaklarda bulunur. Bunların arasında da uyluk kemiği, kol kemiği, dirsek kemiği ve kaval kemik sayılabilir (Yuehuei ve Draughn, 2000; Tüfekçi, 2006). 33

49 Şekil Genelde implantasyon yapılan femur kemiği ve kesit görünümü (Yuehuei ve Draughn, 2000) Kompakt kemik dokusu hemen kemik zarının altında yerleşerek kemiğin gövdesine biçim veren oldukça sağlam bir kılıftır. Gözenekli doku ise, aralarında bağlantılı ve içleri kemik iliğiyle dolu çukurcukları (ilik araları) sınırlayan kemik tabakalarından oluşur. Kemik dokuların gözenekli ya da kompakt olarak dağılımı kemiklerin biçimine göre değişir. Uzun kemiklerin kompakt doku kılıfı uçlara doğru kesit daralırken, merkezdeki kanalın içinde (ilik kanalı) kemik iliği bulunmakta, bu da bir kemik ucundan öbürüne uzanarak kemik gövdesini geçmektedir. Kemik uçları düzeyinde, kompakt doku, gözenekli dokuyu ve içini dolduran iliği saran ince bir tabaka gibidir. Yassı kemiklerse aralarında gözenekli doku tabakasıyla ayrılmış iki kat kompakt doku tarafından oluşturulur, ancak bazen bu süngerimsi tabaka aradan kaybolur ve kompakt tabakalar birbirine yapışmış şekilde görülmektedir (Yuehuei ve Draughn, 2000) Kemiğin Mekanik Özellikleri Katz (1980), kemiğin hiyerarşik bir yapıya ve bu yapıya uygun mekanik özelliklere sahip olduğunu belirtmiştir. Bu hiyerarşik yapı ve bununla ilgili mekanik özellikler genel olarak Çizelge 1.7. de gösterilmektedir. 34

50 Çizelge 1.7. Kemiğin hiyerarşik seviyesi (Katz, 1980) Seviye Eleman (Numune) Kemiğin mukavemetinde göz önünde bulundurulan ana faktörler Makro yapı Femur, humerus, Kemiğin boru gibi olan şekli, kesit olanı, Uzun kemiğin (Tümkemik) vertabre, ön kemik vb. gözenekliliği, kortikal kemik, düzensiz pelvis kemiği gibi makro yapılar. Mimari(Doku Kompakt kemik, Yoğunluk, gözeneklilik, osteonların yönlenmesi, kollajen seviyesi) Spongiyöz kemik lifler bloğu, silindir, küp ve kiriş Mikroyapı Osteonlar ve Yükleme doğrultusu (Uzun ekseni boyunca, maksimum trabecule mukavemeti ile birlikte) Ultrayapı (Nanoyapı) Kollajen lifler ve moleküller, mineral bileşimler HA kristalleri bitişik kollajen moleküllerinin uçlarında gömülüdür. Katı HA ile esnek kollajen bileşimi malzemeye her iki maddenin üstün özelliklerini kazandırır. Böylece hem sünek ve daha fazla enerji absorbe edebilen ve hem de yükler altında rijit kalabilen bir malzeme özelliği gösterir. Mekanik özellikler incelenirken, kemik dokusu blokları ile tüm kemiğin birbirinden ayrı tutulması gerekir. Örneğin, uzun bir kemiğin eğilme özellikleri, kemiğin yoğunluğu ve boru şeklindeki yapısı ile belirlenirken, kortikal kiriş numunenin eğilme özellikleri kemiğin yoğunluğu ve osteonal yönlenmesi ile belirlenir. Katz in 1980 lerde belirttiği gibi test edilen kemik numunenin Yapı-Mekanik ilişkisinin anlaşılması çok önemlidir. Kemiğin hiyerarşik kompozit modellemesi farklı seviyelerdeki yapısal değerlendirmelere ve mekanik ölçümlere bağlıdır (Katz, 1980). Uzun kemikler genellikle eğilme ve burulma testlerine tabi tutulurlar. Mekanik testlerde kortikal kemik, ya tüm kemik olarak, ya da kirişe dönüştürülerek kullanılır. Bir kiriş sabit bir kesiti (dairesel, kare, dikdörtgen, dumbbell şeklinde ve ortası inceltilmiş kısa çubuk) ve alanı olan bir çubuktur. Uzun kemikler ise sabit bir kesiti ve alanı olmayan değişken kirişlerdir. Kortikal kemik daha yoğun olduğu için doğal olarak gözenekli (süngerimsi) kemikten daha mukavemetli ve rijittir. Şekil de kortikal kemik ile birlikte diğer birkaç dokunun ve biyomalzemenin elastisite modül ve çekme mukavemeti değerleri verilmiştir. 35

51 Elastik Modül (GPa) ,025 0, Kıkırdak T endon UHMW PE PMMA Kemik T itanyum Paslanmaz CoCr çelik Çekme Mukavemeti (MPa) , kırdak Tendon UHMW PE PMMA Kemik TitanyumPaslanmaz Çelik CoCr Şekil Kortikal kemik ve bazı diğer doku ve biyomalzemenin çekme mukavemeti ve elastisite modül değerleri (Yuehuei ve Draughn, 2000) Şekil e göre, kemiğe en yakın elastisite modülüne sahip ve çekme mukavemeti en yüksek biyomalzeme titanyumdur. Kortikal kemiğin mekanik özellikleri uygulanan testin tipine bağlıdır. Basma testlerinden elde edilen ve Çizelge 1.8. de gösterilen mukavemet ve elastisite modül değerleri sırasıyla ortalama olarak 191 MPa, 25 GPa dır. Burulma testlerinden elde edilen mukavemet ve elastisite modül değerleri ise, sırasıyla ortalama olarak 101 MPa, 65 GPa dır. Çekme mukavemeti basma mukavemetinin yaklaşık 2/3 ü kadardır. Çizelge 1.8. de görüldüğü gibi, burulma (kesme) mukavemeti, normal mukavemetin (basma, çekme veya eğilme) 1/3-1/2 si kadardır (Yuehuei ve Draughn, 2000). 36

52 Çizelge 1.8. Basma, çekme ve burulma testlerinden elde edilen insan femur kemiklerinin mekanik özellikleri (Yuehuei ve Draughn, 2000) Tür Kemik Numune Boyutları Mukavemet (MPa) Elastisite Modül (GPa) Referans Basma Testi İnsan Femur Çekme Testi İnsan Femur Burulma Testi İnsan Femur 2x2x6mm dumbbell Reilly, x2x6mm dumbbell Burstein, mm çap. silindirik Cezayirlioğlu,1985 3mm çap. silindirik Cezayirlioğlu, x2.3x76mm Evans, 1951 dumbbell 2x2x6mm dumbbell Reilly, x2x6mm dumbbell Burstein, mm çap. silindirik Cezayirlioğlu, Hazama, ± Yamada, x2x6mm dumbbell Reilly, x3x6mm dumbbell Reilly, mm çap. silindirik Cezayirlioğlu, 1985 Kayma modülü ise elastisite modülün ancak 1/5-1/6 sı kadardır. Kortikal kemiğin eğilme mukavemeti ve elastisite modülü sırasıyla ortalama olarak 170 MPa, 12 GPa dır. Çekme testi, kortikal kemiğin mekanik özelliklerini belirlemek için standart olsa da eğilme testleri (Çizelge 1.9.) daha sık kullanılmaktadır (Yuehuei ve Draughn, 2000). Çizelge 1.9. Kemik doku seviyesinde kortikal kemiğin eğilme özellikleri (Yuehuei ve Draughn, 2000) Tür Kemik Numune Boyutları Mukavemet (MPa) Elastisite Modül (GPa) Referans İnsan Kortikal 2x5x50 mm kiriş Keller, x3x30 mm kiriş Keller, x5x7 mm kiriş 225± ±2.1 Lotz, x3.4x40 mm kiriş Curry, Kemik Yoğunluğu ve Gözeneklilik Kortikal kemiğin yoğunluğu, malzemenin yaş ağırlığının numune hacmine bölümüdür. Yoğunluk, kemik malzemenin hem gözenekliliği hem de mineralizasyonunun bir fonksiyonudur. Kortikal kemiğin ortalama görünür 37

53 yoğunluğu yaklaşık 1.9 g/cm 3 dür. Bu değer, Ti tozu alaşımlarının görünür yoğunluğu 2-2,7 g/cm 3 aralığındadır ve bu değerler kemiğe oldukça yakındır. Kompakt kemikte ilik boşluğu olmadığı için, görünür yoğunluk malzeme yoğunluğu ile aynıdır. Kemik mineral yoğunlunun (BMD) gerçek anlamı; birim hacimdeki mineral kemik kütlesidir. Benzer şekilde kemik mineral içeriğinin (BMC) gerçek anlamı; kuru kemiğin birim ağırlığındaki mineral miktarı ağırlığının birim kemik ağırlığına oranıdır ve genellikle yüzde ile ifade edilir. BMD ve BMC kemiğin mukavemeti ve rijitliği ile doğrudan ilgilidir (Yuehuei ve Draughn, 2000). Kemiğin gözeneklilik miktarının artması ile mekanik mukavemetinin azalacağı aşikârdır. Gözeneklilik (p), toplam hacimdeki içerisindeki gözenekli hacim oranı olarak tanımlanmaktadır. Schaffler ve Burr (1988) kortikal inek kemiğine çekme testi uygulayarak E=33.9(1-p) 10.9 eşitliğini bulmuşlardır. Burada E: Elastisite modül ve (1-p) kemik hacmi oranıdır. Curry vd. (1997), farklı türlerin kortikal kemiklerinden yapılan çekme testleri sonucunda E=23.4(1-p) 5.74 şeklinde bir korelasyon bağlantısı çıkarmıştır. Başka bir çalışmada ise insanın kafatası kemiği üzerinde yaptığı çalışmalar sonucunda E=12.4(1-p) 3 şeklinde bir eşitlik bulmuştur (Yuehuei ve Draughn, 2000; McElhaney vd., 1964),). Dolayısıyla, elastisite modülün gözeneklilik ile önemli bir bağlantısı olduğu ortaya çıkmaktadır Anizotropi ve Heterojenlik Anizotropi, üniform olmayan veya düzensiz dağılmış demektir. Yapısal anizotropi mekanik anizotropiyi meydana getirir (Yuehuei ve Draughn, 2000). Kortikal kemiğin mekanik özellikleri yükleme doğrultusuna bağlıdır. Boylamasına (Yükleme doğrultusu ile kesit normali arasındaki açı 0 0 ) elastisite modül en yüksek, enlemesine (90 0 yanal yön) elastisite modül en düşüktür. 0 ile 90 0 arasında ise sürekli olarak değişen mukavemet ve elastisite modül değerleri görülür (Şekil 1.26.). Katz (1980), bunun nedenini kollajen liflerin ve osteonların boylamasına yerleşmiş olmasına bağlamaktadırlar. 38

54 . Şekil Kortikal kemikten farklı yönlerde çıkarılan silindirik numuneler (Yuehuei ve Draughn, 2000) Kortikal kemiğin mekanik olarak heterojen olduğu neredeyse 50 sene önce Evans ve Lebow (1951) tarafından belirtilmiştir. Yaptıkları çalışmada femoral kemiğin orta kısmının en yüksek alt kısmının ise en düşük çekme mukavemeti ve elastisite modül değerlerine sahip olduğunu görmüşlerdir (Yuehuei ve Draughn, 2000) İmplant Uygulamalarında Kullanılan Biyomalzemeler Biyomalzemeler, geleneksel tıbbi medikal aletlere ilaveten, teşhis ürünleri, tedavi atıkları, doku kültürleri, hibrid organların yanı sıra, medikal implantların büyük bir kısmını içeren malzemeleri tanımlamak için kullanılan terimdir (Gümüşderelioğlu, 2002; Media Wiley, 2006). İmplant olarak kullanılan biyomalzemeler, insan vücudundaki canlı doku ve organların işlevlerini yerine getirebilmek veya desteklemek amacıyla kullanılan malzemelerdir. İmplant, sıklıkla kalça, diz, kalp kapakçıkları, diş vb organların hasar uğraması sonucu, yerlerine metal takılarak tahribatların düzeltilmesi için kullanılan malzeme olarak bilinmektedir (Zeren vd., 2001). Bazı implantasyon uygulamalarında kullanılan malzemeler Çizelge da verilmiştir. 39

55 Çizelge İmplant uygulamalarda kullanılan malzemeler (Zeren vd, 2001) Uygulanacak Alan İskelet Sistemi Eklemler Kırık kemik ucu tamiratı Kemik dolgu malzemesi Yapay tendon ve bağlar Diş İmplantları Kalp Damar Sistemi Kan damarı protezleri Kalp kapakçıkları Organlar Yapay Kalp Duyu Organları İç kulak kanalında Göz içi lensler İmplant Malzemesi Titanyum ve Ti alaşımları Paslanmaz çelik, kobalt krom alaşımları Polimetil Metakrilat (PMMA) Teflon, polietilen Tereftalat Titanyum, alümina Polietilen Teraftalat, teflon, poliüretan Titanyum, paslanmaz çelik, karbon Poliüretan Platin elektrotlar PMMA, silikon kauçuk İmplantasyonun yapılabilmesi ve implant malzemesinin seçim kriterinde, kemiğin mekanik ve fiziksel özelliklerinin iyi anlaşılması gerekir. Bergmann vd. (1993) e göre, normal seviyede yürüyüş sırasında kalça kemiği üzerine 3 kn yük uygulanmakta olduğu ifade edilmektedir ve seçilen implant malzemelerinin bu yükü taşıması gerektiğini bildirmiştir. Bu yük durumunun, 100 mm 2 kesitteki bir kemikte yaklaşık 30 MPa gerilmeyi oluşturacağı ileri sürülmektedir (Bergmann vd., 1993). İmplant malzeme ve onu çevreleyen doku arasında daima mekanik ve biyolojik bir etkileşim mevcuttur. İmplant kemik arasındaki mukavemet, bu etkileşime bağlıdır. İmplant uygulamalarındaki biyomalzemeler, yük taşıma, yük iletmenin yanı sıra biyouyumluluk gibi gereksinimleri karşılamaları durumunda kullanılırlar. Yük taşıma fonksiyonu, hareket, destekleme dokuları ve implant malzeme arasında optimum yükün iletilmesi ile nitelendirilir. Bu etkileşim Şekil de görülmekte olup, implant malzemelerde en önemli özellik olarak bilinen biyouyumluluğu ortaya çıkarmıştır. Şekil İmplantasyon malzemesinin kemikle etkileşimi (Long vd., 1998) 40

56 Biyouyumluluk, vücut ile uyuşabilirlik olarak tanımlanabilir. İmplant malzemelerin biyouyumluluğu, vücuda yerleştirildiği bölgede biyolojik dokularda zararlı etkileşimin olmamasıyla ölçülür (Long vd., 1998). Ortopedik amaçlı kullanılan implant alaşımının biyouyumluluk ve korozyon özellikleri, malzeme cinsi, kimyasal kompozisyona ve imalat yöntemi ile direkt ilgilidir. İmplant malzemelerde, biyouyumluluğun yanı sıra, elastisite modülü kemiğe en yakın değerde, tokluk, sertlik, aşınma-yorulma dayanımı ve çekme dayanımı gibi mekanik özelliklerin kemik malzemeyle uyumlu olması istenir. İmplantın şekli, malzeme tipi ve yükleme tarzına bağlı olarak yorulma dayanımı, çekme/basma, eğme, burulma, aşınma testleri, implant malzemelerin değerlendirilmesinde yaygın olarak kullanılır. Ortopedik alaşımların mukavemeti oda sıcaklığında yapılan standart çekme testi ile, % kesit daralması veya uzamasıyla yeterli süneklik değerlerinin elde edilmesiyle birlikte kemiğe yakın eğilme dayanımının optimize edilmesi gerekir. İmplant malzemelerde, yorulma-aşınma korozyonu ve çevresel gerilme çatlakları oldukça yaygın hasarlardır (Thompson, 2001). Yorulma-aşınma kriterinin optimize edilmemesi durumunda, uzun süreli kullanımlarda, protezin gevşemesi, implant malzemeden kemiğe yük transferinin yetersiz olması ile protezde bozulmalar meydana gelebilir. Bu ise, doku kaybına yol açmaktadır. Özellikle çekme/basma ve eğme yükü kemiği etkilediğinde, kemik kesitinde azalma, kemikte ağırlık kaybı ve sonucunda osteoporosis artışı (gözeneklilik ve kemikte kuruma) görüldüğü ileri sürülmektedir (Penning, 1997). Dolayısıyla, doğal kemikle implant malzemesi arasında elastisite modüle bağlı olarak, esneklik veya sertlik farkı oldukça önem arz etmektedir (Zeren vd., 2001). İmplantın rijitliğinde de, herhangi bir azalma, kemik dokusundaki gerilim dağılımını olumsuz yönde değiştirir. Bundan dolayı, gerilimler minimize edilerek implantın ömrü arttırılmalıdır Metalik Biyomalzemeler Biyomalzeme, bilimsel anlamda yeni bir araştırma alanı olmasına rağmen, 1950 li yıllardan itibaren teknoloji ve malzeme bilimindeki gelişmeler sayesinde sağlıklı olarak uygulanabilir duruma gelmiştir. Günümüz ortopedi uygulamalarında değişik 41

57 amaçlar için farklı şekil ve boyutlarda, metalik veya metalik olmayan implantlar insan vücuduna uygulanmaktadır. 20. yüzyılın başlangıcında paslanmaz çelik ile başlayan süreç, biyouyumsuzluk nedeniyle nikel kaplanmış plakalar, düşük C lu paslanmaz çelik malzemeler (316L), korozyon aşınma dirençli kobalt alaşımları ve titanyum (Ti) alaşımları gibi malzemelerin geliştirilmesiyle devam etmiştir. Bu gelişmelerle, biyolojik olmayan yapay malzemeler fiziksel, mekanik, kimyasal ve elektriksel özelliklerine bağlı olarak, özellikle ortopedik ve diş protezi uygulamalarında yaygın olarak kullanılmaktadır (Leyen ve Peters, 2003). Bunlardan bazıları, metal esaslı biyomalzemeler, biyoseramikler, polimerler, hibrid malzemeler olarak sıralanabilir. Ayrıca, sert doku ve yumuşak doku yerine kullanılabilecek implant malzemeleri, gözenekli ve kompakt kemiğe uygulanabilecek implant malzeme karakteristiklikleri de mevcuttur. Standart metal esaslı implant malzemeleri, paslanmaz çelikler, kobalt bazlı alaşımlar ve titanyum esaslı alaşımlardır. Daha düşük elastisite modül, özgül mukavemetleri ve üstün biyouyumlulukları nedeniyle titanyum alaşımları genellikle paslanmaz çelikler ve kobalt esaslı alaşımlarının yerine tercih edilmektedirler (Long vd., 1998). Günümüzde değişik implantasyon problemlerinden dolayı, mükemmel biyouyumlulukları ve üstün mekanik özelliklerine sahip Ti ve Ti alaşımları geliştirilmiştir. Modern imalat yöntemleri ile, klasik Ti-6Al-4V gibi titanyum alaşımının düşük biyomekanik özellikleri, toxic içermeyen Nb, Ta, Zr gibi elementlerle kompozisyonun değiştirilmesi, kemikle daha uyumlu malzemeleri ortaya çıkarmıştır. Bunlarda bazıları, Ti-6Al-7Nb, Ti-6Al-6Nb-1Ta ve Ti-35Nb-7Zr- 5Ta olarak sıralanabilir (Taddei, 2005). Metalik biyomalzemeler, yük taşıma özelliklerinin yanı sıra uzun süreli kullanımlarda aşınma dayanımının iyi olmasından, ortopedik uygulamalarda eklem protezi ve kemik yenileme malzemesi olarak kullanılması ve diş, kalp parçaları olarak ta sınırlı kullanılmakla birlikte teşhis ve tedavi amaçlı biyomedikal cihazların imalatında da tercih edilmektedir. Fakat biyouyumluluklarının düşük olması, çabuk kimyasal korozyona uğramaları kemiğe göre yüksek yoğunlukları ve alerjik doku reaksiyonlarına neden olabilecek metal iyonu salınımı gibi dezavantajlara da sahiptirler. Korozyon, metallerin çevresiyle istenmeyen bir kimyasal reaksiyona 42

58 girerek oksijen, hidroksit ve diğer başka bileşikler oluşturarak bozunmasıdır. Daha önce izah edildiği gibi, insan vücut sistemi akışkan, su, çözünmüş oksijen, protein, klorür ve hidroksit gibi çeşitli iyonlar içermektedir. Bu nedenle, insan vücudu biyomalzeme olarak kullanılan metaller için korozif bir ortamdır. Korozif ortam, metali zayıflatır daha önemlisi ise, metalin ürettiği korozyon ürünleri, kemik ve onu çevreleyen doku içerisine girerek hücrelere zarar verebilir. Bundan dolayı, implant olarak kullanılan metal malzemelerin, yapay vücut sıvısı içerisinde korozyona uğrayarak ağırlık kaybı (aşınma) test edilmelidir (Leyens ve Peters, 2003). Ayrıca, implant malzemeleri, vücut içerisinde korozyonun yanı sıra, oldukça yüksek kuvvetlere ve gerilmelere maruz kalırlar. Bu yüklenmeler vücudun hareketine bağlı olarak hem statik hem de dinamik durumdadır (Kurgan, 2005). Kırık bir kemiğin tamiri için uygulanmış implantın, eklem ve kas zorlamalarına karşın dayanıklı olması gerekir. Biyouyumluluğun yanı sıra mekanik özelliklerin de, kemiğe yakın olup olmadığı tayin edilmelidir (Media Wiley, 2006). Ti esaslı ortopedik amaçlı ilk implant malzemesi, Ti-6Al-7Nb, Ti-5Al-2.5Fe ve Ti- 6Al-4V dur. Bu alaşımlar, paslanmaz çelik ve Co esaslı implant malzemelerin vücut dokularıyla nispeten olumsuz reaksiyon vermeleri sonucu geliştirilmiştir. Bununla birlikte, Ti-12Mo-6Zr-2Fe, Ti-15Zr-4Nb-2Ta-0.2Pd alaşımlarından oluşan ikinci jenerasyon Ti ortopedik alaşımlarının kullanılmasında, arttırılmış biyouyumlulukları ve daha düşük elastisite modülleri etkili olmuştur. Son olarak, geliştirilen Ti-35Nb- 5Ta-7Zr alaşımının geliştirilmesi, kemiğe en yakın özelliklere sahip biyomalzeme olarak nitelendirilmektedir (Taddei, 2005) Biyomalzeme Olarak Kullanılan Ti Alaşımlarının Mekanik Özellikleri Biyomalzemenin çekme mukavemeti, elastisite modülü ve % uzama değerleri kemik ile uyumluluk göstermesi gereklidir. Değişik bilimsel çalışmalara göre titanyum alaşımları, düşük yoğunluğa rağmen yüksek mukavemetleri, kemiğe yakın elastisite modülü ve mükemmel biyouyumluluklarından dolayı biyomalzeme olarak seçilmektedir (Taddei, 2005; Leyens ve Peters, 2003). Hatta bazı bilimsel çalışmalarda da, implant malzemesi seçiminde klasik paslanmaz çeliklere ve kobalt 43

59 esaslı alaşımlarla kıyaslandığında, düşük elastisite modülleri ve yüksek biyouyumluluk ve korozyonlara dayanımları nedeniyle Ti alaşımlarının kullanımının oldukça arttığı ileri sürülmektedir (Hann, 1998; Williams, 1996). Çizelge de metalik biyomalzemelerinin mekanik özellikleri verilmiştir. Çizelge Ti Esaslı ve diğer biyomalzemelerin mekanik özelliklerinin kemikle karşılaştırılması (Long ve Rack, 1998) Alaşım Mikroyapı E (GPa) Akma Mukavemeti, (MPa) Kopma Mukavemeti, (MPa) Cp Ti α Ti-6Al-4V α/β Ti-6Al-7Nb α/β Ti-5Al-2.5Fe α/β TMZF Yarı kararlı β Ti-15Mo-5Zr-3Al Yarı kararlı β Ti-15Mo-2.8Ni-3Al Yarı kararlı β Ti-13Nb-13Zr α/β Ti-15Mo-3Nb-0.3 O Yarı kararlı β TNZT Yarı kararlı β TNZT 0.4O Yarı kararlı β CoCrMo Östenit L Östenit Kemik Viskoelastisite kompozit Çizelge de görüldüğü gibi, TMZF ne TNZT alaşımlarının mekanik özellikleri geleneksel Ti-6Al-4V, Ti-5Al-2.5Fe, Cp Ti ve Ti-6Al-7Nb alaşımlarına nazaran kemikle daha uyumludur. Yeni nesil Ti kompozit alaşımları implant malzemelerinin gelişmesine öncülük etmiş olup, daha yüksek biyouyumlu, kemik yapısına uygun (gözenekli veya kompakt), daha düşük elastisite modülüne ve yüksek aşınma, çentikyorulma dayanımına sahip biyomalzemeler implant sektörüne girmiştir. Yorulma ve aşınma gibi uzun-süreli kullanımlara cevap verebilecek alaşımların geliştirilmesi için bazı bilimsel öneriler ve ASTM standartları Çizelge de verilmiştir (Long ve Rack, 1998). Düşük elastisite modülü implantların imal edilmesi için, kemik türüne göre gözenekli yapıların kullanılması önerilmektedir. Ancak, porozlu Ti alaşımlarının çentik darbe dayanımı ve yorulma mukavemetinde azalma olacağı bir gerçektir. Bir literatüre çalışmasına göre, tam yoğun Ti-6Al-4V alaşımının yorulma dayanımı, MPa 44

60 mertebesinde (Williams, 1996) iken sinterlenmiş ve ısıl işlem, talaşlı işlem görmüş Ti-6Al-4V alaşımının yorulma dayanımı yaklaşık 500 MPa olduğu ileri sürülmektedir (Williams, 1996). Çizelge İmplant malzemelerin karakteristikleri (Long ve Rack, 1998). Malzeme Paslanmaz Çelik Kobalt esaslı Alaşımlar Ti Esaslı Alaşımlar Standart ASTM F 138 ASTM F-75 ASTM F-799 ASTM F-1537 ASTM F-67 ASTM F-136 ASTM F-1295 Alaşım Elementleri (%) Fe Cr (1-20) Ni (12-14) Mo (2-4) Avantajları Düşük maliyet ve işleme kolaylığı Dezavantajları Uzun süreli kullanımda elverişsiz ve yüksek elastisite modülü Öncelikli kullanım alanları Co Cr (19-30) Ni (0-37) Mo (0-10) Yüksek Aşınma Direnci Yüksek korozyon ve yorulma dayanımı Düşük biyouyumluluk ve yüksek elastisite modülü Vidalar, çiviler Dişçilikte döküm, protez ve yük taşıma parçaları Ti Al (5-7) V(4) Nb(7) Ta (4-20) Zr (5-15) Yüksek biyouyumluluk Minumum elastisite modülü Yüksek korozyon ve yorulma dayanımı Yüksek aşınma direnci ve düşük kayma mukavemeti Femur başlarıyla modüler kullanım, total kalça değiştirmelerinde ve uzun süreli kalıcı parçalar Toz metalürjisi gibi modern imalat yöntemleri ile, hacimsel malzemelere göre % 10 daha düşük yorulma mukavemetine sahip yapılar oluşturulabilmektedir. Porozlu malzemelerin elastisite modülü ile döküm malzemelerin elastisite modülleri arasındaki bağıntı aşağıdaki gibi bir teorik yaklaşımla ifade edilmektedir (Leyens ve Peters, 2003): Ep= o 3 E ( 1 1,21p 2 / ) (1.14) E o, hacimsel malzemelerin elastisite modülü, E p, porozlu malzemelerin elastisite modülü ve p gözenek fonksiyonudur. Yakın β Ti alaşımı Ti-30Ta ın % 20 gözenekli olarak imal edilmesi, kortikal kemiği için yeterli mekanik özellikleri sağladığı tespit edilmiştir (Taddei, 2005; Leyens ve Peters, 2003). 45

61 α Ti-6Al-4V alaşımları diğer Ti alaşımlarına nispeten daha sünek bir yapıya sahip olmalarından dolayı uzun çatlak ilerlemesine ve β Ti alaşımları ise düşük çatlak ilerlemesine sahiptir. Ancak, α/β ve β Ti alaşımlarının kopma dayanımları α Ti alaşımlarına nazaran yüksektir. Dolayısıyla implant uygulamalarında yarı kararlı β Ti alaşımları tercih edilir duruma gelmiştir (Long ve Rack, 1998; Zeren vd., 2001). Yaklaşık kemikte 4-10 kat daha yüksek elastisite modülüne sahip Ti-6Al-4V alaşımına alternatif olarak Ti-15Mo-5Zr-3Al, Ti-12Mo-6Zr-2Fe (TMZF), Ti-35Nb- 5Ta-7Zr (TNZT) ve Ti-13Nb-13Zr alaşımları, çoğu durumda TM teknolojisi ile imal edilmektedir (Benerje vd., 2004; Wen vd., 2006). Ti-6Al-4V alaşımının mekanik özellikleri termo-mekanik prosese karşı oldukça duyarlıdır. Bu alaşımın mekanik özellikleri, öncelikli olarak tane boyutuna, dönüşüm oranına ve morfolojisine bağlıdır (Zeren vd., 2001). Maksimum kırılma tokluğu ve yorulma çatlağı ilerleme oranı yeniden kristalleşme ısıl işlem sonrası Widmanstatten mikroyapısıyla elde edilebilmekte ve yorulma çatlağı oluşumunu önlemek için bu dönüşüme uğramış bir iç yapı tercih edildiği ileri sürülmektedir (Zeren vd., 2001). Kaba taneli eşeksenli ve tamamen lamelli yapı servis ömrünü azaltmaktadır. Ortopedik implant malzemeleri için ağırlık kadar çekme mukavemeti/yoğunluk (özgül mukavemet) değeri önemli bir unsurdur. Geleneksel implant malzemeleriyle özgül mukavemetlerinin karşılaştırılması Çizelge de verilmiştir. Çizelge Bazı implant malzemelerin özel mukavemet değerleri Malzeme Çekme Mukavemeti/yoğunluk Akma Mukavemeti/yoğunluk Ti-5Al-2.5Fe c.p. Titanyum Ti-6Al-4V Ti-6Al-7Nb L CoCrMo Titanyum Alaşımlarının Korozyon Davranışları ve Biyouyumlulukları İnsan vücudu, normal koşullar altında 7.4 ph değerine sahip % 0,9 oranında NaCl içeren vücut akışkanlarına sahiptir. Bu şartlarda, korozyona dirençli malzemeler, Ti ve Ti alaşımları, niyobyum, tantalyum ve 316L paslanmaz çelik olarak 46

62 değerlendirilmektedir (Leyens ve Peters, 2003). Ancak, metalik implantlar, implanttan metalik iyonların serbest bırakılmasından kaynaklanan yerel olumsuz doku reaksiyonlarına ve alerjik reaksiyonlara maruz kalarak hasar görmektedir. Bir başka kapsamda, vücut sistemi içerisinde oluşan korozyon ile, kemiği çevreleyen dokularda iyon salınımı ve implant metalde elektron geçisi meydana gelmektedir. Dokulardaki iyon akışı hücrelerin fiziksel hareketlerini sınırlar. İmplantın inorganik reaksiyonu vücut akışkanı ile diğer organlara iletilerek implantasyon bölgesinde toxic oluşumuna sebep olmaktadır. Toxicler kas ve dokularda alerji eğilimini arttırır ve implantasyon bölgesinde aşırı ağrılara neden olmaktadır (Leyens ve Peters, 2003). Korozyon, malzeme yüzeyinden başlayan ve malzeme derinliklerine doğru kimyasal veya elektrokimyasal reaksiyonlarla, malzemenin değişikliğe uğraması veya aşınması olayıdır. Vücut içerisindeki protez malzemesi olarak kullanılan metaller içinde aynı durum söz konusudur. Dokularda korozyon üretim stabilite faktörü önemli çözünemeyen oksitler üreten Ti ve Ta, Nb ve Zr gibi birkaç alaşımın kullanılmasını sınırlandırmaktadır. Ancak yeni imalat teknolojileri, implant imalatında bu elementlerin sınırlı ve elverişli kullanımına imkân vermektedir. Çoğu durumda, oksidasyon sonucu oluşan pasif tabakanın oluşturduğu mekanik hasardan kaçınmak için, implant yüzeyleri TiN, TiAlN gibi sert tabakalarla kaplanmaktadırlar. Bu tabakanın biyolojik uyumlu olduğu ve vücut içerisinde implantta muhtemel oluşabilecek fretting, erozyon ve adheziv-abraziv aşınmasını yavaşlattığı rapor edilmektedir (FZR, 2006). Ancak, kaplama tabakasında mikro çatlakların oluşması durumunda da korozyon dayanımı önemli oranda azalmaktadır. Diğer bir korozyona dayanımını arttırma yöntem ise, Ti malzemesinin yüzeyleri nitrojenin iyon implantasyonu ile sağlanabilmektedir. Bu sayede, alaşım yüzeylerinin yorulma dayanımı arttırılmakla birlikte fretting davranışlarının ve erozyon aşınma dayanımının iyileştirildiği ileri sürülmektedir (Leyens ve Peters, 2003). Genellikle saf Ti toxic içermez ve bazı Ti alaşımları (Ti-6Al-4V, Ti-6Al-7Nb gibi) insan doku ve kemiğinde biyolojik uyumluluk içerisindedir (Albrektsson vd., 1983). Özellikle, Ti-6Al-4V, Ti-6Al-7Nb, Ti-35Nb-5Ta-7Zr ve Ti-5Al-2,5Fe gibi korozyona dayanımı yüksek Ti alaşımları kalp kapakçık parçaları, yüksek yük 47

63 taşıyan kalça ve diğer kemik implantasyonlarında yaygın olarak kullanılmaktadırlar. Vücut akışkanları değişik organik akışkanları içerir ve Ti bu akışkanlarla bağışık olmasının yanı sıra Ti implantların yoğunluk olarak kemiğe yakın olması da önemli bir seçim kriteri olmuştur. Ti, Ta ve Nb elementlerin oluşturduğu koruyucu yüzey tabakalarınının izolasyon etkisi meydana getirdiği ve bu elementlerden imal edilen alaşımlar biyouyumlu malzeme olarak rapor edilmektedir (Leyens ve Peters, 2003). Bu izolasyon etkisi, vücut sisteminde oluşan iyon salınımlarını engelleyebilmektedir. Diğer yandan, TiO 2, Nb 2 O 3 gibi oksit karakterleri suyun oksit karakterine benzeş olarak nitelendirilmekte ve bu oksitlerin kas, doku ve vücut sistemi tarafından fark edilemez olduğu iddia edilmektedir (Leyens ve Peters, 2003). TiO 2 tabakanın diğer çelik esaslı malzemelerle kıyaslandığında, kemik-implant arayüzeyinde biyouyumluluğu artırdığı rapor edilmektedir (Albrektsson vd., 1983). Bazı biyomalzemeler için biyouyumluluk davranışı, oluşturdukları toxic seviyesiyle, implantasyon bölgesindeki hücrelerin ölümü veya hayatta kalma oranı ile belirlenmektedir. Bir araştırmanın deneysel sonuçlarına göre cp Ti ve Ti alaşımları diğer malzemelere nazaran daha yüksek hücre yaşatma oranına sahip olduğu Şekil de verilmiştir. Şekil Değişik implant malzemelerinin toz süspansiyon içerisinde L132 hücrelerinin hayatta kalma oranları (Leyens ve Peters, 2003). Ti alaşımları vücut içerinde yaklaşık % 90 hücre yaşatma oranına sahip iken, paslanmaz çelik yaklaşık % mertebesinde hücre yaşatmaktadır. Bu ise, Ti alaşımlarının biyouyumlu olmalarının bilimsel bir tespiti olmaktadır. 48

64 Titanyum Toz Metalürjisi Endüstriyel uygulamalarda titanyum, üretilmesi zor ve pahalı malzeme olarak nitelendirilmektedir. Buna rağmen son zamanlarda, Ti ve alaşımlarının özgül özelliklerinden dolayı seçilmesi zorunlu hale gelmiştir. Özellikle Ti nin geniş kompozisyondaki alaşımlarının döküm yöntemleri ile imal edilememesi, malzeme içerisinde segregasyon problemlerine ve üretilmesi halinde de işleme zorluklarına neden olmaktadır. Bu problemlerin çözümü ve maliyetlerin düşürülmesi için, toz metalürjisi yöntemi önerilmektedir. (ASM, 1998; Donachie, 2000). Ti nin TM ile imal edilmesindeki ilk avantaj, döküm sırasında homojen yapının elde edilmesi için homojenleştirme ısıl işlemi, talaşlı işleme ve birleştirme gibi ikincil operasyonların ortadan kaldırılmasıdır. Ancak, titanyum toz metalürjisi ile imal edilen parçalarda oksitlenme, saflık ve değişik istenmeyen impüritelerin oluşması gibi önemli sınırlılıklar da mevcuttur. Oksitlenme özellikle TM parçalarda istenmeyen bir olgudur ve parçaların yorulma ömrünü azaltır. Ti tozları elementel olarak hazırlanması ve sinterleme aşamasında oksijenle kolayca reaksiyona girebilen reaktif bir malzeme olup, karıştırma, sıkıştırma ve sinterleme gibi TM süreçlerinin optimum olarak seçilmesi gerekmektedir. Ti tozları, üretim metotlarına göre µm partikül büyüklüğü arasında değişmektedir. Genel olarak TM Ti alaşımları, elementel ya da ön alaşımlandırılmış tozlardan üretilir. Yüksek mukavemetli Ti alaşımlarının imal edilebilmesi için, köşeli yapıya sahip ve ön alaşımlandırılmış tozlar ile, rijit kalıp içerisinde tek/çift etkili sıkıştırma ile yaklaşık MPa yükleme basıncında % ham yoğunluğa erişilebilmektedir (Froes vd., 1985). Ancak, aynı ham yoğunluk değerinin sağlanması, gözenekli yapının azaltılması, homojen ve her yönde aynı mekanik özelliklerin sağlanması için izostatik sıkıştırma ve MPa sıkıştırma basıncı önerilir (Frary vd., 2003). Elementel olarak hazırlanmış Ti tozlarından oluşturulan yapılar, önalaşımlandırılmış tozlara göre düşük özellikte ve düşük maliyettedir. Ti ve Ti alaşımı tozlarının sinterlenmesi, vakum ortamında tavsiye edilmesiyle birlikte koruyucu atmosfer ortamına sahip tüp fırınlarda da 49

65 gerçekleştirilebilmektedir. Vakum ortamında sinterlemede, sistemin ısınması sırasında oluşan gazların dışarı atılması için gerekli donanımın sağlanması, 133 MPa vakum değerine çıkılması ve yaklaşık 1250 o C sıcaklıkta 1-4 saat bekletilmesi tercih edilmektedir (ASM, 1998; Güden vd., 2005). Argon koruyucu atmosferde sinterleme durumunda ise, yaklaşık o C sıcaklıkta ortalama iki saat süre ile bekletilmesi önerilmektedir (ASM, 1998). TM yöntemiyle imal edilen bazı Ti alaşımlarının özellikleri Çizelge 1.12 de verilmiştir. Çizelge TM ve Döküm Ti alaşımlarının mekanik özelliklerinin karşılaştırılması (ASM, 1998). Ürün ve Üretim Metodu Alaşımsız Ti Döküm TM Ti-%Al-2.5Sn Döküm TM Ti6Al-4V Döküm TM Yoğunluk (%) Çekme Mukavemeti (MPa) Akma Mukavemeti (MPa) % Uzama % Kesit Daralma TM tekniği ile, mukavemetli-yoğun Ti İmplant malzemelerinin imal edilebilmesinin yanı sıra porozlu malzeme karakterizasyonlarının oluşturulması mümkündür. Kemik yapıları yoğun ve gözenekli olmak üzere farklı yapılara sahiptir. Dolayısıyla, implant uygulamalarında porozlu kemiğe uygun özelliklere sahip malzeme imal etmek, ancak TM tekniği ile sağlanabilmektedir. Örneğin kortikal kemiği için, % gözenek oranına sahip Ti-30Ta alaşımı, kemiğe çok yakın elastisite özelliği gösterdiğinden dolayı tercih edilmektedir. Ti-13Nb-13Zr, Ti-15Mo-5Zr-3Al, TMZF, TNZT ve Ti- 6Al-7Nb gibi geniş alaşım sistemine sahip ve kemikle uyumlu Ti alaşımlarını imal edebilmek için, TM metodunun kullanılması zorunludur. Bu alaşımların elementel olarak hazırlanması, sıkıştırma ve sinterleme koşullarının değiştirilmesi sayesinde, değişik kemik yapılarına uygun yoğunluk ve mekanik özelliklere sahip karakterizasyonların sağlanması da mümkündür. Bu durumda implant uygulamalarında TM tekniği ile, geniş alaşım sistemlerine sahip Ti alaşımlarının 50

66 mekanik, fiziksel, tribolojik ve metalürjik özelliklerinin değiştirilebilmesi veya istenilen durumda imal edilmesi sağlanabilmektedir. 51

67 2. KAYNAK ÖZETLERİ Bu bölümde, literatürde oldukça sınırlı olan TM yöntemiyle imal edilen Ti alaşımı ve diğer implant malzemeleri ile ilgili literatür araştırması yapılmış olup, özet şeklinde aşağıda verilmiştir. Taddei vd. (2004) ortopedik amaçlı implantlar için yeni titanyum alaşımlarının üretilmesi konulu makalesinde, Ti35Nb7Zr5Ta alaşımını toz metalürjisi yöntemiyle imal etmişlerdir. Çalışmalarında, bu alaşımı içeren tozların % ağırlıkları tespit edilerek elementel karıştırma yapıldıktan sonra, tek eksenli ve soğuk izostatik sıkıştırma yapmışlardır. Başlangıç tozları, 4 gr ve konik karıştırıcıyla 15 dakika süre karıştırma sonrası 60 MPa basınçta tek eksende soğuk olarak ilk sıkıştırma sonrası vakum ortamında izostatik preste, 30 s süreyle 300 MPa basınçta presleyerek ham yoğunluk kazandırmışlardır. Sinterleme ise, o C de vakum ortamında 20 0 C/dak. ısıtma hızında bir saat süre ile gerçekleştirilmiştir. Çalışmalarında, sinterleme sıcaklığının, mikroyapıya etkileri deneysel olarak incelenmiştir. Mikroyapı karakterizasyonu için, elektron mikroskobu ve vickers sertlik değerleri kullanılmıştır. Arşimet metodu ile yoğunluk ölçümleri yapılmıştır. Sinterleme sıcaklığının artmasıyla, Ti matriste alaşım elemanlarının komple çözünmesi, mikroyapıda homojen bir mikroyapı ve yoğunlukta da artış gözlemlemişlerdir. Düşük sinterleme sıcaklıklarında β kararlaştırıcı sistemin yoğunlaşmasıyla arzu edilen Widmanstetten (α+β) yapıyı elde etmişlerdir. Ti matriste, Nb ve Ta partiküllerinin 1300 o C sinterleme sıcaklığında bir miktar çözünmesi ile β fazının oluşumu için yeterli olduğunu ancak 1500 o C sinterleme sıcaklığında difüzyon mekanizmasının daha etkili bir şekilde geliştiğini bildirmişlerdir. Numunelerin mikrosertliğini yaklaşık 350 HV mertebesinde ölçmüşlerdir. Yüksek Ti içerikli alanlar sinterleme sırasında düşük kütle transferi prosesinden dolayı, küçük gözeneklerin oluştuğunu metalografik çalışmalarıyla belirlemişlerdir. Oluşan iç gözeneklerin, osteintegrasyon şartı için önemli olduğunu ileri sürmektedirler. Santos vd. (2005), TM yöntemi ile düşük elastisite modülüne sahip Ti alaşımının imal edilmesi konulu çalışmalarında, uzay ve medikal alanda sıklıkla kullanılan 52

68 Ti35Nb alaşımında, sinterleme sıcaklığının mikroyapı ve yoğunluk değişimine etkisini incelemişlerdir. Başlangıç tozları hidrojenize yöntemiyle elde etmişlerdir. Alaşım elementlerinin % ağırlıkları belirlenmiş ve konik karıştırıcıda 15 dakika karıştırdıktan sonra tek eksenli olarak 80 MPa sıkıştırma basıncıyla preslemişlerdir. İlk sıkıştırma sonrası 300 MPa basınç ile 30 dakika süre soğuk izostatik sıkıştırma yapıldıktan sonra 10-6 torr vakum ortamında 20 o C/dakika ısıtma soğutma hızında 900, 1000, 1100, 1200, 1300, 1400, 1500 ve 1600 o C farklı sıcaklıklarda bir saat süreyle sinterleme yapmışlardır. % 70 ham yoğunluğun, vakum ortamında o C sıcaklık aralıklarında sinterlenen numuneler içerisinde, 1500 o C sıcaklığın üzerinde sinterleme koşullarında, % mertebesinde sinterlenmiş yoğunluğa erişildiği ileri sürülmektedir. Bu alaşım için, sinterleme sıcaklığının artmasıyla, mikro sertliğin ve yoğunluk değerinin arttığı bununla birlikte homojen mikroyapının elde edilebildiğini ortaya koymuşlardır o C sıcaklığın üzerinde sinterlemede Widmanstatten yapının oluşmaya başladığı ve sinterleme süresinin artması ile de, hızlı tane oluşumun gerçekleştiğini metalürjik çalışmalarla tespit etmişlerdir. Henriques vd. (2005), toz metalurjisi yöntemi ile implant olarak sıklıkla kullanılan ancak ileri uzay sistemleri için Ti-6Al-4V ve Ti-13Nb-13Zr alaşımlarının imal edilmesi ile ilgili çalışma yapmışlardır. Elementel olarak hazırladıkları Ti alaşımı tozlarını tek etkili olarak 80 MPa basınçta 20 mm çapındaki kalıp içerisinde sıkıştırma yaptıktan sonra 300 MPa basınç altında 30 dakika süre ile soğuk izostatik sıkıştırma yaparak ham briket haline getirmişlerdir. Sıkıştırma işleminden sonra, 10-6 torr vakum ortamında 20 o C/dakika ısıtma-soğutma hızında 900, 1000, 1100, 1200, 1300, 1400, 1500 ve 1600 o C sıcaklıkta bir saat süreyle sinterleme yapmışlardır o C sıcaklık aralığında vakum ortamında sinterlemenin mikrosertlik ve mikroyapı üzerine değişimlerini incelemişlerdir. Mikroyapı analizleri için Kroll çözeltisi olarak adlandırılan (3 ml HF, 6 ml HNO 3 ve 100 ml H 2 O) dağlama sıvısını kullanmışlardır. Tek eksenli sıkıştırma sonrası % mertebesinde elde ettikleri ham yoğunluk değerinin, soğuk izostatik sıkıştırma ve sinterleme sonrası % teorik yoğunluğa ulaşılabildiğini ileri sürmektedirler. Bu Ti alaşımları için, sinterleme sıcaklığının artması ve ısıtma hızının azalmasıyla Widmanstatten mikroyapı dönüşümün arttığını ortaya koymuşlardır o C sıcaklığın altındaki 53

69 sinterleme şartlarında düşük sertlik değeri ve homojen olmayan mikroyapı oluştuğunu da tespit etmişlerdir. Özellikle, Ti-6Al-4V alaşımında α/β Widmanstatten yapının 1000 o C sinterleme sıcaklığında başladığını ve 1300 o C sinterleme sıcaklığından sonra V ve Nb β kararlaştırıcı elementlerin tamamen yapı içerisinde çözündüğünü mikroyapı çalışmalarında ortaya koymuşlardır. Choubey vd. (2005), değişik Ti alaşımlarının aşınma davranışlarını, fretting temas koşullarında vücut akışkan sıvısına benzer yağlayıcı ile deneysel olarak incelemişlerdir. Biyomalzeme olarak Ti-6Al-4V, Ti-5Al-2.5Fe, CP Titanyum, Ti- 13Nb-13Zr ve Co-28Cr-6Mo alaşımlarını seçtikleri bu çalışmada, pin malzemesi olarak seçtikleri çeliğe karşı, malzeme kaybı (yer değiştirme) ve sürtünme katsayılarını ölçmüşlerdir. Numunelerin aşınma karakteristiklerini, 10 N yükleme koşullarında ve her 2000 devirde sürtünme katsayısı ve aşınma miktarı ölçümü yaparak ve toplam devir kayma mesafesi sonrası belirlemişlerdir. Sonuç olarak, Ti-5Al 2.5Fe alaşımının diğer alaşımlara nazaran daha düşük sürtünme katsayısına sahip olduğunu tespit etmişlerdir. Özellikle Ti-6Al-4V, Ti 13-Nb-13Zr ve CP Titanyum alaşımlarında abraziv ve erozyon aşınma mekanizmalarının oluşumu sonucunda yüzeylerden talaş kalkması şeklinde gerçekleştiğini metalürjik analizlerinde ortaya koymuşlardır. Co alaşımının Ti alaşımlarına nazaran daha fazla aşındığını da ileri sürmektedirler. Sakaguchi vd. (2005), Ti-30Nb-XTa-5Zr alaşımının mekanik özellikleri üzerine Tantal ın etkisini araştırmışlardır. Biyomalzeme uygulamaları için hazırladıkları Ti alaşımına % 0-20 mertebesinde Ta ilavesini toz metalürjisi metodu ile sağlamışlardır. Ta ilavesini sırasıyla %0, %5, %10, %15 ve %20 miktarlarında Ti-30Nb-5Zr alaşımına ilave ederek, 40 mm çapında 100 mm uzunluğunda ham numuneler, soğuk izostatik sıkıştırma yaptıktan sonra 1300 o C sıcaklıkta 1, Pa vakum ortamında sinterlemişlerdir. Ayrıca, her sinterlenmiş numuneyi 963 o C sıcaklıkta dövme işlemine tabi tutmuşlardır. Numunelerde dövme sonucu oluşan iç gerilmeleri, 850 o C sıcaklıkta ısıl işlem yaparak hava ortamında soğutma işlemi ile minimize etmişlerdir. Ürettikleri numuneler üzerinde, çekme deneyi yaparak Ta ilavesinin çekme mukavemeti ve elastisite modül üzerine etkisini deneysel olarak belirlemişlerdir. % 54

70 0-10 oranlarında Ta ilavesinin elastisite modülünü ve çekme mukavemetini düşürdüğünü, % mertebesinde Ta takviyesinin ise, çekme mukavemeti değerini önemli oranda arttırdığını tespit etmişlerdir. Ayrıca % 10 ilavenin üzerinde Ta ilavelerinin, % boyut uzama değerini düşürerek yapıyı gevrekleştirdiğini ve % 10 un altındaki Ta ilavesinin ise tokluğu arttırdığını ileri sürmektedirler. Ta ilavesinin artmasıyla β dönüşümünün arttığının metalografik analizleri ile tespit etmişlerdir. Kurgan (2005), TM paslanmaz çelik implantların üretimi ve teknolojik özellikleri üzerine yaptığı doktora çalışmasında, AISI 316L paslanmaz çelik malzemesini oluşturan elementlerden, toz metalürjisi yöntemiyle taslak implant numunesi üretmiştir. Tozlar tek etkili preste 800 MPa basınç altında soğuk preslenmiştir. Ham briketler, 1200 o C, 1250 o C ve 1300 o C olmak üzere üç farklı sıcaklıkta ve atmosfer kontrollü azot koruyucu gaz altında sinterlenmiştir. İmal edilen numunelerin mekanik özelliklerinin belirlenmesi için, mekanik deneyler yapmıştır o C sıcaklıkta, 30 dak. süre ile sinterlenen numunelerin daha iyi mekanik özelliklere sahip olduğunu ortaya koymuştur. Sinterleme sıcaklığının artmasıyla, yapıdaki küçük gözeneklerin kaybolduğunu, gözenek geometrisinde de yuvarlanma meydana geldiğini metalografik çalışmalarla belirlemiştir. Niinomi (1998), biyomedikal Ti alaşımlarının mekanik özellikleri konulu yaptığı makalesinde, yeni geliştirilen Ti alaşımlarının mekanik özelliklerini araştırmıştır. Çalışmasında, Ti-6Al-4V, Ti-5Al-2.5Fe ve Ti-6Al-7Nb gibi geleneksel Ti alaşımlarına nazaran, Ta ve Zr gibi toxic içermeyen elementlerin ilavesiyle üretilen β Ti alaşımlarının mekanik özellikleri üzerine yoğunlaşmıştır. β Ti alaşımlarının elastisite modülünün, α/β Ti alaşımlarına nazaran çok daha düşük olduğunu ileri sürmektedir. Ayrıca, kopma dayanımının α Ti alaşımlarından β alaşımlarına doğru arttığını da ortaya koymuştur. Ti-6Al-4V ELI ve Ti-5Al 2.5Fe alaşımlarında, implantasyondan sonra mikrosertlik değerinin rijitlik gösterdiği vurgulanmıştır. Ti alaşımlarının, 316L paslanmaz çeliğe nazaran yaklaşık iki kat daha fazla sertliğe sahip olduğunu ve vücut içerisinde daha iyi aşınma performansı göstereceğini bildirmiştir. 55

71 Iijima vd. (2003), diş protezi için Ti ve Ti-6Al-7Nb alaşımlarının aşınma davranışlarını incelemişlerdir. 5 N yükleme ve 2 Hz kayma hızıyla yapılan aşınma testlerinde, numune yüzeyleri % 0.9 luk tuz çözeltisi ile yağlanmış ve aşınmayı ağırlık kaybı olarak nitelendirmişlerdir. Bu koşularda yapılan aşınma testleri sonucu, Ti-6Al-7Nb alaşımında CP-Ti Grade 2 ve 3 alaşımlarına nazaran çok daha düşük ağırlık kaybı meydana geldiğini tespit etmişlerdir. Aşınma yüzeylerinde yaptıkları metalografik çalışmalar sonrası, Ti-6Al-7Nb alaşımında diğer Ti alaşımlarına nazaran daha küçük aşınma yüzeylerinin oluştuğu da ileri sürülmektedir. Kuroda vd. (2005); yeni Ti-Fe-Ta-Zr alaşımlarının mikroyapıları ve mekanik özellikleri üzerine yaptıkları çalışmada, çekme testleri, sertlik ölçümleri ve korozyon dayanımı deneyleri yapmışlardır. Çalışmalarında Ti-8Fe-8Ta-4Zr, Ti-8Fe-8Ta, Ti- 6Al-4V, Ti-6Al-7Nb ve Ti-10Fe-10Ta-4Zr alaşımlarının belirlemişler ve bir grup numuneye soğuk dövme, diğer kısmına yaşlandırma işlemini uygulamışlardır. Tüm alaşımlarda, yaşlandırma süresinin mikro sertliği arttırdığını ve Zr içerikli alaşımların uzun süreli yaşlandırma işlemi gerektirdiğini tespit etmişlerdir. Zr içerikli alaşımların diğer alaşımlara nazaran daha yüksek kopma dayanımına sahip olduğunu da ileri sürmektedirler. İmal ettikleri Zr ve Ta içerikli yeni Ti alaşımlarının korozyon dayanımlarının, geleneksel Ti-6Al-4V ELI alaşımına nazaran yüksek olduğunu belirtmişlerdir. Bu sayede, imal ettikleri Ti-8Fe-8Ta ve Ti-8Fe-8Ta-4Zr alaşımlarının yeni biyomalzeme olabileceğini iddia etmektedirler. Vinicius vd. (2001), toz metalürjisi yöntemiyle Ti-6Al-7Nb alaşımının üretilmesi ile ilgili bir çalışma yapmışlardır. Elementel olarak hazırladıkları Ti-6Al-7Nb toz karışımını, soğuk, sıcak sıkıştırma ve soğuk isostatik sıkıştırma olarak farklı proseslerde sıkıştırma yapmışlardır. Üç farklı numune, birincisi 40 MPa basınçta soğuk sıkıştırma, ikincisi 300 MPa basınçta 30 saniye süreyle CIP ve üçüncü numuneyi ise 10-2 torr vakumda MPa basınçta, o C sıcaklık aralığında sıcak sıkıştırma yapmışlardır. Üç farklı sıkıştırma işleminin sertlik ve mikroyapı değişimi üzerine etkisini araştırmak için metalografik inceleme yapmışlardır. Sonuç olarak, sinterleme sıcaklığının artmasıyla sertlik değerinin azaldığını bildirmişlerdir. Sıcak tek eksenli sıkıştırma sonrası numunelerde, %

72 99.8 mertebesinde yoğunluk artışıyla gözeneklerin azaldığını ve ısıtma hızının azalması, sıkıştırma sıcaklığının artmasıyla istenilen Widmanstatten yapının çok daha iyi oluştuğunu EDS analizleri ile ortaya koymuşlardır. Choe vd. (2005), Ti-6Al-4V alaşımının mekanik özellikleri üzerine tungsten ilavesinin etkilerini deneysel olarak incelemişlerdir. Ortalama 150 µm partikül büyüklüğüne sahip tozlarda imal üretilen Ti-6Al-4V alaşımına, 0,72 µm, 2 µm, 12 µm, 45 µm ve 250 µm ortalama tane büyüklüğüne sahip W tozunu ilave ederek oluşturdukları beş farklı Ti alaşımını, 379 MPa soğuk izostatik sıkıştırma yaptıktan sonra 1230 o C sıcaklıkta dört saat süre ile sinterlemeye tabi tutmuşlardır. Sinterleme sonrası numunelere, 900 o C sıcaklıkta 100 MPa basınçta iki saat süre ile sıcak izostatik sıkıştırma uygulamışlardır. Çalışmalarında toz metalürjisi yöntemiyle, Ti- 6Al-4V alaşımına farklı W tozu büyüklüğündeki ilavelerde, W tane boyutunun artmasıyla sertlikte önemli artışın sağlandığı ve 0,72 2µm partikül büyüklüğüne sahip W takviyesinde maksimum kopma dayanımı gözlemlemişlerdir. 0,72 2 µm mertebesindeki W ilavesi ile sertlik artışından dolayı, aşınma dayanımında önemli bir artışının sağladığını ortaya koymuşlardır. 45 µm partikül büyüklüğüne sahip W tozlarının yapıda tamamen çözündüğü, µm partikül büyüklüğüne sahip W ilavesinde ise bazı bölgelerde tamamen çözünmediği ileri sürülmüştür. Mikroyapıda tamamen çözünmeyen W takviyeli Ti-6Al-4V alaşımının kopma dayanımı, 0,72 2 µm mertebesindeki W ilavesi ile elde edilen Ti alaşımına göre yaklaşık % 13 oranında düşük olduğunu deneyler ile tespit etmişlerdir. 250 µm mertebesindeki W ilave edilen alaşımın, çekme sırasında iç gözenekden dolayı kırılgan karakter gösterdiği ve 2 µm büyüklüğündeki W takviyesi ile oluşturulan alaşımın daha homojen yapıda olduğu metalografik çalışmalar sonrası tespit etmişlerdir. Tüm malzemeler için, basma deformasyonu yüksek pekleşmeye ve 1500 MPa ın üzerinde basma gerilemelerine, çekme deformasyonunun ise düşük pekleşme oluşturduğunu ortaya koymuşlardır. Güden vd. (2005), biyomedikal uygulamalar için Ti-6Al-4V toz metal kompaktların basma testleri çalışmasında, numunelerin kimyasal kompozisyonu ASTM 1 standardına göre ve atomize yöntemiyle üretilmiş mikron partikül 57

73 büyüklüğüne sahip tozlardan hazırlamışlardır. 15 mm çapında ve 10 mm uzunluğunda ham briketler, oda sıcaklığında 400 MPa basınçta ve PVA solüsyonunda (hacmin %10 u), % 10 bağlayıcı malzeme kullanılan toz karışım preslenerek elde edilmiştir. Sıkıştırma sonrası, 5 o C/dak. ısıtma ve soğutma hızında 1200 o C sıcaklığına ulaşılmış ve bu sıcaklıkta iki saat süreyle %99,99 saflıktaki atmosferde, sıkıca kapatılmış dikey tüpler içerisinde sinterlemişlerdir. Bağlayıcıların yanması ise, 450 o C sıcaklıkta 0,5 saat süreyle ısıtılarak gerçekleştirilmiştir. Quasistatik basma testleri üniversal çekme-basma cihazında gerçekleştirmişlerdir. Basma işlemini, 1.6x10 3, 1.6x10 2 ve 1.6x10 1 üç farklı gerinim hızında yapmışlardır. Basma deneylerinde, TM Ti6Al4V numunelerin yüksek basma hızlarındaki davranışları incelenmiştir o C sıcaklıkta sinterlenen numunelerin içyapısı, iğnemsi yapıdan Widmanstatten yapıya dönüştüğünü SEM analizleri ile göstermişlerdir. Yüksek gerinim hızında gerçekleştirilen quasi-statik deneylerde, numuneler diyagonal eksen boyunca kesme bandı şeklinde karakter göstermiştir. Deformasyon hızının artmasıyla basma mukavemeti ve akış gerilmelerinin her ikisi de arttığını bildirmişlerdir. Taneler arası bölgelerde boşluk birleşimi ile mikro çatlaklıklar ve sünek bölgelerde kırılmalar meydana geldiğini ortaya koymuşlardır. Bakan vd. (2002), enjeksiyonda kalıplanmış 316L tozların sıvı faz sinterlemesi üzerine yaptığı çalışmada, Nikelbor (NiB) ve Bor (B) katkılarının preslenmiş 316L tozların sıvı faz sinterlemesine olan etkilerini sistematik olarak incelenmiştir. NiB katkılı numunelerde 1285 o C sıcaklıkta sinterlenmesi ile 7,9 g/cm 3 sinterlenmiş yoğunluk değerine ulaşılabildiğini ileri sürmektedirler. B katkılı numuneler de ise, 1245 o C de sinterleme sıcaklığında, 7,9 g/cm 3 yoğunluk değerlerine ulaşılabildiğini bildirmişlerdir. NiB ilavesinin sinterleme sıcaklığı B ilavesine göre daha yüksek seçilmiştir. NiB katkısının, özellikle çekme dayanımı ve % uzama değerlerinde belirgin artış sağladığını, B katkısının % uzama miktarını düşürdüğünü deneysel olarak tespit etmişlerdir. Bu farklılığın, B katkılı numunelerin mikroyapısında süreklilik gösteren çökelti partikülleri ile NiB katkılı numunelerinin mikroyapısında gözlenen süreklilik göstermeyen çökelti partiküllerinin sonucu olarak ortaya çıktığını ileri sürmektedirler. 58

74 Akdoğan (1998), Ti-6Al-4V alaşımının biyokorozyon ve biyouyumluluk özelliklerinin araştırılması üzerine bir çalışma yapmıştır. Biyouyumluluk ve biyokorozyon deneyleri vücut ortamına yakın şartlarda incelenmiştir. Normal ve aşınmalı korozyon deneyleri sonundan numunelerin elektrolite bıraktıkları aşınma atıkları analiz edilmiştir. İncelemeler sonunda, 900 o C sıcaklıktaki tuz banyosunda 5 saat süreyle yüzeyi sertleştirilen numuneler, sertleştirilmeyen numunelere göre çok daha az aşınma gösterdiğini ortaya koymuştur. Dolayısıyla yüzeyi sertleştirilen numunelerin, biyomalzeme olarak daha üstün performans gösterdiğini belirtmiştir. Hsiung ve Nieh (2004), TM TiAl alaşımlarının özellikleri ve mikroyapıları çalışmasında, Ti-47Al-2Cr-2Nb, Ti-47Al-2Cr-1Nb-1Ta ve Ti-47Al-2Cr-1Nb-0,8Ta- 0,2W-B alaşımlarını incelemişlerdir. Alaşımlar sıcak extürüzyonla birlikte toz metalürjisi yöntemiyle üretilmiştir. Numuneler, 200 mesh büyüklüğündeki gaz atomize metoduyla üretilen TiAl tozları, 1150, 1250 ve 1400 o C üç farklı sıcaklıkta extürüzyon işlemi ile kombineli toz metalürjisi yöntemiyle üretilmiştir. Numunelere, extürüzyon sonrası 900 o C sıcaklıkta 10-4 vakumda 2 saat süreyle gerilim giderme ısıl işlemi uygulamışladır o C sıcaklıkta ve s -1 gerinim hızında çekte testi ve numuneler üzerinde metalürjik incelemeler yapmışlardır. Ayıca, 1400 o C sıcaklıkta extrüzyon yapılan numunelerde o C sıcaklıkta ve MPa gerilme durumunda sürünme deneyi yapmışlardır. Sonuçta, hazırlanan numunelerin, çoğu yarı kararlı α fazı ve süper soğutulmuş durumda β7 β2 fazında olduğunu tespit etmişlerdir. Ti-47Al-2Cr-1Nb-1Ta alaşımın yarı karalı β2 taneleri % arasında çekme uzaması ile süper plastik davranış gösterdiğini bildirmişlerdir. Çekme uzaması, 1250 o C sıcaklıkta extrüzyon yapılan Ti-47Al-2Cr-1Nb-1Ta alaşımı numunelerde, önemli oranda azalma gösterdiği ve özellikle sürünme dayanımının W ilavesiyle arttığını ileri sürmektedirler. Ti-47Al-2Cr-1Nb-0,8Ta-0,2W-B ve Ti-47Al- 2Cr-2Nb alaşımlarının benzer sürünme dayanım karakteristik gösterdiği, Ti-47Al- 2Cr-1Nb-1Ta alaşımının diğer iki alaşıma göre sürünme dayanımın önemli oranda yüksek olduğunu tespit etmişlerdir. Godfrey vd. (1999), mekanik alaşımlandırılmış Ti6Al4V alaşımına bor ilavesinin çekme özellikleri ve mikroyapı üzerine etkisini incelemişlerdir. Plazma döner 59

75 elektrot yöntemiyle üretilen Ti-6Al-4V alaşımına, elementel olarak sırasıyla % 0, %0.1, % 0.5, % 1, ve % 2 bor tozu ilave etmişlerdir. Hazırlanan altı farklı kimyasal kompozisyondaki Ti alaşımı tozlar, 25 mm çapındaki saf Ti kutulara konularak, 500 o C sıcaklıkta 150 MPa basınçta iki saat süreyle HIP metoduyla preslendikten sonra 850 o C sıcaklıkta 150 MPa basınçta iki saat süreyle tekrar preslenmiştir. Numunelerden elektro erozyon yöntemiyle 2 mm lik dilimler halinde numune hazırlanmıştır. Bu numunelerin ikisini, 950 o C sıcaklıkta ve diğer ikisini 1050 o C sıcaklıkta iki saat süreyle hava ortamında soğutarak ısıl işleme tabi tutmuşlardır. Diğer kalan numuneleri ise, sırasıyla 900, 950 ve 1000 o C sıcaklıkta iki saat süreyle fırın ortamında soğutarak ısıl işleme tabi tutmuşlardır. Isıl işlemlerin tane büyüklüğü ve β dönüşümünü nasıl etkilediğini metalografik çalışmalar sonrası belirlemişlerdir. Bütün bor ilavelerinin ve 500 o C sıcaklıkta HIP uygulanan numunelerde 3x10-3 s -1 gerinim hızında çekme deneyi yapmışlardır. SEM analizlerinde, gözenek miktarının oldukça düşük olduğunu ve eşeksenli bir mikroyapı oluşturduğunu ortaya koymuşlardır. % 0.1 B düşük bor ilavesi ile Ti-6Al- 4V alaşımı benzer mikroyapı karakteristik göstermesine rağmen, tane sınırlarında ve üçlü noktada β fazı oluşumu gözlemlemişlerdir. % B takviyesi ile 5 mikron tane büyüklüğü elde edildiğini ileri sürmektedirler o C sıcaklıkta ısıl işlem görmüş numunelerde % 27 eşeksenli, %73 Widmanstatten α fazı tanelerinin oluştuğunu ve 1050 o C sıcaklığın üzerindeki ısıl işlem sıcaklıklarında tane büyüklüğünün arttığını gözlemlemişlerdir. HIP ile imal edilen ve 950 o C sıcaklıkta ısıl işlem uygulanmış numunelerde, çekme mukavemeti ve süneklikte iyileşme meydana geldiğini rapor etmektedirler. % 0,5 in üzerindeki B ilavelerinde, çekme mukavemeti ve süneklikte düşüş gözlemlemişlerdir. Bunun aksine HIP uygulanmış numunelerde % 0,5 2 ilavesi ile elde edilen düşük çekme mukavemet ve tokluk değerlerinin, ısıl işlemle iyileştirilebileceğini vurgulamışlardır. Krone vd. (2004), toz metalürjisi yöntemiyle hazırladıkları NiTi alaşımlarının mekanik davranışlarını incelemişlerdir. NiTi alaşımlarının işleme zorluklarından dolayı, implant uygulamaları için nihai ürün üretebilme üzerine yoğunlaşarak imal ettikleri numunelerin mekanik özelliklerini ve metalürjik analizlerini yapmışlardır. Önalaşımlandırılmış Ni-Ti alaşımını, % 50,85 ve % 49,55 Ni ilavesi ile A ve B grubu 60

76 olmak üzere, C grubu olarak ta % 49,5 Ni ilavesi ancak nitrojen, oksijen ve karbon impürite oranları farklı olmak üzere üç grupta incelemişlerdir. A grubunda, paslanmaz çelik HIP kapsülü içerisine doldurulan tozlar, 1065 o C sıcaklıkta, 100 MPa basınç altında üç saat süreyle preslenmiştir. HIP uygulandıktan sonra imal etikleri numuneleri tornalayarak çekme numunesi hazırlamışlardır. B grubu NiTi alaşımı tozlara, % 35 oranda organik bağlayıcı ile karıştırdıktan sonra çekme numunesi geometrisine sahip kalıp içerisine enjeksiyon uygulamışlardır. B grubu numuneleri, argon gazı ortamında 1270 o C sıcaklıkta beş saat süreyle sinterlemişlerdir. C grubu numuneler, % 35 oranda organik bağlayıcı ile karıştırdıktan sonra çekme numunesi geometrisine sahip kalıp içerisine enjeksiyon yapılmış ve daha sonra 10-4 mbar vakum ortamında 1250 o C sıcaklıkta 10 saat süreyle sinterleme yapmışlardır. HIP yapılmış ve düşük impürite oranına sahip A grubu çekme numunelerinde, yaklaşık 550 MPa çekme dayanımı ve % 2,8 gerinim kaydetmişlerdir. B grubu MIM yapılan çekme numunelerinde, 750 MPa çekme dayanımı ve yaklaşık % 1,5 gerinim elde etmişlerdir. C grubu numunelerde yaklaşık 750 MPa çekme dayanımı fakat % 3,8 gerinim ölçmüşlerdir. Sonuçlar değerlendirildiğinde, TM NiTi esaslı parçalarda mekanik özelliklerin iyileştirilmesi için, ilk olarak yüksek saflıkta toz kullanımı ve MIM yönteminin kullanılması önerilmektedir. Lin vd. (2004), Ti 7,5 Mo döküm alaşımı, CP Titanyum, Ti6Al4V ve Ti13Nb13Zr alaşımlarınının yorulma davranışlarını karşılaştırmalı olarak çalışmışlardır. Alaşımların mikroyapılarını, numune tarzında parlatma ve Kroll çözeltisi (% 80 H 2 O, % 10 HNO 3, % 5 HF) ile dağlama işlemi yaptıktan sonra X-Ray ve optik mikroskopta incelemişlerdir. ASTM E 446 standardına göre yorulma deneyi ve 8.33 x 10-6 m s -1 gerinim hızında çekme deneyi uygulamışlardır. Ti-6Al-4V alaşımının tipik α/β alaşımı olduğunu ancak çarpılmaya uğramış hegzegonal sıkı paket tarzında ve hegzegonal α fazının baskın olduğunu gözlemlemişlerdir. Ti-6Al-4V alaşımının mikroyapı incelemelerinde, nadiren görülebilen β faz tane sınırları ile iğnemsi martenzitik yapının görüldüğünü ortaya koymuşlardır. Bütün alaşımlar içerisinde en yüksek elastisite modüle sahip Ti-6Al-4V olduğunu ve kemiğe en yakın elastisite modülünün ise Zr içerikli alaşımın olduğunu tespit etmişlerdir. Cp Titanyum ve Ti- 6Al-4V alaşımlarının yorulma dayanımının, Ti 7.5Mo ve Ti-13Nb-13Zr 61

77 alaşımlarından daha yüksek olduğunu, yorulma performansı üzerine gözenek morfolojisi, mekanik özelliklerin ve döküm hatalarının etkili olduğu sonucuna varmışlardır. Archbold (1999), porozlu kaplanmış Ti-6Al-4V ELI alaşımının mekanik özelliklerine sinterleme sıcaklığının etkisi konulu yüksek lisans tezinde, µm partikül büyüklüğündeki tozları kullanarak 1250 o C, 1275 o C, 1300 o C ve 1315 o C sıcaklıklarında 10-5 torr vakum ortamında sinterleme yapmıştır. Dört faklı sinterleme sıcaklığında oluşan sinter boyun temas çapı ve alt malzeme ile kaplama arasındaki ara yüzey geometrisini elektron tarama mikroskobu ile belirlemiştir. Metalografik çalışması sonrası, yorulma ve kayma mukavemetini önemli oranda etkileyen sinter boyun temas çapının, sinterleme sıcaklığı ile arttığını tespit etmiştir o C sinterleme sıcaklığında, sinter boyun temas çapının çok daha fazla arttığını ileri sürmektedir. Ayrıca, sinter boyun temas çapının artmasıyla, yorulma ve kayma dayanımında önemli bir artışın sağlandığını bildirmiştir. TM yöntemiyle yaptığı gözenekli kaplamanın, alt malzemeden ayrılması için gerekli kayma kuvvetinin, 1250 o C sinterleme sıcaklığı ile elde edilen numunelerde 980 N, 1315 o C sinterleme sıcaklığı ile elde edilen numunelerde kayma kuvvetin 1880 N mertebesinde gerçekleştiğini kayma deneyleri ile belilemiştir. Çalışma sonrası, porozlu Ti-6Al-4V alaşımında optimum sinter boyun temas çapının ve mekanik özelliklerin elde edilebilmesi için, 10-5 vakum ortamında, o C sinterleme sıcaklığını önermiştir. Benerje vd. (2004), Ti-Nb-Zr-Ta (TNZT) ve Ti-Mo-Zr-Fe (TMZF) alaşımlarının dayanım arttırma mekanizmaları üzerine çalışmışlardır. İki elastisite modülü düşük ve özellikle implant malzemesi olarak geliştirilen β Ti alaşımlarının, yaşlandırma ve homojenleştirme işlemi uygulanmış durumda kritik mukavemet arttırma mekanizmasının gelişip gelişmediğini SEM ve TEM analizleri ile araştırmışlardır. Homojenleştirilmiş TNZT alaşımı olarak inceledikleri Ti-34Nb-9Zr-8Ta β alaşımında, elastisite modül ve sertlik değerlerindeki artışın, β kararlaştırıcı Nb ve Ta elementlerinin oluşturduğu yarı karalı β2 süper kafes sisteminin oluşması (deforme olmuş) ile gerçekleştiğini tespit etmişlerdir. Yaşlandırma işlemi 62

78 uyguladıkları TMZF alaşımı olan ve 13Mo-7Zr-3Fe kimyasal içeriğe sahip β Ti alaşımında ise, mukavemet artırma mekanizmasının homojenleştirme ısıl işleminden farklı olduğunu tespit etmişlerdir. Yaşlandırma uygulanmış TMZF alaşımında oluşan mukavemet artışını, β2 süper kafes sisteminin (deforme olmamış) yanı sıra ikincil α tanelerinin yoğunlaşması olarak nitelendirmektedirler. Yaşlandırılmış durumdaki Ti alaşımında oluşan sertlik ve mukavemet artışının (pekleşme) homojenize edilmiş duruma göre daha yüksek olduğu ve bunun nedeninin çökelmiş ince ikinci α faz taneciklerinin yanı sıra düzenli ve deforme olmamış β2 süper kafes sisteminin olduğunu belirtmişlerdir. Wen vd. (2006), biyomedikal uygulamalar için TiZr alaşımının üretimi ile ilgili çalışmalarında, %99,9 saflıktaki ve 45 µm partikül büyüklüğüne sahip Ti tozu ile 150 µm partikül büyüklüğündeki Zr tozlarını elementel olarak karıştırıldıktan sonra 66 KPa basınçta argon atmosferi ortamında mekanik alaşımlamaya tabi tutularak TiZr alaşımını imal etmişlerdir. Toz karışım 200 MPa basınçta sıkıştırıldıktan sonra 300 o C sıcaklıkta beş saat ilk sinterleme işleminden sonra 1300 o C sıcaklıkta iki saat süreyle ikinci kez sinterleme işlemi yaparak silindirik (çap 12x15mm) numune imal etmişlerdir µm gözeneğe sahip numunelerde basma deneyi uygulamışlardır. Basma deneyi sonucu olarak, TiZr köpük malzemenin elastisite modülünün kemiğe yakın değerde olduğunu kaydetmişlerdir. TiZr alaşımının, toz metalürjisi ile sağlanan gözenek yapısı ve mekanik özelliklerinin doğal kemik yapısı ile örtüştüğünü tespit etmişlerdir. Frary vd. (2003), toz metalürjisi metoduyla Ti ve Ti-6Al-4V alaşımına sırasıyla % 0, %10, %15 oranlarında W takviye ilave ederek, altı kimyasal içeriğe sahip bu alaşımların mekanik ve metalürjik özelliklerini belirlemişlerdir. Yaklaşık 125 µm Ti tozları ve 50 µm Ti-6Al-4V tozları içerisine 3 µm mertebesinde W tozu takviye ederek, önce 375 MPa basınçta CIP metoduyla preslemişlerdir. Vakum ortamında ve 1230 o C sıcaklıkta 2,5 4 saat süreyle sinterleme yaptıktan sonra, 100 MPa basınçta ve 1230 o C sıcaklıkta iki saat süreyle HIP uygulamışlardır. Bu şekilde imal ettikleri altı farklı Ti alaşımlarının 200 g yükü 10 sn süre uygulayarak mikrosertlik ölçmüşlerdir. Ayrıca, argon atmosferi altında 25, 315, 425, o C sıcaklıkta 63

79 çekme deneyleri yapmışlardır. Saf Ti alaşımında W içeriğinin artmasıyla mikrosertliğin lineer olarak arttığı, ancak Ti-6Al-4V alaşımında % 0 10 mertebesindeki W takviyesinin mikrosertliği arttırdığını, % 15 W takviyesinde ise sertlik değerini etkilemediğini tespit etmişlerdir. Oda sıcaklığında yaptıkları çekme deneylerinde ise, tüm alaşımlarda W takviyesinin artmasıyla tokluğun azaldığı ancak çekme mukavemetinin arttığını gözlemlemişlerdir. Ti/10W alaşımının Ti-6Al-4V alaşımı ile benzeş mekanik özelliklere sahip olduğu, Ti/15W alaşımının ise Ti-6Al- 4V/10W alaşımı ile benzer çekme/gerinim eğrisine sahip olduğunu tespit etmişlerdir. 315 ve 425 o C sıcaklıkta yaptıkları çekme deneylerinde, saf Ti alaşımı, W ilavesi ile oldukça kırılgan karakteristik gösterdiğini bildirmişlerdir. Saf Ti alaşımı ve W içeriklerinde, sıcaklığın etkisiyle çekme mukavemeti değerlerinde yaklaşık % 50 oranında azalma, Ti-6Al-4V alaşımı ve W içeriklerinde ise, çekme mukavemeti değerinde yaklaşık % 30 oranında azalma gerçekleştiğini ileri sürmektedirler. W elementinin, Ti ve Ti-6Al-4V alaşımları içerinde yarı çözünmüş katı eriyik durumda olduğunu SEM analizleri ile belirlemişlerdir. Ti-6Al-4V alaşımının biyomalzeme uygulamalarında, V ve Al içeriğinin istenilmeyen toxicleri oluşturabileceğine karşın, benzeş mekanik karakteristik gösteren Ti/10W alaşımı ile değiştirilebileceğini ileri sürmektedirler. Aoki vd. (2004), Ti-6Al-4V alaşımına Cu ilavesinin mekanik özelliklere etkisini incelemişlerdir. Çalışmalarında, Ti-6Al-4V alaşımına % 1, % 4, ve % 10 oranında bakır ilave ederek imal ettikleri alaşımın mekanik özellikleri ile, Cp Titanyum ve Ti- 6Al-4V alaşımının mekanik özelliklerini deneysel olarak belirlemişlerdir. Çekme testini 0.25 mm/dakika gerinim hızında ve mikrosertlik ölçümlerini ise 100 g yük 15 sn. uygulayarak yüzeyden 25 µm ve µm mertebesindeki derinlikten ölçüm alarak gerçekleştirmişlerdir. Bakır takviyesiyle sertlik değerinin arttığı, çekme mukavemetinin azaldığı ve % boyut uzamanın sıfır değerine yakınlaştığını ortaya koymaktadırlar. Ayrıca % 10 bakır ilavesindeki numunelerde kopma dayanımının çekme dayanımı değeri ile aynı olduğunu ve elastisite modülünü % 25 oranında arttırdığını, % 4 bakır ilavesi ile elastisite modülün % 26 oranında düştüğünü ispat etmişlerdir. Ti-6Al-4V ve Ti-6Al-4V/1Cu alaşımlarında sünek kırılma, Ti-6Al-4V- 4Cu ve Ti-6Al-4V-10Cu alaşımlarında ise gevrek kırılmanın oluştuğunu 64

80 metalografik çalışmalarla ortaya koymuşlardır. Ti-6Al-4V/1Cu ve Ti-6Al-4V-4Cu alaşımlarının mekanik özelliklerinin, diş implantlarında kullanılabilirliğine müsaade ettiğini rapor etmişlerdir. 65

81 3. MATERYAL VE YÖNTEM Deneysel araştırmalar için belirlenen deney planı Şekil 3.1. de verilmiştir. Deneysel Çalışmalar Alaşımların Belirlenmesi Sıkıştırma Kalıbının Tasarımı ve İmalatı TM Numunelerin Üretimi Karışım Oranlarının Belirlenmesi Karıştırma İşlemi Sıkıştırma İşlemi Sinterleme İşlemi Mekanik Deneyler Çekme Deneyi Üç Noktadan Eğme Deneyi Mikro Sertlik Ölçümleri Aşınma Deneyi Fiziksel Özelliklerin Tayini %Yoğunluk Değişim % Boyutsal Değişim Metalografik Çalışmalar Optik ve SEM-EDS ve mikroskop incelemeleri Kırık yüzey incelemeleri Şekil 3.1. Deneysel çalışmalar için belirlenen deney planı 66

82 3.1. Alaşımların Belirlenmesi Literatür araştırması sonrası, biyomalzeme veya implant uygulamalarında yaygın olarak kullanılan dört farklı titanyum alaşımı belirlenmiştir. Deneylerde kullanılan alaşımların, kimyasal kompozisyonları ve diğer özellikleri sırasıyla aşağıdaki çizelgelerde verilmiştir. Çizelge 3.1. Ti-6Al-4V alaşımını oluşturan tozların kimyasal kompozisyonu Alaşım Elemanı Ti Al V Zn-S Ağırlık (%) ,6 Ergime Sıcaklığı ( o C) Toz Boyutu (µm) Toz Morfolojisi %70 Küresel+ %30 köşeli Köşeli Küresel - Çizelge 3.2. Ti-6Al-7Nb alaşımını oluşturan tozların kimyasal kompozisyonu Alaşım Elemanı Ti Al Nb Zn-S % Ağırlık (%) ,6 Ergime Sıcaklığı ( o C) Toz Boyutu (µm) Toz Morfolojisi %70 Küresel+ %30 köşeli Köşeli Küresel - Çizelge 3.3. Ti-5Al-2,5Fe alaşımını oluşturan tozların kimyasal kompozisyonu Alaşım Elemanı Ti Al Fe Zn-S Ağırlık (%) ,6 Ergime Sıcaklığı ( o C) Toz Boyutu (µm) Toz Morfolojisi %70 Küresel+ %30 köşeli Köşeli Köşeli - Çizelge 3.4. Ti-6Al-4V-4Ta alaşımını oluşturan tozların kimyasal kompozisyonu Alaşım Elemanı Ti Al V Ta Zn-S Ağırlık (%) ,6 Ergime Sıcaklığı ( o C) Toz Boyutu (µm) Toz Morfolojisi %70 Küresel+ %30 köşeli Köşeli Köşeli Küresel - 67

83 Çizelgelerde verilen, Ti-6Al-4V alaşımı ASTM Grade 5, Ti-6Al-7Nb alaşımı ASTM F 1295, Ti-5Al-2.5 Fe alaşımı ISO Part 10 standartlarına göre hazırlanmıştır. Ti-6Al- 4V-4Ta ise literatürde yeni implant malzemesi olarak tanımlanmış ve bu çalışmada da, Ta nın Ti-6Al-4V malzemesi üzerine etkisi araştırılmıştır. Dört faklı Ti alaşımından imal edilen numuneler için, ilk olarak sıkıştırma kalıbının tasarımı ve imalatı gerçekleştirildi. TM Ti alaşımlarının mekanik, metalürjik ve tribolojik özelliklerinin araştırılması için, yirmişer adet ham numune sıkıştırılarak, sinterleme işlemi yapıldı. Sıkıştırma ve sinterleme koşulları ön deneysel çalışma ve literatür araştırma sonrası belirlendi. İmal edilen TM Ti alaşımlarının implant uygulamalarında kullanılabilirliği mekanik, tribolojik deneyler ve metalürjik araştırma sonrası belirlenmiştir. Ayrıca, literatür araştırması sonrası elde edilen döküm Ti alaşımlarının değerleri ile kıyaslanmıştır Sıkıştırma Kalıbının Tasarımı ve İmalatı Sıkıştırma kalıbı, deneylerde kullanılan tozların görünür yoğunluk değerlerine ve imal edilecek numune geometrisine göre tasarlanmıştır. Dört farklı alaşımın temel elementi titanyum tozunun ham durumda kalıp doldurma yüksekliği, alt zımbanın matris kalıba giriş mesafesi ve üst zımbanın ise ilk eksenleme giriş mesafesi hesaplanmıştır. İlk olarak, her alaşım için döküm yoğunluğuna göre yaklaşık % 90 ham yoğunluk değeri baz alınarak, Şekil 3.2. de görülen ve imal edilmesi planlanan numune geometrisine göre, numune başına düşen ağırlık, hacim ve kalıp doldurma yüksekliği hesaplanmıştır. Bu durum aşağıda izah edilmiştir Şekil 3.2. İmal edilen numune geometrisi 68

84 Ti-6Al-4V alaşımı için döküm yoğunluğu 4.42 g/cm 3 olduğuna göre; TM numunenin yoğunluğu (ρ): 4, =3,97 g/cm 3 Numune Hacmi (v): 5,5 1 1= 5,5 cm 3 Bir numune ağırlığı (m): Hacim Yogunluk (3.1) m= 3,97x5,5= 21,835 g olarak hesaplanmıştır. Alaşımlar Ti esaslı olmasından dolayı kalıp doldurma yüksekliği deneme usulüyle 15 mm olarak tespit edilmiştir. Bu durumda, elementel olarak hazırlanan Ti-6Al-4V tozunun görünür yoğunluğu (G y ); Doldurma hacmi (v 1 ): 1x1,5x5,5=8,25 cm 3 Birim n u mu n e a ğırlığı G y = Dold u r ma h a cmi 21,835 G y = = 2,64 g/cm 3 tür. 8,25 (3.2) Bu yöntemle Ti-6Al-7Nb alaşımını oluşturan toz karışımın görünür yoğunluğu 2,71 g/cm 3, Ti5Al2.5Fe alaşımının görünür yoğunluğu ise 2,66 g/cm 3 olarak hesaplanmıştır. Bu hesaplamalara göre tasarlanan sıkıştırma kalıbı Şekil 3.3. de verilmiştir Sıcak Geçme Dişi Kalıp Üst Zımba Alt Zımba Şekil 3.3. Sıkıştırma kalıbının konstrüktif şekli

85 Şekil 3.3. de görüldüğü gibi, dişi kalıp sıcak geçme yöntemiyle iki ayrı malzemeden imal edilmiştir. İçteki kalıp malzemesi sıkıştırma basıncına maruz kaldığından dolayı soğuk iş takım çeliğinden, dıştaki kalıp malzemesi ise sementasyon çeliğinden, zımba malzemesi ise Calmax krom-molibden-vanadyum alaşımlı takım çeliğinden imal edilmiştir. Kalıp imalatından sonra, zımba ve içteki dişi kalıp malzemeleri gerekli sertlik artışı için ısıl işlem yapılmıştır. İçteki kalıp malzemesi, tel erozyonda işlenerek imal edilecek numune geometrisi oluşturulmuş, daha sonra taşlama ve polisaj işlemine tabi tutularak parlatılmıştır. Dıştaki dişi zarf malzeme çap 82 mm iç tornalama yapılarak, içteki dişi kalıp sıcak geçme ile dıştaki dişi kalıp içerisine yerleştirilmiştir. Dişi kalıp ile hareketli üst zımba arasında toz yapışma eğilimini azaltmak için, dişi kalıp yüzeyi fiziksel buhar biriktirme metoduyla 2-3 µm mertebesinde kromnitrür kaplanarak yüzey sertliği VSD aralığında arttırılmıştır. Üst Zımba malzemesi ise, CNC işleme merkezinde dişi malzeme ile 0.05 mm dar toleransında ve iki kademede işlenmiştir. Şekil 3.3 de görüldüğü gibi, üst zımbanın sıkıştırma yapan bölgesi dar toleransta, diğer kısmı ise boşluklu imal edilerek sürtünme yüzey alanı azaltılmıştır. Bu sayede, ortalama µm boyutundaki toz partiküllerinin preslenmesi sırasında, dişi kalıpla üst zımba arasındaki sıkışma en aza indirilmiştir. Bu kalıp sisteminde, alt zımba ve dişi matris hareketsiz, üst zımba eksen boyuca sıkıştırma işlemini gerçekleştirmektedir Numunelerin İmal Edilmesi Karışım oranlarının belirlenmesi ve karıştırılması: Numunelerin imalatının gerçekleştirilmesi için ilk olarak, alaşımdaki elementlerin % ağırlıkları hesaplanmıştır. Bu durum aşağıda izah edilmektedir. Ti-6Al-4V malzemesi için döküm yoğunluğu 4.42 g/cm 3 ' tür ve döküm malzeme için, numune başı ağırlık 24,31 g. dır. Toz numunede ise, %90 ham yoğunluk tasarlandığında, numune başına toz ağırlığı 22 g. dır. Elementel olarak karıştırma işlemi konik karıştırıcıda yapılmıştır. Konik karıştırıcının hacmi yaklaşık 550 cm 3 ' tür. Homojen karışım için, toplam toz karışımın hacmi, karıştırıcı hacminin maksimum % 60 ı kadar olmalıdır. Toplam toz karışımı 330 g. olarak hesaplanmıştır 70

86 ve bu miktar ile 15 numune imal edilmiştir. Deneysel çalışmalarda kullanılan dört farklı Ti alaşımı için toz karışım hesaplamaları aşağıda verilmiştir. Toz karışımları Precisa 310M marka 0,001g hassasiyetindeki terazi ile hazırlanmıştır. 330 g. ağırlıkta; Zn-S(%0.6)=1,98 g. (yağlayıcı) Ti (%90)=295,218 g. 70 i küresel toz tipi: 206,65, %30 i köşeli toz tipi: 88,56 g. Al(%6)=19,681 g. V(%4)=13,12 g. Yüksek ham yoğunluk değerine ulaşmak için küresel ve köşeli olarak iki farklı tipte Ti tozu karıştırılmıştır. Ti-6Al-4V alaşımını oluşturan tozlar, torna tezgâhına bağlanan konik karıştırıcı 22 dev/dak. hızda 20 dakika süreyle döndürülerek karıştırılmıştır. Karıştırma işleminin yapıldığı konik karıştırıcının geometrik şekli Şekil 3.4. de gösterilmiştir. Toz doldurma Şekil 3.4. Çift taraflı konik karıştırıcı Sıkıştırma İşlemi: Sıkıştırma yapılmadan önce, alt zımba dişi kalıba geçirilerek kalıp içerisine bir numune ağırlığında toz doldurduktan sonra tozların kalıp içerinde aynı yükseklikte dolması sağlanmıştır. Üst zımba dişi kalıp yuvasına eksen boyunca düzgünce yerleştirilip, 40 tonluk basma cihazında, her bir Ti alaşımı için sıkıştırma basıncı, literatür bilgisine dayanarak ve ön deneysel çalışma sonrası belirlenmiştir. Ti-6Al-4V alaşımı için sıkıştırma basıncı Şekil 3.2. de verilen numune yüzey alanına (A) göre hesaplanmıştır. Ti-6Al-4V için sıkıştırma basıncı (P) literatür araştırması sonrası (Fores vd., 1985) 530 N/mm 2 seçilmiş ve sıkıştırma kuvveti (F); 71

87 F P = A A= Genişlik x Boy A=10x55=550 mm 2 F= 530 N/mm 2 x 550 mm 2 F= N veya 29,1 ton olarak hesaplanmıştır. (3.3) (3.4) Şekil 3.5. de görülen kalıp sistemi ve imal edilen ham numune, ALŞA marka çekme-basma cihazında, Ti-6Al-4V alaşımı 29,1 t yükleme ile, Ti-6Al-7Nb alaşımı 24,5 t, Ti-5Al-2,5Fe alaşımı 27 t ve Ti-6Al-4V-4Ta alaşımı ise 29,1 t sıkıştırma kuvvetiyle ve 2,5 mm/dak. sıkıştırma hızıyla preslenerek imal edilmiştir. Sıkıştırma öncesi kalıp cidarları ve zımba yüzeyleri Zn-S ile yağlanmıştır. Sıkıştırma yapıldıktan sonra, alt zımba çıkartılarak, yine üst zımbaya sıkıştırma kuvvetinin 1/10 u kadar ve yaklaşık 2,8 t sıyırma kuvvetiyle kalıptan çıkartılmıştır. Bu tarzda toplam 80 ham numune imal edilmiştir. Şekil 3.5. Sıkıştırma kalıbı ve imal edilen ham numune Sinterleme İşlemi: Titanyum yüksek sıcaklıkta dış ortamdaki oksijenle kolayca reaksiyona giren karakteristiğe sahip bir malzeme olmasından dolayı, sinterleme rejimi literatür araştırması ve ön deneysel çalışma sonrası belirlenmiştir. Sinterleme işlemi, ilk olarak 5 o C/dakika ısıtma hızında 400 o C sıcaklığa kadar yapılmış ve bu sıcaklıkta 20 dakika bekletilerek yağlayıcı giderilmiştir. Daha sonra, aynı ısıtma hızında 1200 o C sinterleme sıcaklığına ısıtılıp bu sıcaklıkta iki saat süre bekletilerek sinterleme gerçekleştirilmiştir. Sinterleme, argon koruyucu gaz ortamında ve tüp fırın içerisinde yapılmıştır. Sinterleme sırasında altlık malzeme ile reaksiyonu önlemek için, numuneler grafit plakalar üzerinde sinterlenmiştir. Numuneler, 5 o C/dakika soğutma hızı ile fırın ortamında oda sıcaklığına kadar bekletildikten sonra dış ortama 72

88 alınmıştır. Bir sinterleme rejiminde 3 numune sinterlenmiş ve her bir sinterleme rejimi 10 saat sürede gerçekleştirilmiştir Mekanik Deneyler TM yöntemiyle üretilen ve biyomalzeme olarak kullanılan Ti-6Al-4V, Ti-6Al-7Nb, Ti-5Al 2,5Fe ve Ti-6Al-4V-4Ta alaşımlarından elde edilen numunelerin mekanik özelliklerini karakterize edebilmek için, çekme, üç noktadan eğme, mikrosertlik testleri yapılmıştır. Ayrıca açık akma karakteristiği göstermeyen TM Ti alaşımlarının elastisite modül değerleri, sonik sistemle belirlenmiştir Çekme Deneyi Çekme deneyleri ALŞA marka üniversal çekme-basma deney cihazında yapılmıştır. Her bir Ti alaşımı için üç adet çekme numunesi hazırlanmış olup, dört farklı Ti alaşımı için 12 adet çekme numunesi imal edilmiştir. Çekme numuneleri, torna tezgâhında 1500 dev/dak. yüksek devirde, 0,01 mm talaş derinliği ve 0,1 mm/dev ilerleme hızında işlenerek imal edilmiştir. Ti alaşımlarının işleme zorluklarından dolayı, elmas kesici takım kullanılmış ve talaş derinliği minimum mertebede seçilerek arzu edilen yüzey hassasiyeti elde edilmeye çalışılmıştır. Tornalama işleminden sonra, yine torna tezgâhında iki punta arasına bağlanıp, 1200 ve 2000 mesh zımpara ile zımparalanarak yüzeylerdeki ince çizikler giderilmiştir. Soğutma sıvısı kullanılmamıştır. Deneyler oda sıcaklığında TS 138 e göre yapılmıştır. Çekme deneyine tabi tutulan dört farklı TM Ti alaşımı numunelerin, çekme dayanımı, % kesit daralma ve uzama değerleri, poisson oranı değeri belirlenmiştir. Ayrıca, implantasyon için oldukça önem arz eden elastisite modül değerleri, özellikle biyomedikal malzemelerin elastisite modül ölçümünde kullanılan Computer-Controlled Ultrasonic Pulser/Receiver cihazı ile, 35MHz (-3dB) lik ultra sonik band aralığı kullanılarak belirlenmiştir. Her bir alaşımın elastisite modülünün belirlenmesi için, 7x10x10 mm 73

89 boyutlarında numune hazırlanmıştır. Bu sayede, dört farklı TM Ti alaşımı için, daha mukavemetli yapıya sahip ancak kemiğe yakın yoğunluk ve elastisite modül değerleri tespit edilmiştir. Çekme deneyi için standart çekme numune boyutları ve elastisite modül numunesi Şekil 3.6. da verilmiştir (a) (b) Şekil 3.6. a) Elastisite modül numunesi b) çekme deney numunesi boyutları Üç Noktadan Eğme Deneyi Eğme deneyleri Controls (Milano) marka, 3000 kgf maksimum yük kapasitesine sahip eğme cihazında yapılmıştır. Her bir Ti alaşımının eğme dayanımı karakterizasyonu üç numune ile belirlenmiştir. Standartlara uygun eğme deneyi için, Şekil 3.7. de verilen ve iki noktadan mesnetlenerek tek noktadan eğme yükünün uygulanabilmesi için aparat imal edilmiştir. YÜK ALT PLAKA Şekil 3.7. Eğme deney numunesi boyutları Mesnetlerde kesme gerilmesinin oluşumunu engellemek için mesnetlerin temas bölgelerinde radyüs oluşturularak önlem alınmıştır. Numunelerde kopma oluşana 74

90 kadar F yükü sabit bir hızda arttırılmıştır. Her bir TM Ti alaşımının eğme dayanım eğrisini elde edebilmek için, her 0,1 mm sehim miktarına karşılık gelen eğme yükü tespit edilmiştir. Her bir alaşımın maksimum kırılma yükü ve sehim miktarları kullanılarak eğme dayanımları hesaplanmış, karşılaştırmak üzere değerlendirilmiştir Mikrosertlik Deneyi Dört farklı TM Ti alaşımı için ayrı ayrı mikrosertlik ölçümleri yapılmıştır. Numunelerin boyuna yan yüzeylerinden ve sıkıştırma yönüne paralel alın yüzeylerinden mikrosertlik ölçümleri alınmıştır. Mikrosertlik ölçme işlemleri Metkon MH3 marka mikrosertlik cihazında vickers ucu kullanılarak, 200 g yük 20 sn uygulanarak yapılmıştır. Numune üzerinden ölçüm yapılan yüzeyler Şekil 3.8 de gösterilmiş ve belirtilen yüzeyler setlik ölçümü öncesi zımpara ile zımparalanmıştır. Sıkıştırma yönü Şekil 3.8. Mikrosertlik ölçümünün yapıldığı yüzeyler Aşınma Deneyleri İmplant uygulamalarında kullanılan malzemenin tribolojik özelliklerinin belirlenmesi, uzun süreli servis ömrü için önem arz ettiğinden dolayı, TM Ti alaşımlarının tribolojik özellikleri araştırılmıştır. Malzemenin aşınma performansı aşınma direnci olarak nitelendirilmekte ve her bir malzemenin aşınma direnci belli yük, çevresel hız ve alınan yol (devir) şartlarında oluşan malzeme kaybı olarak değerlendirilmiştir. Aşınma deneyleri, PLINT firmasının TE53 Slim-Multipurpose model aşınma ve sürtünme cihazında gerçekleştirilmiştir. Adheziv aşınma deneyine tabi tutulan numunelerin sürtünme katsayıları ve sürtünme kuvvetleri Honeywell 75

91 marka Multitrendplus V5 marka veri toplayıcı ile anlık olarak ölçülmüş ve 3000 veri ile nitelendirilmiştir. Aşınma deney düzeneği Şekil 3.9. da verilmiştir. Veri toplama ünitesi Numune ve sürtünme şekli Uygulanan Yük Hank sıvısı kabı Aşındırıcı disk Şekil 3.9. Aşınma ve sürtünme test düzeneği Deney düzeneği üzerinde görülen aşındırıcı disk DIN soğuk iş takım çeliğinden imal edilmiştir. Ayrıca, aşındırıcı disklerin yüzeyleri 0.01 mm hassasiyetinde taşlama yapıldıktan sonra yüzeyleri 3 mikron kalınlığında ve yaklaşık 1200 HV sertliğinde Azot-Argon nitrasyonu yapılarak kaplanmıştır. Her bir TM Ti alaşımının aşınma direnci, 10x10x10 mm boyutlarında küp şeklinde numuneler hazırlanarak, 75 N yükleme ve 0,25 m/s. disk dönme hızı deney parametreleriyle kuru ve vücut sıvısına benzer hank sıvı ortamında yağlamalı olmak üzere iki durumda tespit edilmiştir. Kuru ve yağlamalı durumda yapılan adheziv aşınma deneylerinde her 2000 tur kayma mesafesinde ağırlık kaybı ölçülerek toplam tur kayma mesafesine ulaşılmıştır. Adheziv aşınmaya maruz bırakılan numunelerin, aşınma öncesi ve sonrası Ra ve Rt yüzey pürüzlülük değerleri ölçülmüştür. Yüzey pürüzlülük değerleri, Mitutoyo Surftest III marka cihaz ile cut-off değeri 0.08 mm ve hareket hızı 2 mm/s şartlarında belirlenmiştir. 76

92 3.5. Fiziksel Özelliklerin Tayini Bu çalışmada, imal edilen TM Ti alaşımı numunelerin sinterleme öncesi ve sonrası yoğunluk ölçümleri Arşimet metoduyla belirlenmiştir. Sinterleme sonrası % boyut ve yoğunluk değişimi onüç adet numune üzerinden ölçümler alınarak tespit edilmiştir. Tespit edilen % boyut değişimi ile, kalıp tasarımı, uygulanacak sıkıştırma yükünün belirlenmesi, imal edilecek parçanın kendine çekme payını verme gibi parametreler optimize edilebilmektedir. % yoğunluk değişimi ile, sinterleme öncesi ham yoğunluk değerinin sinterleme sonrası ne kadar teorik yoğunluğa ulaşılabildiği konusunda bilgi vermektedir Metalografik Çalışmalar İlk olarak, TM ile imal edilen dört farklı Ti alaşımının mikroyapılarının incelenmesi için optik mikroskop çalışmaları yapılmıştır. Mikroyapı incelemeleri ve aşınma yüzey morfolojisi Olympus Bx51 model polarizen mikroskopta gerçekleştirilmiştir. Mikroyapı incelemeleri için, her bir alaşımın numune ön hazırlık aşamasında, 400, 600, 800, 1200 ve 2000 numara zımpara ile zımparalanmış ve elmas macun ile parlatma işlemi yapılmıştır. Dağlama sıvısı ise literatür araştırması sonrası belirlenmiş ve % 10 HF, % 5 HNO 3 ve % 85 H 2 O kimyasal kompozisyon hazırlanarak dağlama işlemi yapılmıştır. Daha sonra optik mikroskopta, aynı koşullarda imal edilen Ti alaşımı numunelerin gözenek yapıları ve mikroyapı oluşumları incelenmiştir. İkinci olarak, numunelerin farklı oranlarda büyütülmüş mikroyapı incelemeleri ZEISS marka Supra 50 VP model Taramalı Elektron Mikroskobunda (SEM) yapılmıştır. Benzer sinterlenmiş yoğunluk değerine sahip dört farklı TM Ti alaşımlarının mikroyapıları, gözenek dağılımı ve büyüklükleri, mikroyapı dönüşümleri SEM analizleri ile daha iyi tanımlanmaya çalışılmıştır. Aynı numunelerin EDS analizleri ile titanyum matris içerisinde Nb, Ta ve V gibi elementlerin tam olarak çözünüp çözünmediği ve bu elementlerin yapı içerinde homojen dağılımı incelenmiştir. 77

93 Diğer bir metalografik analiz olarak eğme numunelerinde oluşan kırık yüzeylerin incelenmesi için yine SEM cihazı kullanılmıştır. Deneysel verilerden elde edilen sonuçlar kırık yüzeyi incelemeleri ile desteklenmiş, kırılma tipleri SEM fotoğraflarıyla ortaya konulmuştur. Ayrıca, kırık yüzeyi incelemelerinde, sinterleme sonrası iki partikül arasında gelişen sinter boyun yarıçapı belirlenmeye çalışılmıştır. Böylece, sinterleme sıcaklığı ve süresinin, bu Ti alaşımlarında yeterli olup olmadığı tespit edilmiştir. Son olarak, tribolojik özellikleri araştırılan numunelerde, aşınma yüzeylerinin karakteristiği, aşınma tipi ve aşınma yüzey genişlikleri incelenmiştir. Kuru sürtünme ile sıvı sürtünme sonrası oluşan aşınma tipi arasındaki fark yapılan metalografik analizlerle tespit edilmiştir. 78

94 4. ARAŞTIRMA BULGULARI 4.1. Boyut ve Yoğunluk Değişimi Her bir TM Ti alaşımı için, sinterleme öncesi ham yoğunluk değerleri ve sinterleme sonrası yoğunluk değerleri Arşimet metodu ile hesaplanmıştır. Boyutsal ölçümler, 0.01 mm hassasiyetinde mikrometre ve 0.02 mm hassasiyetinde kumpaslar ile belirlenmiştir. Ölçülen sinterleme sonrası yoğunluk değerleri Çizelge 4.1. de verilmiştir. Çizelge 4.1. TM Ti alaşımlarının ortalama ham yoğunluk ve sinterlenmiş yoğunluk değerleri Yoğunluk Ti-6Al-4V Ti-6Al-4V-4Ta Ti-6Al-7Nb Ti-5Al-2.5Fe Ortalama Ham Yoğunluk (g/cm 3 ) 3,86 3,86 3,86 3,86 Ortalama Sinterlenmiş yoğunluk (g/cm 3 ) 3,92 3,9 3,88 3,92 % yoğunluk değişimi, istenilen gözenekli veya kompakt yapının sağlanabilmesi için değerlendirilen önemli bir parametredir. Bu parametrenin araştırılması ile, sinterleme sıcaklığının, süresinin ve ortamın sinter boyun mekanizmasının oluşumunda etkili olup olmadığı belirlenebilmektedir. Sinterleme sonrası % yoğunluk farkı ( aşağıdaki formülle elde edilmiştir. %ρ ) f % ρ ρ ρ teorik ham f = ρteorik 100 (4.1) % boyutsal değişim ise (% bf), sinterleme öncesi boyutların sinterleme sonrası değişim olarak nitelendirilmektedir. % boyutsal değişim, kalıp matris boşluğu ve zımbaların tasarımında, toz karımın hazırlanmasında kullanılan bir parametredir. Aşağıdaki formülle ifade edilmiştir. %b b = b ham b teorik f teorik 100 (4.2) TM Ti-6Al-4V alaşımının sinterleme sonrası % yoğunluk ve boyut değişimleri Şekil 4.1. de verilmiştir. 79

95 Ti-6Al-4V Alaşımının % Yoğunluk Değişimi 2,4 % Yoğunluk Değişimi 2 1,6 1,2 0,8 0, Numune No (a) Ti-6Al-4V Alaşımının % Boyut Değişimi 0-0, % Boyut Değişimi -0,8-1,2-1,6-2 Numune No (b) Şekil 4.1. a) Ti-6Al-4V alaşımı numunelerin sinterleme sonrası % yoğunluk değişimi, b) % boyut değişimi Ti-6Al-4V alaşımında sinterleme sonrası ortalama olarak % 1,5 oranında yoğunluk artışı sağlanmıştır ve bu durum Şekil 4.1., a da görülmektedir. Şekil 4.1., b de ise, Ti-6Al-4V alaşımının sinterleme sonrası % boyut değişimi görülmektedir. Bu alaşımdan imal edilen numunelerde, sinterleme sonrası % 0,8-2 aralığında boyutsal küçülme meydana gelmiş ve boyutsal küçülmenin yoğunluk artışına paralel olarak ortalama % 1,5 mertebesinde yoğunlaştığı gözlemlenmektedir. Şekil 4.2. de ise, TM Ti-6Al-7Nb alaşımının, sinterleme sonrası % yoğunluk ve boyut değişimi verilmiştir. 80

96 Ti-6Al-7Nb Alaşımının % Yoğunluk Değişimi % Yoğunluk Değişimi 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0, Numune No (a) Ti-6Al-7Nb Alaşımının % Boyut Değişimi % Boyut Değişimi 0-0, ,4-0,6-0,8-1 -1,2-1,4 Numune No (b) Şekil 4.2. a) Ti-6Al-7Nb alaşımı numunelerin sinterleme sonrası % yoğunluk değişimi, b) % boyut değişimi Şekil 4.2., a da görüldüğü gibi, TM Ti-6Al-7Nb alaşımının sinterleme sonrası % yoğunluk değişimi, % 0,2-0,6 arasında değişim göstermektedir. Ancak, ortalama olarak yoğunluk değişimi % 0,4 mertebesinde gözlemlenmektedir. Ti-6Al-7Nb alaşımında oluşan % 0,4 yoğunluk artışı, Ti-6Al-4V alaşımına nazaran oldukça düşük bir orandır ve sinterlemenin elverişli olmadığının bir göstergesi olarak yorumlanabilir. Şekil 4.2., b de görüldüğü gibi, % boyut değişimi % yoğunluk artışı ile paralel karakteristik göstermiş ve % 0,3 0,7 aralığında boyutsal küçülme meydana gelmiştir. TM Ti-5Al-2,5Fe alaşımı numunelerde sinterleme sonrası, % yoğunluk ve boyut değişimi Şekil 4.3. de verilmiştir. 81

97 Ti-5Al-2.5 Fe Alaşımı % Yoğunluk Değişimi % Yoğunluk Değişimi 2,8 2,4 2 1,6 1,2 0,8 0, Numune No (a) Ti-5Al-2.5 Fe Alaşımı % Boyut Değişimi % Boyut Değişimi 0-0, ,8-1,2-1,6-2 -2,4-2,8-3,2 Numune No (b) Şekil 4.3. a) Ti-5Al-2.5Fe alaşımı numunelerin sinterleme sonrası % yoğunluk değişimi, b) % boyut değişimi Şekil 4.3., a da görüldüğü gibi, Ti-5Al-2.5Fe alaşımı numunelerde sinterleme sonrası yoğunluk artışı % 1,6-2,2 arasında gerçekleşmiştir. Sinterleme sonrası numunelerde, yoğunluk artışına paralel olarak % 1,6 2,2 aralığında boyutsal daralma gözlemlenmektedir. Bu alaşımda, metalografik çalışma öncesi, yoğunluk artışı ve boyutsal küçülme değerlendirildiğinde, sinterlemenin yeterli olabileceği kanaatine varılmıştır. Aynı sinterleme ve sıkıştırma şartlarında imal edilen Ti-6Al-7Nb alaşımına göre kıyaslandığında, yoğunluk artışı ve boyutsal küçülme ile sinterlemenin daha elverişli olduğu görülmektedir. Şekil 4.4. de Ti-6Al-4V-4Ta alaşımının sinterleme sonrası % yoğunluk ve boyutsal değişim verilmiştir. 82

98 Ti-6Al-4V-4Ta Alaşımı % Yoğunluk Değişimi % yoğunluk Değişimi 1,4 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0, Numune No (a) Ti-6Al-4V-4Ta Alaşımı % Boyut Değişimi % Boyut Değişimi 0,8 0,6 0,4 0,2 0-0,2 0-0, ,6-0,8-1 -1,2-1,4-1,6 Numune No (b) Şekil 4.4. a) Ti-6Al-4V-4Ta alaşımı numunelerin sinterleme sonrası % yoğunluk değişimi, b) % boyut değişimi Şekil 4.4., a da görüldüğü gibi, Ti-6Al-4V-4Ta alaşımında, sinterleme sonrası % 0,55-0,75 mertebesinde yoğunluk artışı meydana gelmiştir. Sinterleme sonrası numunelerde yoğunluk artışına paralel olarak % 0,7 mertebesinde boyutsal küçülme meydana gelmiştir. Yoğunluk ve boyusal değişim dağılımları incelendiğinde, % yoğunluk artışı ve boyutsal küçülme ortalama olarak % 0,7 mertebesinde olduğu Şekil 4.4., b de görülmektedir. 83

99 4.2. Çekme Deney Sonuçları Çekme deneyi sonrası koparılan numunelerin gerilme-gerinim eğrilerinden elde edilen değerler Çizelge 4.2.-Çizelge 4.5. de verilmiştir. Her bir alaşımın çekme özellikleri üçer adet numune ile belirlenmiştir. Çizelge 4.2. Ti-6Al-4V alaşımından imal edilen numunelerin çekme özellikleri Ti-6Al-4V Numune No Çekme Mukavemeti, MPa % Kesit Daralma 1 423,70 1,30 4,20 0, ,22 1,35 4,25 0, , 11 1,35 4,35 0,310 Çizelge 4.3. Ti-6Al-7Nb alaşımından imal edilen numunelerin çekme özellikleri Ti-6Al-7Nb Numune No Çekme Mukavemeti, MPa % Kesit Daralma 1 364,010 1,20 4,10 0, ,960 1,25 4,20 0, ,075 1,25 4,15 0,301 % Uzama Poisson Oranı (Kesit Daralma/Boyut Uzama) Çizelge 4.4. Ti-5Al 2.5Fe alaşımından imal edilen numunelerin çekme özellikleri Ti-5Al-2.5Fe Numune No % Uzama Poisson oranı (kesit daralması/boyut uzama) Çekme Mukavemeti, MPa % Kesit Daralma ,40 4,05 0, ,35 3,95 0, ,42 4,45 0,319 % Uzama Poisson Oranı (Kesit Daralma/Boyut Uzama) Çizelge 4.5. Ti-6Al-4V-4Ta alaşımından imal edilen numunelerin çekme özellikleri Ti-6Al-4V-4Ta Numune No Kopma Mukavemeti, MPa % Kesit Daralma % Uzama Poisson Oranı (Kesit Daralma/Boyut Uzama) 1 334,90 1,28 3,80 0, ,85 1,30 3,85 0, ,00 1,25 3,65 0,342 Çekme deneyi sonrası elde edilen değerler karşılaştırıldığında, Ti-5Al-2.5 Fe alaşımı en yüksek kopma dayanımına sahiptir. Ti-6Al-4V alaşımı ise Ti-5Al-2.5Fe alaşımından sonra yüksek mukavemet değerine sahip olmakla birlikte Ti-6Al-4V alaşımına % 4 Ta ilavesi kopma mukavemeti değerlerini yaklaşık % 22 oranında düşürmüştür. Ta ilavesiyle % kesit daralma ve boyut uzama değerleri Ti-6Al-4V alaşımına nazaran çok düşüktür. Şekil 4.5. de kopma dayanımı değerleri karşılaştırmalı olarak görülmektedir. Çekme durumunda, % 4 Ta ilavesi Ti-6Al-4V alaşımını gevrekleştirmiştir. Ti-5Al-2.5Fe alaşımının yüksek mukavemet değerine 84

100 sahip olmasının nedeni, 1200 o C sinterleme sıcaklığında, Fe elementinin Nb, Ta ve V elementlerine nazaran yapıda tamamen çözünmesi olarak yorumlanabilir. Optimum Kopma Dayanımı Değerleri Kopma Dayanımı (MPa) Ti-6Al-4V Ti-6Al-4V-4Ta Ti-6Al-7Nb Ti-5Al-2.5Fe Alaşım Tipi Şekil 4.5. Karşılaştırmalı olarak dört farklı Ti alaşımının kopma dayanımı değerleri σ 581 d b c 358 a 3,85 4,2 4,35 4,35 ε Şekil 4.6. TM Ti alaşımlarının çekme deneyi sonrası elde edilen gerilme-gerinim eğrileri (a.ti-6al-4v-4ta, b. Ti-6Al-7Nb, c. Ti-6Al-4V, d. Ti-5Al-2.5Fe) Şekil 4.6. çekme-gerinim eğrileri analiz edildiğinde, Ti-5Al-2.5Fe alaşımın tokluğu ve sünekliği diğer alaşımlara nazaran daha yüksek olduğu görülmektedir. Ti-6Al-4V alaşımı ise Ti-6Al-7Nb ve Ti-6Al-4V-4Ta alaşımına göre, daha tok ve sünek karakteristik göstermiştir. Bütün Ti alaşımlarında kopma mukavemet değerinin çekme mukavemet değeriyle eşit olduğu elde edilen σ-ε grafiklerinde 85

101 gözlemlenmektedir. % Ta ilaveli Ti-6Al-4V alaşımı diğer alaşımlara nispeten düşük tokluk ve düşük kopma dayanımı değerine sahip olduğu görülmektedir. Kemik implantasyonlarında önem arz eden elastisite modül değerleri, çekme deneyi sırasında belirgin akma karakteristiği göstermeyen TM Ti alaşımları için sonik sistemle belirlenmiştir. Sonik sistemle belirlenen elastisite modül değerleri Şekil 4.7. de verilmiştir. Sonik Elastik Modül Değerleri Elastik Modül (GPa) Ti-6Al-4V Ti-6Al-7Nb Ti-5Al-2.5Fe Ti-6Al-4V-4Ta Alaşım Tipi Şekil 4.7. Sonik sistemle ölçülen elastisite modül değerleri Şekil 4.7. de görüldüğü gibi, Ti-6Al-4V-4Ta alaşımın elastisite modülü diğer alaşımlara nispeten % 32 mertebesinde daha düşüktür. Ancak, diğer alaşımların kopma mukavemeti değeri Ti-6Al-4V-4TA alaşımına nispeten daha yüksek olduğu Şekil 4.5. de görülmektedir. Şekil 4.6. incelendiğinde, Ti-6Al-4V, Ti-6Al-7Nb ve Ti-5Al-2.5Fe alaşımlarının elastisite modül değerlerinin benzeş, Ti-6Al-4V-4Ta alaşımının ise daha düşük olduğu gözlemlenmektedir. Sonik sistemden elde edilen elastisite modül değerler ile deneysel şartlarla elde edilen gerilme-gerinim eğrisi kıyaslandığında, elde edilen elastisite modül değerleri ile gerilim-gerinim eğrilerin örtüştüğü sonucuna varılmıştır. Ta takviyesi Ti-6Al-4V alaşımının elastisite modülü ile birlikte mukavemet değerlerini düşürmekte ancak elde edilen değerlerin diğer Ti alaşımlarına göre kemik malzemesine çok daha yakın olduğu görülmüştür. 86

102 4.3. Eğme Deney Sonuçları Üç noktadan eğme deneyi (çapraz kırılma) ile kırılan numunelerin eğme dayanımları Çizelge 4.6. da verilmiştir. Her bir alaşım için eğme dayanımı aşağıdaki formül ile hesaplanmıştır: σ e = 3 F L 2 2 b h (4.3) σ e, eğme dayanımı (MPa), F kırılmayı oluşturan eğme yükü (N), L numunenin boyu (mm), b numunenin eni (mm) ve h ise numunenin yüksekliği (mm) dir. Çizelge 4.6. Dört farklı TM Ti alaşımının eğme dayanımı (MPa) Numune No Ti-6Al-4V Ti-6Al-4V-4Ta Ti-6Al-7Nb Ti-5Al-2.5Fe ,30 917,8 903,74 996, ,90 911,6 836,29 936, , , ,40 Eğme dayanımı karşılaştırıldığında, Ti-6Al-4V alaşımının eğilmeye dayanımı diğer alaşımlara nazaran yaklaşık % 27 oranında daha yüksek değerde olduğu Şekil 4.8. de görülmektedir Eğme Dayanımı (MPa) Alaşım Tipi 1. Ti-6Al-4V, 2. Ti-6Al-7Nb, 3. Ti-5Al-2.5 Fe, 4. Ti-6Al-4V-4Ta Şekil 4.8. Dört farklı TM Ti alaşımlarının ortalama eğme dayanımları Ti-6Al-4V-4Ta alaşımının eğilme dayanımı, Ti-6Al-4V alaşımına nispeten yaklaşık % 18 oranında azalma eğilimi göstermiştir. Ancak Ta ilaveli alaşım % 50 oranında daha fazla sehim yaparak, çekme deneyindeki kırılganlığın aksine Ti-6Al-4V 87

103 alaşımına nazaran daha sünek karakteristik göstermiştir. Şekil 4.9. da, karşılaştırmalı olarak uygulanan F yükü ve bunun karşılığında oluşan sehim miktarları verilmiştir. Eğme Yükü (Kg) Eğme Dayanımı 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6 1,7 1,8 Sehim (mm) Ti-6Al-4V Kırılma Yükü: 1658Kg Ti-6Al-7Nb Kırılma Yükü: 1192 Kg Ti-5Al-2.5Fe Kırılma Yükü: 1180 Kg Ti-6Al-4V-4Ta Kırılma Yükü:1230 Kg Şekil 4.9. Numunelere uygulanan eğme yükü ile sehim miktarları Şekil 4.9. incelendiğinde, Ti-6Al-4V-4Ta alaşımı ile Ti-5Al 2.5Fe alaşımı benzer karakteristik gösterdiği görülür. Ti-6Al-7Nb ile Ti-6Al-4V alaşımı ise 0,8 0,9 mm sehim aralığında benzeş karakteristik göstermiş ancak bu sehim miktarı ile Ti-6Al- 4V alaşımı Ti-6Al-7Nb alaşımına nispeten yaklaşık % 36 oranında daha fazla yük taşımaktadır. Ti-6Al-4V alaşımına göre düşük kopma dayanımı ve tokluk değerine sahip olan Ti-6Al-4V-4Ta alaşımı, diğer alaşımlardan % 48 mertebesinde yüksek sehim miktarına sahip olmakla birlikte Ti-6Al-4V alaşımına oldukça yakın eğilme mukavemet değerine sahiptir. Dolayısıyla, çekme özelliklerinin kabul edilebilir mertebede düşük olması ancak yüksek eğilme dayanımı ve eğilme sırasında yükün iletilmesi açısından optimum süneklik şartının sağlanması gerekmektedir Mikrosertlik Deney Sonuçları Gözenekli malzemelerde sertlik değeri homojen olmadığı için, dört farklı Ti alaşımdan imal edilen numunelerin boyuna 4 mm aralıkta, sıkıştırma yönüne paralel 1,25 mm aralıkta mikrosertlik ölçümü yapılmıştır. Her bir alaşım için ölçülen mikrosertlik dağılımları aşağıda verilmiştir. 88

104 Ti-6Al-4V Numunenin Boyuna Mikrosertlik Dağılımı Mikrosertlik Değerleri (VSD) mm aralıkta yapılan ölçüm (a) Ti-6Al-4V Numunenin Presleme Yönünde Mikrosertlik Dağılımı Mikrosertlik Değeri (VSD) ,25 3,5 4,75 6 7,25 8,5 9, ,25 mm Aralıkta Yapılan Ölçüm (b) Şekil Ti-6Al-4V alaşımı a) numune boyuna sertlik değişimi b) sıkıştırma yönüne paralel mikrosertlik değerleri Şekil da görüldüğü gibi, TM Ti-6Al-4V alaşımının mikrosertliği HV aralığında değişim göstermektedir. Ancak numune üzerinde boyuna mikrosertlik değerinin ortalama 400 HV mertebesinde yoğunlaştığı Şekil 4.10., a da gözlemlenmektedir. Sıkıştırma yönüne paralel alınan ölçümlerde ise, numunenin en alt bölgesinde 350 HV mikrosertlik değeri, üst bölgesinde mikrosertlik yaklaşık 430 HV değerine yükselmektedir. Numunenin üst bölgesindeki sertlik artışı numunenin alt bölgesine göre % 18 daha fazla ölçülmüştür. Bunun temel nedeni, tek eksenli sıkıştırma prensibi ile uyumlu olarak kalıp matrisinin en alt bölgelerinde daha düşük sıkıştırma basıncının oluşmasından kaynaklanmaktadır. Ti-6Al-4V alaşımına % 4 Ta ilavesinin sertlik değerine etkisi Şekil de verilmiştir. 89

105 Mikrosertlik Değeri (HV) Ti-6Al-4V-4Ta Numunenin Boyuna Mikrosertlik Değişimi mm Aralıkta Yapılan Ölçüm (a) Mikrosertlik Değeri (HV) Ti-6Al-4V-4Ta Numunenin Presleme Yönündeki Mikrosertlik Değişimi 0 1,25 2,5 3,75 5 6,25 7,5 8, ,25 mm Aralıkta Yapılan Ölçüm (b) Şekil Ti-6Al-4V-4Ta numunesi a) boyuna mikrosertlik değişimi, b) sıkıştırma yönüne paralel mikrosertlik değerleri Ti-6Al-4V-4Ta alaşımının boyuna mikrosertlik ölçümlerinde, sertlik değerinin HV aralığında yoğunlaştığı Şekil 4.11., a da görülmektedir. Tek etkili sıkıştırma prensibine paralel olarak, sıkıştırma yönü paralelinde numunenin en alt bölgesinde yaklaşık 325 HV mikrosertlik değeri, en üst bölgesinde ise ortalama 415 HV değeri elde edilmiştir (Şekil 4.41., b). % 4 Ta ilavesiyle Ti-6Al-4V alaşımının sertliği, yaklaşık 370 HV mikrosertlik değeri ile ortalama % 8 oranında azalmaktadır. Yani, Ti-6Al-4V-4Ta alaşımının, Ti-6Al-4V alaşımına nispeten daha yumuşak yapıya sahip olduğu sertlik deneylerinde daha belirgin bir şekilde görülmektedir. Ti-6Al- 7Nb alaşımının mikrosertlik değeri Şekil de verilmiştir. 90

106 Mikrosertlik Değerleri (VSD) Ti-6Al-7Nb Numunenin Boyuna Mikro Sertlik Dağılımı mm Aralıkta Yapılan Ölçüm (a) Ti-6Al-7Nb Numunenin Presleme Yönündeki Mikro Sertlik Dağılımı 400 Mikrosertlik Değerleri (VSD) ,25 mm Aralıkta Yapılan Ölçüm (b) Şekil Ti-6Al-7Nb alaşımının a) boyuna mikrosertlik değişimi, b) sıkıştırma yönüne paralel mikrosertlik değişimi Ti-6Al-7Nb alaşımının boyuna mikrosertlik değişimi HV mertebesinde yoğunlaştığı Şekil 4.12., a da görülmektedir. Sıkıştırma yönüne paralel durumda ise numunenin orta bölgelerinde sertlik artışının belirgin bir şekilde arttığı gözlemlenmiştir. Orta bölgedeki sertlik değeri ile boyuna ölçülen sertlik değerleri arasında uyumluluk tespit edilmiştir. Numunenin en üst bölgesindeki sertlik artışı alt bölgeye göre % 30 mertebesinde olduğu saptanmıştır. Bu değişimin, diğer alaşımlardan daha fazladır ve bu ise diğer alaşımlara nispeten heterojen özelliklere sahip olabileceğinin göstergesi olmaktadır. Ti-6Al-7Nb alaşımı, Ti-6Al-4V-Ta alaşımından % 6 mertebesinde, Ti-6Al-4V alaşımından ise yaklaşık % 17 oranında 91

107 daha düşük sertliğe sahiptir. Ti-5Al-2.5Fe alaşımın mikrosertlik dağılımları aşağıdaki Şekil de verilmektedir. Ti-5Al-2.5 Fe Numunede Boyuna Mikro Sertlik Dağılımı Mikrosertlik Değeri (HV) mm Aralıkta Yapılan Ölçüm (a) Ti-5Al-2.5 Fe Numunenin Presleme Yönü Boyunca Mikrosertlik Dağalımı Mikrosertlik Değeri (HV) ,25 mm Aralıkta Yapılan Ölçüm (b) Şekil Ti-5Al 2.5Fe alaşımı a) numunenin boyuna mikrosertlik değişimi, b) sıkıştırma yönü boyunca mikrosertlik dağılımı Şekil 4.13., a da, numune boyunca mikrosertliğin HV arasında değişim gösterdiği görülmektedir. Sıkıştırma yönü paralelinde, numunenin en alt bölgesinde 250 HV mikrosertliği ölçülürken, en üst bölgesinde ise 300 HV değeri ölçülmüştür. En üst bölgede sertlik artışı alt bölgeye nispeten yaklaşık % 22 mertebesinde gerçekleşmiştir. Genel olarak, Ti-5Al-2.5Fe alaşımının boyuna ve enine durumdaki ortalama sertlik değeri 280 HV mertebesinde olduğu tespit edilmiştir. Sonuç olarak 92

108 TM yöntemiyle imal edilen Ti alaşımlarının ortalama sertlik değerleri karşılaştırmalı olarak Şekil de verilmiştir. 500 Ortalama Mikrosertlik Değerleri Mikrsosertlik Değeri (HV) Ti-6Al-4V Ti-6Al-4V- 4Ta Ti-6Al-7Nb Ti-5Al-2.5 Fe Alaşım Tipi Şekil TM Ti alaşımlarının ortalama mikrosertlik değerleri Şekil e göre, Ti-5Al 2.5Fe alaşımı en düşük mikrosertliğe sahip olmakla birlikte Ti-4Al-6V alaşımı en yüksek mikrosertlik değerine sahiptir. Ti-6Al-4V-4Ta alaşımı ise, Ti-6Al-7Nb ve Ti-5Al-2.5Fe alaşımlarından yüksek, Ti-6Al-4V alaşımından daha düşük mikrosertliğe sahiptir. Bu durumda, Ti-5Al 2.5 Fe alaşımı çekme ve eğme deneylerinde de görüldüğü gibi, diğer alaşımlara nazaran daha sünek bir yapıya sahip olduğu mikrosertlik sertlik ölçümlerinde de gözlemlenmiştir. Ti- 6Al-4V-4Ta alaşımının ise, Ti-6Al-4V alaşımına nazaran daha yumuşak yapıya sahip olduğu eğme ve sertlik deneylerinde tespit edilmiştir Aşınma Deney Sonuçları Dört farklı TM Ti alaşımlarının aşınma karakteristikleri, kuru sürtünme durumunda ve vücut sıvısı ile benzeş olan hank sıvısı ortamında belirlenmiştir. Deneylerde kullanılan hank sıvısının kimyasal içeriği: 8 NaCl, 0,4KCl, 0,14 CaCl 2, 0,06 MgSO 4, 7 H 2 O, 0,06 NaH 2 PO 4, 2 H 2 O, 0,35 NaHCO 3, 1 Glikoz, 0,6 KH 2 PO 4, 0,1 MgCl 2 ve 6 H 2 O (g/l) dir. Adheziv aşınma deneyi sonrası, kuru ve hank sıvısı ortamında elde edilen ağırlık kaybı değerleri Şekil 4.15 de verilmiştir. Şekil de görüldüğü gibi, her 2000 turda ve toplam tur sonrası belirlenen ağırlık kaybına göre, tüm alaşımlar hank sıvısı ortamında daha fazla aşınmıştır. Bunun nedeni, hank sıvısı ortamında yapılan aşınma deneylerinde, kullanılan sıvının kimyasal içeriğinde bulunan MgCl 2, CaCl 2, KCl ve NaCl bileşiklerinin abraziv ve aşındırıcı etkisi 93

109 olabileceği literatür çalışmasıyla tespit edilmiş (Aktaş, 1997; Aktaş, 2006, sözlü görüşme). Bir başka raporda, sıvı ile yüzeyler arasında mekanik etkileşim sonrası erozyon aşınmasının etkili olabileceği tespit edilmiştir (Tribology, 2006). Ağırlık kaybı (g) 0,24 0,21 0,18 0,15 0,12 0,09 0,06 0,03 0 R 2 = 0,9889 R 2 = 0,8527 R 2 = 0,9199 R 2 = 0, Tur Ti-6Al-4V-4Ta Ti-6Al-4V Ti-5Al-2.5Fe Ti-6Al-7Nb (a) Ağırlık Kaybı (g) 0,064 0,056 0,048 0,04 0,032 0,024 0,016 0,008 0 R 2 = 0,9992 R 2 = 0,9711 R 2 = 0,9971 R 2 = 0, Tu r Ti-6Al-4V-4Ta Ti-6Al-4V Ti-5Al-2.5Fe Ti-6Al-7Nb (b) Şekil a) Hank sıvısı ortamında ağırlık kaybı, b) Kuru kayma durumunda ağırlık kaybı Hank sıvısı ortamında Ti-5Al 2.5Fe alaşımı, tur kayma mesafesine kadar en düşük ağırlık kaybı karakteristiği göstermiş, ancak turdan sonra ani ağırlık kaybı gözlemlenmiştir. Ti-6Al-7Nb alaşımı, 2000 tur kayma mesafesine kadar aşırı ağırlık kaybı göstermiş ve 2000 turdan sonra lineer olarak aşınmaya devam etmiştir. Ti-5Al-2.5Fe ve Ti-6Al-7Nb alaşımlarında oluşan kararsız aşınma performansı Şekil 4.15-b de verilen R 2 değerleri ile daha iyi anlaşılmaktadır. Ti-6Al-4V ve Ti-6Al-4V- 4Ta alaşımları ise, homojen bir aşınma karakteristiği göstermiş ve % 4 Ta ilaveli 94

110 alaşım Ti-6Al-4V alaşımına göre daha düşük ağırlık kaybı ile daha az aşınmıştır. Toplam tur sonrası Ti-6Al-4V-4Ta alaşımı yaklaşık 0,14 g ağırlık kaybı ile en az aşınan alaşım olarak nitelendirilmiştir. Ti-5Al-2.5Fe alaşımı ise, 0,226 g toplam ağırlık kaybı ile en fazla aşınan alaşımdır. Kuru kayma durumunda ise, Ti-6Al-7Nb alaşımı lineer aşınma karakteristiği göstermiş ve toplam tur kayma mesafesinde yaklaşık 0,059 g ağırlık kaybı ile en fazla aşınan alaşımdır. Ti-6Al-4V- 4Ta alaşımıyla Ti-6Al-4V alaşımı benzer aşınma karakteristiği göstermiş ve toplam turda % 4 Ta ilaveli alaşım yaklaşık 0,027 g ağırlık kaybı ile Ti-6Al-4V alaşımından daha az aşınmıştır. Ti-5Al 2.5Fe alaşımı ise, kuru kayma durumunda düşük performans göstermiştir. Aşınma deneyi sırasında, bütün Ti alaşımlarının dinamik sürtünme katsayıları ve sürtünme kuvveti değerleri anlık olarak ölçülmüş ve her bir alaşımın değerleri hank sıvı ortamında ve kuru kayma durumunda karşılaştırmalı olarak verilmiştir. Bu durum Şekil ve Şekil de Ti-5Al- 2.5Fe alaşımı için verilmiştir. Ti-5Al-2.5 Fe Alaşmı Sürtünme Katsayısı Sürtünme Katsayısı 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 13:33:36 13:40:48 13:48:00 13:55:12 14:02:24 14:09:36 14:16:48 14:24:00 14:31:12 Süre (s) Süre (s) Ti-5Al-2.5Fe Alaşımı Kuru Kayma Durumunda Ti-5Al-2.5Fe Alaşımı Hank Sıvısı Ortamında Şekil Ti-5Al-2.5Fe alaşımının dinamik sürtünme katsayısı değerleri Ti-5Al-2.5Fe Alaşımı Sürtünme Kuvveti Sürtünme Kuvveti :33:3 6 13:40:4 8 13:48:0 0 13:55:1 2 14:02:2 4 Süre (s) 14:09:3 6 14:16:4 8 14:24:0 0 14:31:1 2 Ti-5Al-2.5Fe Alaşımı Hank Sıvısı Ortamında Ti-5Al-2.5Fe Alaşımı Kuru Kayma Durumunda Şekil Ti-5Al 2.5Fe alaşımının oluşan sürtünme kuvveti değerleri 95

111 Şekil de görüldüğü gibi, Ti-5Al 2.5Fe alaşımının sürtünme katsayısı, kuru kayma durumunda 0,3 den başlayıp 0,6 değerine kadar artan bir şekilde karakteristik göstermiştir. Hank sıvısı ortamında sürtünme katsayısı, yaklaşık 0,6 mertebesinde lineer bir şekilde devam etmiştir. Sürtünme kuvvetleri ise sürtünme katsayısına paralel olarak gözlemlenmiştir. Sürtünme kuvvetleri hank sıvısı ortamında yaklaşık N arasında, kuru durumda ise ortalama N mertebesinde ölçülmüştür. Bu durum ise, Hank sıvısı içerinde aşınmanın daha fazla olduğunu ispat etmektedir. Şekil ve Şekil da ise Ti-6Al-7Nb alaşımının sürtünme katsayısı ve oluşan sürtünme kuvvetleri verilmiştir. Ti-6Al-7Nb Alaşımı Sürtünme Katsayısı Sürtünme Katsayısı 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 18:43:12 18:50:24 18:57:36 19:04:48 19:12:00 19:19:12 19:26:24 19:33:36 Süre (s) Ti-6Al-7Nb Kuru Kayma Durumunda Ti-6Al-7Nb Hank Sıvısı Ortamında Şekil Ti-6Al-7Nb alaşımın dinamik sürtünme katsayısı değerleri Sürtünme Kuvveti (N) :43:1 2 18:50:2 4 Ti-6Al-7Nb Alaşımı Sürtünme Kuvveti 18:57:3 6 19:04:4 8 Süre (s) 19:12:0 0 19:19:1 2 19:26:2 4 19:33:3 6 Ti-6Al-7Nb Hank Sıvısı Ortamında Ti-6Al-7Nb Kuru Kayma Durumunda Şekil Ti-6Al-7Nb alaşımın sürtünme kuvveti değerleri 96

112 Şekil ve Şekil da görüldüğü gibi, Ti-6Al-7Nb alaşımının hank sıvısı ortamında sürtünme katsayısı 0,5 mertebesinde, kuru kayma durumunda ise 0,38 den başlayarak tur sonrası ise bu değer 0,7 mertebesine kadar yükselmiştir. Hank sıvısı ortamında sürtünme katsayısı değeri lineer, kuru kayma durumunda ise artan bir şekilde karakteristik göstermiştir. Hank sıvısı ortamında tur sonrası, Ti- 6Al-7Nb alaşımı daha fazla aşınmış ancak homojen sürtünme katsayısı elde edilmiştir. Sürtünme sırasında oluşan kuvvetler, hank sıvısı ortamında yaklaşık 40 N, kuru kayma durumunda yine artan bir karakteristikle yaklaşık 55 N mertebesinde gözlemlenmiştir. Ti-6Al-4V alaşımının dinamik sürtünme katsayısı ve adheziv aşınma sırasında oluşan sürtünme kuvveti değerleri Şekil ve Şekil de verilmiştir. Ti-6Al-4V Alaşımı Sürtünme Katsayısı Sürtünme Katsayısı 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 11:09:36 11:16:48 11:24:00 11:31:12 11:38:24 11:45:36 11:52:48 12:00:00 Süre Zaman (s) (s) Ti-6Al-4V Kuru Kayma Durumunda Ti-6Al-4V Hank Sıvısı Ortamında Şekil Ti-6Al-4V alaşımı dinamik sürtünme katsayısı değerleri Ti-6Al-4V Alaşımı Sürtünme Kuvveti Sürtünme Kuvveti (N) :09:36 11:16:48 11:24:00 11:31:12 11:38:24 11:45:36 11:52:48 12:00:00 Süre Zaman (s) (s) Ti-6Al-4V Hank Sıvısı Ortamında Ti-6Al-4V Kuru Kayma Durumunda Şekil Ti-6Al-4V alaşımının sürtünme kuvveti değerleri 97

113 Ti-6Al-4V alaşımının hank sıvısı ortamında sürtünme katsayısı yaklaşık 0,45 0,5 aralığında, kuru sürtünme durumunda 0,2 den başlayarak toplam tur sonrası 0,45 mertebesine yükseldiği Şekil 4.20 de görülmektedir. Diğer alaşımlara benzer olarak hank sıvısı içerisinde homojen sürtünme katsayısı, kuru kayma koşullarında ise artan bir şekilde sürtünme katsayısı ölçülmüştür. Hank sıvı ortamındaki aşınma deneyinde oluşan sürtünme kuvveti yaklaşık 35 N mertebesinde, kuru kayma durumunda ise, 15 N dan başlayarak turda 35 N olarak ölçülmüştür. Bu alaşımda, Ti-6Al-7Nb ve Ti-5Al-2.5Fe alaşımına nazaran daha düşük sürtünme kuvveti ve katsayısı elde edilmiştir. Ti-6Al-4V alaşımına % 4 Ta nın takviyesiyle imal edilen Ti-6Al-4V-4Ta alaşımının sürtünme katsayısı ve sürtünme kuvveti değerleri Şekil ve Şekil de verilmiştir. Sürtünme Katsayısı 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 12:00:0 0 12:07:1 2 Ti-6Al-4V-4Ta Alaşımı Sürtünme Katsayısı 12:14:2 4 12:21:3 12:28:4 6 8 Süre Zaman (s) (s) Ti-6Al-4V-4Ta Kuru Kayma Durumunda 12:36:0 0 12:43:1 2 12:50:2 4 12:57:3 6 Ti-6Al-4V-4Ta Hank Sıvısı Ortamında Şekil Ti-6Al-4V-4Ta alaşımının dinamik sürtünme katsayısı değerleri Sürtünme Kuvveti (N) Ti-6Al-4V-4Ta Alaşımı Sürtünme Kuvveti :00:00 12:14:24 12:28:48 12:43:12 12:57:36 Süre Zaman (s) (s) Ti-6Al-4V-4Ta Hank Sıvısı Ortamında Ti-6Al-4V-4Ta Kuru Kayma Durumuında Şekil Ti-6Al-4VTa alaşımının oluşan sürtünme kuvveti değerleri 98

114 Ti-6Al-4V-4Ta alaşımının hank sıvısı ortamında sürtünme katsayısı değeri, yaklaşık 0,6 mertebesinde homojen bir durumda, kuru kayma şartlarında ise 0,15 değerinden başlayıp turda 0,6 mertebesine kadar yükselen bir karakterde olduğu Şekil 4.22 de görülmektedir. Özellikle turdan sonraki ölçümlerde sürtünme katsayısı ve sürtünme kuvveti değerlerindeki düşüş Şekil 4.24 de gözlemlenmiştir. Bu ise, Ti-6Al-4V-4Ta alaşımının uzun süreli kullanımlarda sürtünme kuvveti ve katsayısı değerinin bir miktar düşebileceğini göstermektedir. Hank sıvılı ortamda yapılan aşınma deneyinde sürtünme kuvveti N mertebesinde, kuru kayma durumunda ise 10 N dan başlayarak tur sonrası N mertebesinde ölçülmüştür. Aşınma öncesi ve sonrası Ra ve Rt yüzey pürüzlülük değerleri ölçülmüş ve bu değerler Şekil ve Şekil de verilmiştir. Ra (mikron) 1,8 1,6 1,4 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0 Ti-6Al-4V Ti-6Al-4V-4Ta Ti-6Al-7Nb Ti-5Al-2.5Fe Alaşım Kuru Kayma Durumuda Aşınma Öncesi Ra Değerleri Kuru Kayma Durumda Aşınma Sonrası Ra Değerleri Hank Sıvısı Ortamında Aşınma Öncesi Ra Değerleri Hank Sıvısı Ortamında Aşınma Sonrası Ra Değerleri Şekil Alaşımların hank sıvısı ortamında ve kuru kayma durumunda aşınma öncesi ve sonrası Ra değerleri Rt (Mikron) Ti-6Al-4V Ti-6Al-4V-4Ta Ti-6Al-7Nb Ti-5Al-2.5Fe Alaşım Kuru Kayma Durumunda Aşınma Öncesi Rt Değerleri Kuru Kayma Durumunda Aşınma Sonrası Rt Değerleri Hank Sıvısı Ortamında Aşınma Öncesi Rt Değerleri Hank Sıvısı Ortamında Aşınma Sonrası Rt Değerleri Şekil Alaşımların hank sıvısı ortamında ve kuru kayma durumunda aşınma öncesi ve sonrası Rt değerleri 99

115 Şekil de görüldüğü gibi, hank sıvısı ortamında aşınma deneyi sonrası, minimum yüzey pürüzlülük değeri olarak tanımlanan Ra değeri, Ti-6Al-4V-4Ta alaşımında 0,3 µm ve T-6Al-4V alaşımında ise 0,65 µm mertebesinde ölçülmüştür. Ti-6Al-7Nb ve Ti-5Al-2.5Fe alaşımları ise benzeş karakteristik göstermiş olup 0,8 µm mertebesinde Ra değerine sahiptirler. Kuru kayma şartlarında ise, Ti-6Al-4V, Ti- 6Al-4V-4Ta ve Ti-6Al-7Nb alaşımları benzeş durumda ve yaklaşık 1 µm Ra değerine sahip olduğu görülmektedir. Ti-5Al-2.5Fe alaşımının Ra değeri diğer alaşımlara nazaran yüksek olup 1,2 µm ölçülmüştür. Şekil 4.25 de verilen Rt değerleri ise ölçülen maksimum yüzey pürüzlülük değerleridir. Kuru kayma durumunda, Rt değerleri Ra değerleri ile paralel olarak Ti-6Al-4V, Ti-6Al-4V-4Ta ve Ti-6Al-7Nb alaşımları yaklaşık 14 µm, Ti-5Al-2.5Fe alaşımının ise 24 µm mertebesinde ölçülmüştür. Hank sıvısı ortamında yapılan aşınma deneyi sonrası elde edilen Rt değerleri, Ti-6Al-4V-4Ta alaşımında 10 µm, Ti-6Al-4V alaşımında 12 µm olarak ölçülmüştür. Ti-6Al-7Nb ve Ti-5Al 2.5Fe alaşımları ise benzeş karakteristik göstermiş olup yaklaşık 16 µm Rt değerine sahiptirler. Bu durumda maksimum yüzey pürüzlülük değeri Rt, % 4 Ta takviyeli alaşımda oldukça düşük ve Ti-6Al- 7Nb, Ti-5Al 2.5Fe alaşımlarında ise daha yüksek değerde olduğu görülmektedir. 100

116 4.6. Metalografik Bulgular Aşınma Numunelerinin Optik Mikroskopta Analizi Adheziv aşınma deneyine tabi tutulan TM Ti alaşımlarının aşınma performansları, aşınma yüzey morfolojisi ve yüzey üzerinde oluşan aşınma mekanizmalarının optik incelenmesiyle desteklenmiştir. Her bir alaşımda kuru ve hank sıvısı ortamında oluşan aşınma karakteristiği, yüzeyler üzerinde meydana gelen aşınma çizik yoğunluğu, boyutu ve tipine bağlı olarak nitelendirilmiştir. Özellikle, hank sıvısı ortamında adheziv, abraziv ve erozyon aşınma mekanizmalarının oluşup oluşmadığı ve kuru sürtünme durumunda oluşan aşınma tipi tayin edilmiştir. Aşınmış yüzeyler üzerinden alınan yüzey pürüzlülük değerlerinin yapılan mikro yapı analizleri ile uyumlu olup olmadığı belirlenmiştir. Bu durum, Ti-5Al-2.5Fe alaşımı için Şekil da gösterilmiştir. Abraziv Aşınma A 200µm B 100µm a b Şekil Ti-5Al-2.5 Fe alaşımı için a) kuru kayma durumunda b) hank sıvısı ortamında aşınan yüzeyin optik görüntüsü Şekil a da, kuru kayma şartlarında disk ve numune arasına sert partiküllerin girmesi sonucu oluşan abraziv etki Ti-5Al-2.5Fe alaşımında diğer alaşımlara nazaran daha fazla gözlemlenmektedir. Hank sıvısı ortamında ise numune üzerine yapışan partiküllerin belli bir kayma mesafesi sonrası koparak oluşturdukları adheziv aşınma ve 7.4 PH değerine sahip hank sıvısının yüzeylerle etkileşimi sonucu oluşan erozyon aşınma mekanizması (A bölgeleri) ile birlikte abraziv aşınma mekanizması da B bölgesinde görülen görülmektedir. Adheziv aşınmanın etkisi abraziv aşınmadan daha fazla olduğu ölçülen ağırlık kaybı ile tespit edilmiştir. Dolayısıyla, hank sıvısı 101

117 ortamında yapılan aşınma deneylerinde, kullanılan sıvının kimyasal içeriğinde bulunan MgCl 2, CaCl 2, KCl ve NaCl bileşiklerinin abraziv aşındırıcı etkisi olabileceği literatür çalışmasıyla tespit edilmiş (Aktaş, 1997) ve bu abraziv etki ile birlikte oluşan adheziv ve erozyon aşınmaları sonrası toplam ağırlık kaybı, kuru sürtünmeye nazaran daha fazla meydana gelmiştir. Ayrıca, A bölgesinde görüldüğü gibi, hank sıvısı ile yüzeyler arasındaki mekanik etkileşim sonrası numune katı yüzeylerinden malzeme erozyonu şeklinde aşınma tipi tespit edilmiştir. Abraziv, adheziv, bölgesel ve küçük erozyon aşınma mekanizmaları sonrası oluşan karmaşık aşınmanın en yoğun gözlemlendiği alaşım olarak, aşınma sonrası ölçülen Rt yüzey pürüzlülük değeri diğer alaşımlara nispeten daha fazla değerde ölçülmüştür. Şekil de Ti-6Al-7Nb alaşımı aşınma numunelerinin yüzey fotoğrafları verilmiştir. Abraziv Aşınma A 200µm 100µm a b Şekil Ti-6Al-7Nb alaşımı için a) kuru kayma durumunda b) hank sıvısı ortamında aşınan yüzeyin optik görüntüsü Ti-6Al-7Nb alaşımının kuru kayma deneyi sonrası aşınma nedeni, Ti-5Al 2.5Fe alaşımına benzer olarak abraziv etki sonrası benzer karakteristik göstermiş ancak hank sıvısı ortamında adheziv ve erozyon aşınma mekanizmasının yanı sıra daha derin ve geniş abraziv çizik oluşumu ve daha az erozyon aşınma mekanizmasının etkili olduğu A bölgelerinde görülmektedir. Yüzey pürüzlülük değerleri ile kıyaslandığında, Ti-6Al-7Nb alaşımının kuru kayma durumunda Rt değerinin düşük olmasından dolayı, abraziv aşınma çizgilerinin derinliği Ti-5Al-2.5Fe alaşımına nazaran daha düşük mertebede olduğu ve erozyon aşınma mekanizmasının oluşmadığı gözlemlenmiştir. Hank sıvısı ortamında ise, yüzey karakterizasyonları birbiri ile benzeş ancak erozyon aşınmasının daha az oluşmasından dolayı, kütle 102

118 kaybı olarak Ti-6Al-7Nb alaşımı Ti-5Al 2.5Fe alaşımına nazaran daha az aşınmıştır. İmplant uygulamalarında sıklıkla kullanılan Ti-6Al-4V alaşımının aşınma sonrası yüzey incelemesi Şekil de verilmiştir. Abraziv Aşınma A A 200µm 100µm a b Şekil Ti-6Al-4V alaşımı için a) kuru kayma durumunda b) hank sıvısı ortamında aşınan yüzeyin optik görüntüsü Ti-6Al-4V alaşımının aşınmış yüzey analizinde, kuru kayma durumunda Ti-5Al 2.5Fe ve Ti-6Al-7Nb alaşımlarına nispeten kuru kayma durumunda daha yüzeysel abraziv çizikler, hank sıvısı ortamında ise daha ince abraziv çizik oluşumu, adheziv ve daha lokal alanlarda oluşan erozyon etkisinin oluştuğu Şekil b de görülmektedir. Hank sıvısı ortamında, ağırlık kaybını önemli oranda etkileyen adheziv ve erozyon aşınma mekanizmalarının daha az oluşmasıyla, bu alaşımda meydana gelen ağırlık kaybı diğer iki alaşıma nispeten daha düşük ölçülmüştür. Rt maksimum yüzey pürüzlülük değeri oluşan yüzeysel abraziv çizikler ile, Ti-6Al-7Nb ve Ti-5Al-2.5Fe alaşımlarına nazaran yaklaşık % 25 oranında daha düşük ölçülmüştür. Dolayısıyla, Ti-6Al-4V alaşımı diğer iki alaşıma nispeten vücut ortamında daha az ağırlık kaybına neden olabileceğini ve aşınma sonrası oluşan yüzey kalitesinin daha iyi olabileceğini ortaya koymuştur. % 4 Ta ilavesi ile imal edilen Ti-6Al-4V-4Ta implant alaşımının aşınma sonrası yüzey karakterizasyonu Şekil da verilmiştir. 103

119 Abraziv Aşınma A 200µm 100µm a b Şekil Ti-6Al-4V-4Ta alaşımı için a) kuru kayma durumunda b) hank sıvısı ortamında aşınan yüzeyin optik görüntüsü Şekil a da görüldüğü gibi Ti-6Al-4V-4Ta alaşımının kuru kayma şartlarında oluşan abraziv aşınma çizgileri, Ti-6Al-4V, Ti-6Al-7Nb ve Ti-5Al-2.5Fe alaşımlarına nispeten oldukça yüzeyseldir. Hank sıvısı ortamında yapılan aşınma deneyinde ise, diğer alaşımlara nispeten daha düşük adheziv ve erozyon aşınma mekanizmalarının oluştuğu gözlemlenmektedir. Bu sebeplerden dolayı, Ti-6Al-4V- 4Ta alaşımının maksimum yüzey pürüzlülük Rt değeri diğer alaşımlardan daha düşük ölçülmüş olup bu değer ile optik görüntüler uyum sağlamaktadır. Minimum yüzey pürüzlülük Ra değerinde ise, diğer alaşımlara göre daha yüzeysel abraziv çizikler ile oldukça belirgin bir düşüş göstermiştir. Bu sayede, Ti-6Al-4V alaşımına % 4 Ta ilavesi ile, hank sıvısı ortamında oluşan adheziv aşınma mekanizması ve MgCl 2, CaCl 2, KCl ve NaCl bileşiklerinin abraziv etkisi sonrası diğer alaşımlara nispeten daha düşük ağırlık kaybı ve yüzey pürüzlülük değeri elde edilebilmiştir. Genel kapsamda, hank sıvısının oluşturduğu erozyon ve abrazyon aşınma mekanizmalarının yoğunluğu, alaşımların mikrosertlik değerleri ile yakından ilişkili olduğu görülmektedir. Şekil 4.14 de verildiği gibi, en yoğun erozyon ve abrazyon etkinin görüldüğü alaşım Ti-5Al-2.5Fe alaşımının mikrosertlik değeri diğer alaşımlara nispeten daha düşüktür. Mikrosertliği yüksek olan alaşım abrazyon ve adhezyon mekanizmalarına karşın daha kararlı bir karakter göstermiştir. 104

120 Eğme Kırık Yüzeyi SEM ve EDS Analizi Eğme deneylerinde, sehim miktarı sünekliliği ifade etmektedir. Ancak sünek ve gevrek yapının daha iyi anlaşılabilmesi için herbir TM alaşımının kırık yüzeyi metalografik çalışmalarla karakterize edilmiştir. Bu karakterizasyon, dört farklı TM Ti alaşımlarının eğme numunelerinin kırık yüzeyi karakterizasyonu, oluşan kırığın tipi, partiküller arası oluşan boyun mekanizmasının yoğunluğu, partikül bağları ve partikül içi kırılmaların oluşup oluşmadığının araştırılması ile yapılmıştır. Ayrıca, kırık yüzeyinde yapılan EDS analizleri ile alaşım elamanlarının homojen dağılımı tespit edilmiştir. Her bir alaşımın kırık yüzeylerinin makro görüntüsü Şekil 4.30 da verilmiştir. 10 mm a b c d Şekil Kırık yüzeyleri makro görüntüsü (a) Ti-6Al-4V, (b) Ti-6Al-4V-4Ta, (c) Ti-6Al-7Nb, (d) Ti-5Al-2.5Fe Şekil 4.30 incelendiğinde, Ti-6Al-4V-4Ta alaşımı diğer üç alaşıma nispeten sünek kırılma karakteristiği göstermiş ve Ti-5Al-2.5Fe alaşımı ise Ti-6Al-4V ve Ti-6Al- 7Nb alaşımlarına göre daha sünek karaktere sahip olduğu görülmektedir. Ti-6Al-4V ve Ti-6Al-7Nb alaşımları ise düz bir kırılma yüzeyi ile gevrek yapıya sahiptir. Ti- 6Al-4V-4Ta ve Ti-5Al-2.5 alaşımlarının kırık yüzeyleri kademeli bir şekilde oluşmuş ve bu ise sünek kırılganlığı ifade etmektedir. Bu yüzeyler, eğme deneyi sırasında elde edilen sehim değerlerini doğrulamaktadır. Ancak, numuneleri daha iyi karakterize edebilmek için SEM analizi yapılmış ve Ti-6Al-4V alaşımının mikro kırık yüzey incelemesi Şekil de verilmiştir. 105

121 A (a) B (b) Şekil Ti-6Al-4V eğme numunesinde oluşan kırık yüzeyi SEM görüntüsü Şekil de görüldüğü gibi, Ti-6Al-4V alaşımında A bölgesinde tamamen tanenin kırılması ile gevrek kırılma, B de ise bağlarla birlikte tane içi kırılmalar gözlemlenmiştir. Bu ise, sinterleme ile gelişen boyun mekanizmasının mukavemetli olduğunu ancak mukavemet artarken sünekliğin azaldığını tespit etmiştir. Şekil de Ti-6Al-4V sinter boyun gelişimi verilmiştir. 106

122 A B Boyun çapı B A Şekil Ti-6Al-4V alaşımında sinter boyun gelişimi Sinterleme sonrası boyun mekanizması yoğun bir şekilde gelişmiş ancak A bölgelerinde görüldüğü gibi boyun ile birlikte partikül içi kırılma meydana gelmiştir. B bölgesindeki gözeneklerin küresel olması da, sinterleme sırasında kütle ve tane sınır difüzyonunun elverişli olduğunu göstermektedir. Şekil de ise Ti-6Al-4V alaşımının kırık yüzey bölgesinde element dağılımı verilmiştir. Element Ağırlık% Atomik% Al Ti V Toplam Şekil Ti-6Al-4V alaşımı kırık yüzeyi EDS analizi 107

123 Ti-6Al-4V kırık yüzeyi bölgesinde, Ti temel alaşıma ilave edilen Al ve V elementlerin % ağırlık miktarlarının homojen olduğu görülmektedir. Şekil de Ti-6Al-4V-4Ta alaşımı kırık yüzeyleri SEM fotoğrafı verilmiştir. A A (a) A (b) Şekil Ti-6Al-4V-4Ta alaşımı eğme numunesinde oluşan kırık yüzeyi SEM görüntüsü Ti-6Al-4V-4Ta alaşımında A alanlarında görüldüğü gibi, partikül boyun bölgelerinde kırılma yoğunlaşmış ve partikül içi kırılmalara nadiren rastlanmıştır. Bu alaşımda, partikül boyun mekanizmaları gelişmiş ancak boyun bölgelerinin kırılması sonucu 108

124 sünek davranış göstermiştir. Ti-6Al-4V-4Ta alaşımında sinterleme sonrası gelişen boyun mekanizması ve boyun bölgelerindeki kırılmalar Şekil de verilmiştir. A Boyun çapı A B Şekil Ti-6Al-4V-4Ta alaşımı sinter boyun gelişimi Ti-6Al-4V-4Ta alaşımında Ti-6Al-4V alaşımına benzer olarak boyun mekanizması gelişmiş ancak A alanlarında görüldüğü gibi kırılma sırasında düşük mukavemet göstererek boyun bölgelerinden kopmuştur. B bölgesinde gözenek yapısının küresel olduğu görülmekte ve sinterlemenin elverişli olduğunun kanısına varılmıştır. Tane içi kırılma daha az gözlemlenmiştir. Dolayısıyla Ti-6Al-4V-4Ta alaşımı diğer alaşımlara nispeten daha sünek bir şekilde kırılmıştır. Şekil da bu alaşımın kırık yüzey EDS analizi verilmiştir. Element Ağırlık% Atomik% Al Ti V Ta Toplam Şekil Ti-6Al-4V-4Ta alaşımı kırık yüzeyi EDS analizi 109

125 Ti-6Al-4V-Ta kırık yüzeyi bölgesinde, Ti temel alaşıma ilave edilen Al, V ve Ta elementlerin % ağırlık miktarlarının homojen olduğu görülmektedir. % 4 ilave edilen Ta elementi, bu bölgede yoğunlaşmış ve % 5.15 mertebesinde gözlemlenmiştir. Şekil de Ti-6Al-7Nb alaşımı kırık yüzeyleri SEM fotoğrafı verilmiştir. A B B (a) C B (b) Şekil Ti-6Al-7Nb alaşımı eğme numunesinde oluşan kırık yüzeyi SEM görüntüsü 110

126 Ti-6Al-7Nb alaşımında gevrek ve sünek kırılma tiplerinin birlikte oluştuğu karmaşık (catastrophic) bir kırılma tipi meydana gelmiştir. Zayıf sinter boyun mekanizması oluşmuş ve tane sınırlarında ayrılma gözlemlenmiştir. B alanlarında, nispeten sünek kırılma ve C bölgesinde ise gevrek kırılma tipi görülmektedir. Mikroyapıda büyük ve küresel olmayan gözeneklerin oluşmasıyla birlikte zayıf sinter boyun oluşumu, A bölgelerinde görülen Nb elementinin homojen olmadığı, Nb yığılmalarından oluşan iri taneli yapının oluşumu ve tane sınırlarından ayrılmalarının oluşması gibi faktörlerden dolayı, Ti-6Al-7Nb alaşımında sünek ve gevrek kırılmanın birlikte oluştuğu karmaşık kırılma tipi meydana gelmiştir. Şekil de Ti-6Al-7Nb alaşımında sinterleme sonrası oluşan boyun mekanizması verilmektedir. A Boyun çapı B Şekil Ti-6Al-7Nb alaşımı sinter boyun gelişimi A bölgesinde sinter boyun mekanizmasının gelişmediği ve B bölgesinde ise zayıf sinter bağ oluşumu görülmektedir. A bölgesinde gözenek yapısının küresel olmaması sinterleme sırasında kütle ve tane sınır difüzyonunun elverişli olmadığını ifade etmektedir. Sinterleme sonrası düşük yoğunluk artışı da, sinterlemenin etkili olmadığının bir tespiti olmuştur. Bundan dolayı, Ti-6Al-7Nb alaşımı düşük mukavemet ve süneklik karakteristiği göstermiştir. Şekil 4.39 da, Ti-6Al-7Nb için Şekil a da verilen A alanındaki iri taneli yapının EDS analizi ve Şekil da ise genel yapının EDS analizi verilmiştir. 111

127 Element Ağırlık% Atomik% Al K Ti K Nb L Toolam Şekil Ti-6Al-7Nb alaşımı kırık yüzeyindeki iri taneli yapının EDS analizi Element Ağırlık% Atomik% Al K Ti K Nb L Toplam Şekil Ti-6Al-7Nb alaşımı kırık yüzeyi genel yapının EDS analizi 112

128 Şekil da kırılmanın temelini teşkil eden iri taneli yapıda, alaşıma % 7 oranında ilave edilen Nb elementinin, bu bölgede % 49 mertebesinde yoğunlaştığı görülmektedir. Bu ise, bazı bölgelerde Nb elementinin tamamen çözünmediğini ve homojen dağılım göstermediğini ortaya koymaktadır. Nb nin mukavemet ve sünekliği arttırması beklenirken, yapıda heterojen dağılımından dolayı düşük mukavemet ve düşük sünekliğe neden olmuştur. Şekil 4.40 da ise, genel yapıda Nb alaşımı % 7,4 oranında dağılım göstermektedir. Şekil de Ti-5Al-2.5Fe alaşımının kırık yüzey SEM analizi verilmiştir. A A (a) A B A (b) Şekil Ti-5Al-2.5Fe alaşımı eğme numunesinde oluşan kırık yüzeyi SEM görüntüsü 113

129 Ti-5Al 2.5Fe alaşımında, boyun mekanizmalarından kırılmanın yoğunlaştığı sünek kırılma tipi Şekil de görülmektedir. A bölgeleri tamamen sünek kırılmanın gerçekleştiği alanlardır. Bu alaşımda sinter boyun gelişiminin ve kütle-tane sınır difüzyonunun çok daha fazla olduğu B bölgesinde belirgin bir şekilde görülmektedir. B A B Boyun çapı Şekil Ti-5Al-2.5Fe alaşımı sinter boyun gelişimi Şekil de, Ti-5Al-2.5Fe alaşımında sinter boyun mekanizması gelişiminin daha iyi olduğu ve A bölgesinin tamamen boyun mekanizmalarını içerdiği gözlemlenmektedir. Bu alaşımda, B bölgesindeki gözeneklerin küresel olması sinterlemenin ve boyun gelişimin elverişli olduğunu göstermektedir. Şekil 4.43 de Ti-5Al-2.5Fe alaşımı için, EDS analizi verilmiştir. Element Ağırlık% Atomik% Al K Ti K Fe K Toplam Şekil Ti-5Al-2.5Fe alaşımı kırık yüzeyi EDS analizi 114

130 Ti-5Al 2.5Fe alaşımın kırık yüzeyinde, elementlerin dağılımın homojen olduğu görülmektedir. Genel kapsamda, eğme mukavemeti-sehim miktarları ile numunelerin kırık yüzeyleri karşılaştırıldığında, en düşük mukavemet ve sehim miktarına sahip Ti-6Al-7Nb alaşımında daha zayıf boyun gelişimi gözlemlenmiştir. Nb elementinin mukavemet ve süneklik arttırması beklenirken, yapıda heterojen dağılımı ve zayıf boyun gelişiminden dolayı, Ti-6Al-7Nb alaşımında gevrek ve sünek kırılmanın birlikte oluştuğu karmaşık kırılma gözlemlenmiştir. Ti-6Al-4V alaşımında ise yüksek eğme mukavemeti ancak düşük sehim miktarı, daha çok tane içi kırılmanın gözlemlenmesi ile gevrek bir karaktere sahip olduğu sonucuna varılmıştır. Şekil da verilmiş olan ve yüksek sehim miktarlarına sahip Ti-5Al-2.5Fe ve Ti-6Al-4V-4Ta alaşımlarında ise, diğer alaşımlara nispeten yoğun bir şekilde boyun gelişimi ve gözeneklerin küreselleşmesi ile sünek kırılma tipi gözlemlenmiştir. Bu alaşımlarda, SEM analizleri sonrası sinterleme sırasında kütle-tane difüzyonunun ve sinter boyun mekanizmalarının elverişli bir şekilde geliştiği tespit edilmiştir. Metalografik bulgular ile eğme deneylerinden elde edilen sayısal veriler belirgin bir durumda örtüşmektedir. Ti-6Al-4V alaşımına % 4Ta ilavesi ile eğme durumunda süneklikte belirgin bir artış sağlanmıştır. 115

131 Mikro Yapı ve Optik-SEM Mikroskop İncelemeleri TM Ti alaşımlarının mikroyapı analizlerinde, gözenek dağılımı ve büyüklüğü, α/β dönüşüm miktarı ve Widmanstatten yapının oluşup oluşmadığı incelenmiştir. Ti-6Al- 4V alaşımı içyapı incelemesi Şekil de verilmiştir. B A A B 50µm Şekil Ti-6Al-4V alaşımı mikroyapısı Ti-6Al-4V alaşımında, arzu edilen α/β dönüşümü ve Widmanstatten yapının oldukça elverişli bir şekilde oluştuğu görülmektedir. B bölgelerinde dönüşmüş β fazı, A bölgelerinde ise eş eksenli α fazının oluşumu yoğunlaşmıştır. Ancak, Ti-6Al-4V alaşımının genelinde, iğnemsi α faz dönüşümü (dönüşmüş β) yoğunlaşmış ve bu yapı içerisinde nadiren eş eksenli α fazı gözlemlenmiştir. Lamel yapının yoğunluğu, eğme durumunda kırılganlığın temelini teşkil etmektedir. Gözeneklerin daha çok küresel durumda olduğu görülmekte olup, diğer alaşımlara nispeten daha az gözenek oluşumundan dolayı elde edilen mukavemet değerleri ile uyum sağlamaktadır. Eş eksenli α fazı B Şekil Ti-6Al-4V-4Ta alaşımı mikroyapısı 50µm 116

132 Ti-6Al-4V-4Ta alaşımında, eşeksenli α fazı ve kaba taneli bir durumda lamel β fazına dönüşmüş bir yapı elde edilmiştir. Ti-6Al-4V alaşımına nispeten daha büyük iğnesi α şeklinde gelişen dönüşmüş β fazı, A bölgelerinde görülmektedir. Daha iri taneli dönüşmüş β fazı ile birlikte küresel şekilli ancak nispeten büyük gözenekli yapıya sahip olduğu Şekil de görülmektedir. Şekil 4.46 da Ti-6Al-7Nb alaşımının mikroyapısı verilmiştir. Eş eksenli α fazı B Şekil Ti-6Al-7Nb alaşımı mikroyapısı 50µm Ti-6Al-7Nb alaşımında, daha büyük ve küresel olmayan gözeneklerin oluştuğu belirgin bir şekilde Şekil da görülmektedir. Diğer alaşımlara nispeten daha az ve ince lamel dönüşmüş β fazı ile birlikte eş eksenli α fazı daha sık bir durumda görülmektedir. Taneler arasında küresel olmayan gözeneklerle sinterleme sırasında daha az kütle ve tane sınır difüzyon oluşumu tespit edilmiş ve sinterlemenin diğer alaşımlara nispeten elverişsiz olduğu görülmektedir. Diğer alaşımlara nispeten tespit edilen düşük sinter boyun gelişimi ve gözenekli yapı ile optik görüntüler arasında belirgin bir uyumluluk vardır. A 50µm Şekil Ti-5Al-2.5Fe alaşımı mikroyapısı 117

133 Ti-5Al-2.5Fe alaşımında ise, gözeneklerin küresel olduğu ve yapının genelinde Widmanstatten yapının daha etkili bir şekilde oluştuğu Şekil de görülmektedir. Bu alaşımda, çoğunlukla dengelenmiş iğnemsi α fazı olarak bilinen lamel β fazına dönüşüm ve nadiren eşeksenli α fazı A bölgesinde görülmektedir. Gözeneklerin küresel olması, difüzyonun daha iyi olduğunu ve sinterlemenin de elverişli olduğunu göstermektedir. Optik mikroskopta incelemelerin yanı sıra mikroyapıları ve gözenek oluşumunu daha iyi anlayabilmek için, numunelerde SEM-EDS analizleri yapılmıştır. Şekil de Ti-5Al-2.5Fe alaşımı için verilmiştir. Gözenek A Şekil Ti-5Al-2.5Fe alaşımı mikroyapı SEM incelemesi Ti-5Al-2.5Fe alaşımında gözenek oluşumu, tanelerin birleştiği bölgelerde oldukça elverişli bir şekilde gelişmiş ve gözenek boyutunun yaklaşık 10 µm büyüklüğünde olduğu A bölgesinde görülmektedir. Mikroyapı dönüşümü, yaklaşık 6 µm genişliğinde ve µm aralığında uzunluğa sahip iğnemsi α fazı ile birlikte nadiren eş eksenli α fazı ve tane sınırlarına yerleşen ince β fazı şekilde gelişmiştir. 118

134 Ti-5Al-2.5Fe alaşımının homojen olduğu Şekil da verilen EDS analizlerinde görülmektedir. Element Ağırlık % Atomik % Al K Ti K Fe K Toplam Şekil Ti-5Al-2.5Fe alaşımı parlatılmış yüzeylerde EDS analizi A Şekil Ti-6Al-7Nb alaşımı mikro yapı SEM incelemesi 119

135 Nb Şekil Ti-6Al-7Nb alaşımı mikroyapı SEM incelemesi Şekil incelendiğinde, Ti-6Al-7Nb alaşımında gözenek oluşumu, oldukça karmaşık bir şekilde gelişmiş ve ortalama µm aralığındaki büyüklüğe sahip olduğu A bölgelerinde görülmektedir. Widmanstatten yapı dönüşümü oldukça büyük lamel şeklinde gerçekleşmiştir. Nb elementinin yapı içerisinde heterojen durumda olduğu Şekil de görülmektedir. Bu durum Şekil de verilen EDS analizi ile daha net bir şekilde ifade edilmiştir. Element Ağırlık % Atomik % Ti K Nb L Şekil Nb elementinin yapı içerisinde heterojen durumu 120

136 Şekil Ti-6Al-4V alaşımı mikroyapı SEM incelemesi Ti-6Al-4V alaşımında gözeneklerin küreselleşmesi ile birlikte Widmanstatten yapı dönüşümü Şekil de görülmektedir. Widmanstatten yapı, yaklaşık 5-10 µm kalınlığında ve µm aralığında iğnemsi α fazı şeklinde oluşmuştur. Diğer alaşımlara göre daha ince ve uzun lamel yapı gözlemlenmiştir. Gözenekleri ise, µm büyüklüğünde olduğu görülmektedir. Bu alaşımda, alaşım elemanları yapı içerinde homojen dağılım göstermiş ve bu durum Şekil de verilmiştir. Element Ağırlık % Atomik % Al K Ti K V K Toplam Şekil Ti-6Al-4V alaşımı parlatılmış yüzeylerde EDS analizi 121

137 Şekil Ti-6Al-4V-4Ta alaşımı mikroyapı SEM analizi Element Ağırlık % Atomik % Al K Ti K V K 3, Ta M 3, Toplam Şekil Ti-6Al-4V-4Ta alaşımı parlatılmış yüzeylerde EDS analizi Ti-6Al-4V-4Ta alaşımında gözenekler küreselleşmiş ancak Ti-6Al-4V alaşımına göre daha büyük boyutta olduğu Şekil de görülmektedir. Widmanstatten yapı, kalınlığı yaklaşık 8-15 µm, uzunluğu µm mertebesinde lamel şeklinde ve nadiren eş eksenli α fazı oluşumu gözlemlenmektedir. Bu alaşımda, alaşım 122

138 elamanları oldukça homojen dağılım göstermiş ve bu durum Şekil da görülmektedir. Genel kapsamda, TM yöntemiyle imal edilen α/β alaşımların tümünde, iğnemsi α yapı olarak tanımlanan dönüşmüş β yapısı ile birlikte eş eksenli α fazının da mevcut olduğu bir mikroyapı karakteri elde edilebilmiştir. Ti-6Al-4V alaşımında diğer alaşımlara nispeten aşırı ince iğnemsi α fazı dönüşümü ile birlikte daha az eş eksenli α fazı, Ti-5Al-2.5Fe alaşımında ise normal iğnemsi α fazı (Widmanstatten yapı) görülmüştür. Ancak, Ti-6Al-7Nb alaşımında küresel olmayan gözenek dağılımının tespiti ile sinter difüzyonunun elverişli olmadığı sonucuna varılmıştır. Ti-6Al-4V- 4Ta alaşımında ise küresel gözenekli yapı ile birlikte eş eksenli α fazı ve normal iğnemsi α fazından (dönüşmüş β) oluşan bir mikroyapı görülmüştür. Bu sinterleme koşullarının Ti-6Al-7Nb alaşımı için uygun olmadığı ve diğer alaşımlarda sinterlemenin daha etkili olduğu, SEM analizlerinde gözlemlenen sinter boyun oluşumu ve gözenek morfolojisi ve EDS analizlerinde elementlerin yapı içerisinde dağılımları ile belirlenmiştir. 123

139 5. SONUÇLAR ve TARTIŞMA Bu çalışmada, yeni araştırma alanı olarak nitelendirilen biyomalzemeler genel perspektifte incelenmiştir. Son yıllarda bu alandaki araştırmalar, implant uygulamalarında kullanılan yeni malzemelerin geliştirilmesi ve Ti alaşımları üzerine yoğunlaşmaktadır. Bu tez çalışmasında da, döküm yöntemiyle imal edilen Ti-5Al 2.5Fe, Ti-6Al-7Nb, Ti-6Al-4V alaşımlarının yanı sıra Ti-6Al-4V alaşımına % 4 oranında Ta ilave edilerek imal edilen Ti-6Al-4V-4Ta alaşımının, TM yöntemiyle üretilebilirliği ve numune tarzında imal edilen implant malzemelerinin fiziksel, mekanik, tribolojik ve metalografik özellikleri araştırılmıştır. Toz metalürjisi yöntemiyle imal edilen Ti alaşımlarının sıkıştırma sonrası 3.85 g/cm 3 ham yoğunluk değeri esas alınmış ve aynı sinterleme koşullarında sinterleme sonrası yoğunluk ve boyut değişimi incelenmiştir. Ayrıca, benzer teorik yoğunluğa sahip dört farklı TM Ti alaşımlarının, mekanik özellikleri, kuru kayma ve vücut sıvısı ile özdeş hank sıvısı ortamında aşınma performansları, aşınma sırasında oluşan sürtünme kuvvetleri ve sürtünme katsayısı değerleri, aşınma sonrası yüzey pürüzlülükleri, sinter boyun gelişimi, kırılma tipi ve mikroyapı karakterizasyonları ile ilgili birçok bulgu elde edilmiştir. Bu bulgular ile, implant uygulamalarında önem arz eden kemiğe yakın elastisite modülüne sahip alaşımın belirlenmesi ile birlikte vücut sıvı içerisinde uzun süreli kullanımlarda implant malzemesinde oluşan minimum kütle kaybına sahip ve optimum süneklik şartını sağlayan Ti alaşımı belirlenmeye çalışılmıştır. Deneysel çalışmalar sonrası elde edilen sonuçları aşağıdaki gibi özetleyebiliriz: Tasarlanan kalıp siteminde herbir alaşımın sıkıştırma basıncı, TM Ti alaşımlarının temel elementi olan titanyum tozunun görünür yoğunluğu, imal edilen numune geometrisi ve ulaşılmak istenen ham yoğunluk değeri dikkate alınarak ön deneysel çalışma sonrası belirlenmiştir. Tüm alaşımlar için 3,85 g/cm 3 (% 90 ham yoğunluk oranı) ham yoğunluk değerine ulaşılması hedeflenmiş ve bu yoğunluk değeri Ti- 6Al-4V ve Ti-6Al-4V-4Ta alaşımlarında 530 MPa, Ti-6Al-7Nb alaşımında 445 MPa, Ti-5Al-2.5Fe alaşımında ise 490 MPa sıkıştırma basıncı sonrası elde 124

140 edilmiştir. Sıkıştırma sonrası ham yoğunluk değeri sinterleme sonrası, Ti-6Al-4V ve Ti-5Al 2.5Fe alaşımlarında 3,92 g/cm 3 mertebesinde, Ti-6Al-4V-4Ta alaşımında yaklaşık 3,9 g/cm 3, Ti-6Al-7Nb da ise ortalama 3,88 g/cm 3 olarak belirlenmiştir. Fores vd. (1985), Ti-6Al-4V alaşımında MPa sıkıştırma basıncı sonrası yaklaşık % 90 ham yoğunluk değerine (3,97 g/cm 3 ) ulaşılabildiğini belirtmişlerdir. Güden vd. ise (2005), sıkıştırma basıncını 400 MPa mertebesinde uygulayarak %36 38 aralığında gözenekli yapıya sahip Ti-6Al-4V alaşımının üretilebildiğini, sıkıştırma basıncının azalmasıyla ham yoğunluk ve sinterlenmiş yoğunluk değerlerinin azaltılabildiğini ortaya koymuşlardır. Liu vd. (2006) de, Ti alaşımlarında sinterleme sonrası tam yoğun parça imalatında sıkıştırma yönteminin etkili olduğunu ileri sürmektedirler. Çalışmalarında, benzer sıkıştırma basıncında tek ve çift etkili sıkıştırmade % 95 teorik yoğunluğa, soğuk-sıcak izostatik sıkıştırma ile % 99 yoğunluğa ulaşılabildiğini bildirmişlerdir. Henriques vd. (2005), 80 MPa tek eksenli sıkıştırma sonrası % mertebesinde elde ettikleri ham yoğunluk değerinin, 300 MPa değerde soğuk izostatik sıkıştırma ve sinterleme sonrası % teorik yoğunluğa ulaşılabildiğini ileri sürmektedirler. Özellikle, Ti alaşımlarında daha yüksek yoğunluklu ve düşük gözenekli yapının elde edilebilmesi için CIP/HIP metodunu önermişlerdir. Bu çalışmada da, MPa sıkıştırma basıncında % ham yoğunluk değerine, sinterleme sonrası ise % mertebesinde teorik yoğunluğa ulaşılmıştır. Kalıp dizaynı, implant tasarımı ve sinterleme koşullarının seçiminde önemli bir unsur olan sinterleme sonrası % boyut ve yoğunluk değişimi değerleri tespit edilmiştir. Ti-6Al-4V alaşımında sinterleme sonrası yaklaşık % 1.5 oranında yoğunluk artışı elde edilmesi ile birlikte numunelerde % 1.5 mertebesinde boyutsal küçülme gözlemlenmiştir. Ti-6Al-4V-4Ta alaşımında ise, ortalama % 0.65 sinterleme sonrası yoğunluk artışı ve buna paralel olarak ortalama % 0.65 boyutsal küçülme gözlemlenmiştir. Ti-6Al-7Nb alaşımında ortalama % 0.4 yoğunluk artışı sağlanırken % 0,55 mertebesinde boyutsal küçülme tespit edilmiştir. Ti-5Al-2.5Fe alaşımında ise, diğer alaşımlara nispeten daha yüksek % yoğunluk artışı ve boyutsal küçülme gözlemlenmiş ve ortalama %1,85 mertebesinde sinterleme sonrası yoğunluk artışı sağlanırken yaklaşık % 1,9 boyutsal küçülme meydana 125

141 gelmiştir. Bu değerler birbiri arasında kıyaslandığında, diğer alaşımlara nispeten Ti-6Al-7Nb alaşımında daha düşük yoğunluk artışı ve boyutsal küçülme meydana gelmiştir. Bu ise, sinterleme sırasında kütle ve tane sınır difüzyonunun elverişsiz olduğu hakkında bilgi vermekte ve düşük yoğunluk artışının nedeni metalografik çalışma ile desteklenmiştir. Liu vd. (2006), Ti esaslı alaşımlarda 1200 o C sıcaklıkta sinterleme sonrası % 1,5-2,5 aralığında lineer bir boyutsal küçülme olabileceğini ifade etmişlerdir. Taddei (2005) ise, sinterleme sıcaklığının yoğunluk artışını önemli oranda etkilediğini ve alaşım içerisindeki elementlerin ergime sıcaklıkları göz önüne alınarak seçilmesi gerektiğini belirtmiştir. Çalışmasında, 4 g/cm 3 ham yoğunlukta imal ettikleri Ti-35Nb alaşımını, 1000 o C sıcaklıkta sinterleme sonrası yaklaşık 4,1 g/cm 3, 1200 o C sıcaklıkta sinterleme sonrası 4,4 g/cm 3 ve 1700 o C sıcaklıkta sinterleme sonrası 5.25 g/cm 3 teorik yoğunluğa ulaşıldığını rapor etmiştir. Sinterleme sonrası % yoğunluk değişimi ile % boyut değişimi arasında doğrusal bir ilişki olduğunu da ileri sürmektedir. Bu çalışmada da, aynı sinterleme koşullarında, sinterleme sonrası yoğunluk artışı, boyutsal küçülme ile kütle transferi ve tane sınır difüzyonu arasında doğrusal bir ilişki saptanmıştır. Örneğin, Ti-6Al-7Nb alaşımında ortalama % 0.4 yoğunluk artışı diğer alaşımlara göre düşük bir değerdir ve metalografik çalışmalarda da düşük kütle-tane sınır difüzyonu ve karmaşık şekilli ve büyük gözenek karakteri gözlemlenmiştir. İmal edilen TM Ti alaşımlarının mikrosertlik değerleri birbirleri ve literatür ile kıyaslanmıştır. Ti-6Al-4V alaşımında yaklaşık 400 HV, Ti-5Al-2.5Fe alaşımı 280 HV, Ti-6Al-7Nb alaşımı ise 340 HV mikrosertlik değeri elde edilmiştir. % 4Ta takviye ile imal edilen Ti-6Al-4V-4Ta alaşımı 370 HV mikrosertlik değerine sahip, Ta ilavesi Ti-6Al-4V alaşımının mikrosertlik değerini yaklaşık % 11 mertebesinde düşürmüştür. Ti-5Al-2.5Fe alaşımının diğer alaşımlara göre daha yumuşak karaktere sahip olduğu görülmüştür. Vinicius vd. (2001), Ti-6Al-7Nb alaşımında mikrosertlik değerinin sinterleme sıcaklığı ile değişebileceğini ileri sürmektedir. Optimum sinterleme koşullarında bu alaşımda HV sertlik değerinin elde edilebileceğini bildirmişlerdir. Choe vd. (2005), farklı toz boyutlarında imal ettikleri Ti-6Al-4V alaşımda, toz boyutunun mikrosertliği etkilediğini deneylerinde tespit etmiş ve 44 mikron toz boyutuna sahip Ti-6Al-4V alaşımının ortalama

142 HV mikrosertlik değerine sahip olduğunu rapor etmektedirler. Aoki vd. (2004), döküm yöntemiyle imal ettikleri Ti-6Al-4V alaşımda, yaklaşık 420 HV mikrosertlik değeri tespit etmişlerdir. Archbold (1999), yüksek lisans çalışmasında imal ettiği TM Ti-6Al-4V alaşımının mikrosertliğini yaklaşık HV mertebesinde ölçmüştür. Niinomi (1998) ise, Ti-5Al-2.5Fe alaşımının mikrosertliğini HV mertebesinde ölçmüştür. Bu çalışmada, tüm TM Ti alaşımları için elde edilen mikrosertlik değerlerinin literatürdeki değerlere oldukça yakın olduğu saptanmıştır. İmplant uygulamalarında eğme karakterizasyonun çekme özelliklerinden daha ziyade kullanıldığı literatür araştırması sonrası tespit edilmiştir (Yuehuei ve Draughn, 2000). Bu çalışmada da, tüm TM Ti alaşımlarının eğme dayanımları ve eğme dayanımlarına karşılık gelen sehim miktarları belirlenmiştir. Bu sayede, eğilme sırasında daha sünek ve uygun yük iletme kabiliyetine sahip TM Ti alaşımı tespit edilmiştir. Ayrıca, implantasyon uygulamalarında önemli bir parametre olan özgül eğme mukavemeti hesaplanmış ve karşılaştırılmıştır. Ti-6Al-4V alaşımı ortalama 1170 MPa eğme dayanımına ve 0,85 mm sehim miktarına, Ti-6Al-7Nb alaşımı 861 MPa mukavemetine ve 0,8 mm sehim miktarına, Ti-5Al-2.5Fe alaşımı 985 MPa eğme mukavemetine ve 1.6 mm sehim miktarına, Ti-6Al-4V-4Ta alaşımı ise 960 MPa eğme mukavemetine ve 1.7 mm sehim miktarına sahip olduğu tespit edilmiştir. Bu değerler kıyaslandığında, Ti-6Al-4V alaşımı yüksek mukavemetli ancak sehim miktarı oldukça düşük, Ti-6Al-4V-4Ta alaşımı ise kabul edilebilir mukavemet değerine sahip olmakla birlikte yüksek sehim miktarına sahip alaşımdır. Ti-6Al-7Nb alaşımında ise, en düşük mukavemet değeri elde edilmiş ancak düşük sehim miktarı ile gevrek yapıya sahip olduğu tespit edilmiştir. Ti-5Al- 2.5Fe alaşımı ise, yüksek eğme mukavemetine sahip olmakla birlikte arzu edilen sünek karakteristiğe sahip olduğu sonucuna varılmıştır. Ayrıca, implant uygulamalarında önem arz eden özgül eğme mukavemeti değerleri Tablo 5.1. de verilmiştir. 127

143 Çizelge 5.1. TM Ti alaşımlarının özgül eğme mukavemet değerleri Alaşım Tipi Özgül eğme mukavemeti (eğme dayanımı/yoğunluk) Sehim (mm) Ti-6Al-4V 296 0,85 Ti-6Al-4V-4Ta 246 1,8 Ti-5Al-2.5Fe 250 1,7 Ti-6Al-7Nb 218 0,8 Kurgan (2005), doktora çalışmasında TM 316 L paslanmaz çelik eğme numunelerinde ortalama 760 MPa eğme dayanımı tespit etmiş ve 108 özgül mukavemet tespit etmiştir. TM 316L paslanmaz çelik implantlar Ti alaşımları ile kıyaslandığında, oldukça düşük eğme dayanımı ve özgül mukavemet değerine sahip olduğu sonucuna varılmıştır. TM Ti alaşımlarının çekme deneyi sonrası çekme mukavemeti (kopma dayanımı), % uzama ve kesit daralma, poisson oranı ve sonik sistemle elastisite modül değerleri belirlenmiştir. Kemik implantasyonlarında önemli olan bazı veriler ile literatürden elde edilen döküm Ti alaşımlarının aynı özellikleri karşılaştırmalı olarak Çizelge 5.2. de verilmiştir. Çizelge 5.2. TM Ti alaşımları ile döküm Ti alaşımların karşılaştırılması Alaşım Elastisite Modül (GPa) Çekme Mukavemeti (MPa) Özgül Çekme Mukavemeti Yoğunluk (g/cm 3 ) % Kesit daralma % Uzama TM Ti6Al4V ,94 1,35 4,25 TM Ti6Al7Nb ,94 1,25 4,1 TM Ti5Al2.5Fe ,5 3,94 1,42 4,45 TM Ti6Al4V4Ta ,94 1,3 3,9 Döküm Ti6Al4V , Döküm Ti6Al7Nb , Döküm Ti5Al2.5Fe , Döküm 316 L SS , Kemik ,9-1 Çizelge 5.2. de görüldüğü gibi, implantasyon uygulamalarında önemli bir faktör olan elastisite modül ve yoğunluk, TM Ti alaşımlarında kemiğe en yakın değerde ölçülmüştür. Ancak TM Ti alaşımlarının sünekliği ve kopma dayanımları, döküm Ti alaşımlarına göre daha düşük değerdedir. Bunun temel nedeni, yapının 128

144 gözenekli olmasına bağlanabilir. Burada, benzeş yoğunluk değerlerine sahip TM Ti alaşımlarından, Ti-5Al-2.5Fe alaşımı yüksek çekme mukavemeti ve % uzama karakteristiği gösterirken, Ti-6Al-4V-4Ta alaşımı ise en düşük çekme mukavemeti ve kemiğe en yakın elastisite modülüne sahip alaşım olduğu deneylerle tespit edilmiştir. Leyens ve Peter (2003) ve Long ve Rack (1998) a göre, % 20 gözenekli olarak imal ettikleri TNZT alaşımının elastisite modülünün 55 GPa mertebesine kadar düşürülebildiği ve bu alaşımın 590 MPa çekme mukavemeti değerinin kabul edilebilir olduğunu bildirmişlerdir. Bu çalışmada da, literatüre göre TM Ti alaşımlarında elde edilen çekme mukavemeti değerlerinin kemik implantasyonu için kabul edilebilir olduğu ve Ti-6Al-4V-4Ta alaşımının düşük elastisite modülüne sahip olmasından dolayı implant uygulamalarında tercih edilebilir olduğu kanaatine varılmıştır. Sakaguchi vd. (2005), Ti esaslı Ti-30Nb-XTa-5Zr alaşımında % 5Ta ilavesinin elastisite modülünü % 11, % kesit daralmayı ise % 6 mertebesinde düşürdüğünü tespit etmiştir. Bu çalışmada da, Ti-6Al-4V alaşımına % 4 Ta ilavesi, elastisite modülünü % 30, % uzamayı ise % 8.2 mertebesinde azaltmıştır. Lee (2004) ise, yaptığı doktora çalışmasında, kemikte düşük elastisite modülü ve düşük % boyut uzama ile birlikte 1.9 g/cm 3 yoğunluk değeri saptamıştır. Çizelge 5.1. de görüldüğü gibi, döküm Ti alaşımlarının sünek yapıya sahip olmaları avantaj, yüksek elastisite modülü ve yoğunluk değerine sahip olmaları ise dezavantajlarıdır. TM Ti alaşımlarında ise, ortalama 3,94 g/cm 3 yoğunluk değeri ve düşük elastisite modül değerleri elde edilmiş ve bu değerler döküm alaşımlara nispeten kemik yoğunluğuna ve elastisite modülüne oldukça yakındır. Bu çalışmanın diğer bir önemli araştırması da, imal edilen TM Ti alaşımlarının kuru kayma ve vücut sıvısı ile özdeş hank sıvısı ortamında aşınma performanslarının belirlenmesidir. Aşınma sırasında oluşan sürtünme kuvvetleri ve dinamik sürtünme katsayısı değerleri, aşınma sonrası ve öncesi yüzey pürüzlülükleri karşılaştırmalı olarak ölçülmüştür. Aşınma deneylerinde tur kayma mesafesi sonrası elde edilen kütle kaybı, ortalama sürtünme katsayısı (FC) ve sürtünme kuvveti (FF) değerleri, Ra ve Rt yüzey pürüzlülük değerleri Çizelge 5.3. de karşılaştırmalı olarak verilmiştir. 129

145 Çizelge 5.3. Aşınma deneyi sonrası önemli bazı verilerin karşılaştırılması Alaşım Kütle kaybı (g) FC FF (N) Ra (µm) Rt (µm) Hank Kuru Hank Kuru Hank Kuru Hank Kuru Hank Kuru Ti6Al4V 0,156 0,0335 0,45 0, , Ti6Al4V4Ta 0,137 0,03 0,6 0, , Ti5Al7Nb 0,198 0,063 0,52 0, , Ti5Al2.5Fe 0,226 0,046 0,6 0, ,8 1, Bütün TM Ti alaşımları hank sıvısı ortamında kuru sürtünmeye nispeten daha fazla ağırlık kaybı görülmüştür. Literatür araştırması sonrası hank sıvısı içerisinde daha fazla aşınmanın nedeni, MgCl 2, CaCl 2, KCl ve NaCl bileşiklerinin abraziv ve adheziv aşınma mekanizmasını yoğunlaştıracağı olarak bildirilmiştir (Aktaş, 1997; H. Aktaş, 2006, sözlü görüşme). Bir başka araştırmada, sıvının Ti yüzeylerle mekanik etkileşimi sonucu erozyon aşınmasını oluşturabileceği rapor edilmektedir (Tribology, 2006). Çizelge 5.3 de görüldüğü gibi, TM Ti alaşımları hank sıvısı ortamında yaklaşık dört kat daha fazla aşınmıştır. Ağırlık kaybının daha fazla görüldüğü alaşımlarda mikrosertliğin daha düşük olduğu tespit edilmiştir. Yüzey sertliğinin artmasıyla aşınmanın azalacağı kanaatine varılmıştır. Kuru kayma şartlarında hank sıvısı ortamına göre, tur kayma mesafesi sonrasında Ti-6Al-7Nb alaşımında oluşan sürtünme kuvvetlerinin % 17 mertebesinde artmasıyla en fazla aşınan alaşım olarak nitelendirilmiştir. Ti-6Al-4V-4Ta alaşımındaki ise kuru kayma ile hank sıvısı ortamında yapılan deneylerde, oluşan sürtünme kuvveti değerleri birbirine çok yakın olduğu tespit edilmiştir. Ancak, bütün TM Ti alaşımlarında hank sıvısı ortamında yapılan aşınma deneylerinde oluşan sürtünme kuvvetleri ve sürtünme katsayısı, 2000 tur kayma mesafesinden tur kayma mesafesine kadar homojen ve lineer bir karakter, kuru kayma şartlarında ise artan bir karakteristik ile heterojen sürtünme katsayısı ve sürtünme kuvveti değerleri elde edilmiştir. Ayrıca, Ti-6Al-4V ve Ti-6Al- 4V-4Ta alaşımları hank sıvısı içerinde diğer alaşımlara göre daha kararlı bir aşınma performansı gösterdiği, Şekil de verilen tur-ağırlık kaybı eğrilerinin R 2 değerlerinde belirgin bir şekilde görülmektedir. 130

146 Kieswetter vd. (1996), implant yüzey karakterinin implantla doku arasındaki etkileşimi, protein emilimi ve diğer biyolojik uyumluluğu önemli oranda etkilediğini tespit etmişlerdir. Bu çalışmada da, aşınan numunelerin yüzey karakterizasyonları, dinamik sürtünme katsayısı ve Ra-Rt yüzey pürüzlülük değerlerinin ölçülmesi ile yapılmıştır. Choubey vd. (2005), yaptığı çalışmada, hank sıvısı ortamında döküm Ti-6Al-4V alaşımın 0,48, döküm Ti-5Al-2.5Fe alaşımının ise 0,3 sürtünme katsayısına sahip olduğunu bildirmişlerdir. Ramaniraka vd. (2006), kemikle implantasyon bölgesindeki dolgu maddesi arasında minimum sürtünme katsayısı 0,4 ve maksimum sürtünme katsayısı değerinin aralığında olduğunu bildirmişlerdir. Diğer bir başka çalışmada ise, Ti-6Al-4V alaşımının kemikle sürtünme etkileşimi sonrası, Ti-6Al-4V alaşımının sürtünme katsayısını 0,34-0,39 aralığında ölçmüşlerdir. Bu değerlerin tercih edilir seviyede olmasından dolayı, Ti-6Al-4V alaşımının implant olarak yaygın bir şekilde kullanıldığını rapor edilmektedir (Mischler and Pax, 2002). Bu çalışmada ise, Ti-6Al-4V alaşımı sürtünme katsayısı 0,45, Ti-5Al 2.5Fe ve Ti-6Al-4V-4Ta alaşımlarında yaklaşık 0,6, Ti-6Al-7Nb alaşımında ise 0.7 sürtünme katsayı değeri ölçülmüştür. Aşınma sonrası minimum (Ra) ve maksimum (Rt) yüzey pürüzlülük değerleri, Ti-6Al-4V- 4Ta alaşımında diğer alaşımlara nispeten düşük değerde olduğu saptanmıştır. Rose ve Beloti (2003) yaptığı çalışmada, yüzey pürüzlülüğün implant-kemik arasında oluşan kuvvetleri etkilediğini ifade etmiş ve kemik malzemenin ortalama Ra yüzey pürüzlülük değerinin 0,8 1,9 µm aralığında ölçmüş ve bu değerlerin kemik-implant etkileşimi için tavsiye edilir olduğunu rapor etmişlerdir. Leyens ve Peters (2003) ise, implant ve kemik arasında etkileşim sonrası mükemmel implantasyon için maksimum yüzey pürüzlülük değerinin 28 µm u aşmaması gerektiğini bildirmiştir. Sitting vd. (1999) ise, implantasyon uygulamalarında Ra değerinin önem arz ettiğini belirtmiş ve yaptığı yüzey pürüzlülük ölçümlerinde ortalama Ra değerini, c.p. Ti alaşımında 0,52 µm, Ti-6Al-4V alaşımında 0,36-0,4 µm ve Ti-6Al-7Nb alaşımında ise 0,6 µm mertebesinde olduğunu bildirmiştir. Bu çalışmada da, bütün TM Ti alaşımları Ra yüzey pürüzlülük değeri tavsiye edilen değerler arasında ölçülmüştür. Tribolojik özelliklerin tümü göz önüne alındığında, Ti-6Al-4V-4Ta ve Ti-6Al-4V alaşımları daha düşük ağırlık kaybı ve Ra değerleri ile tercih edilebilir durumda olduğu sonucuna varılmıştır. 131

147 Aşınma tiplerinin belirlenmesi için yapılan metalografik çalışmalar sonrası, kuru kayma durumunda abraziv aşınması, hank sıvısı ortamında yapılan aşınma numunelerinde daha çok erozyon, adheziv ve nispi olarak abraziv aşınma tipleri gözlemlenmiştir. Mikrosertliğe paralel olarak, düşük sertlik değerine sahip Ti-5Al- 2.5Fe alaşımında geniş ve derin abraziv çizik şeklinde oluşan aşınma gözlemlenmiştir. Hank sıvısı ortamında yapılan aşınma deneylerinde, Ti-5Al-2.5Fe alaşımında diğer alaşımlara nispeten daha fazla erozyon, adheziv ve abraziv aşınma mekanizmalarıyla oluşan karmaşık (catastrophic) aşınma görülmüştür. Ti-6Al-7Nb alaşımında ise, kuru kayma durumunda abraziv aşınma daha etkili görülmüş ve maksimum ağırlık kaybı ile diğer alaşımlara nispeten daha fazla aşınmıştır. Ancak, hank sıvısı ortamında Ti-5Al-2.5Fe alaşımına göre daha az erozyon, abraziv ve adheziv aşınma gözlemlenmiştir. Ti-6Al-7Nb ve Ti-5Al-2.5Fe alaşımları, hank sıvısı ortamında oldukça kararsız bir aşınma performansı göstermiş ve bu durum Şekil a da verilen R 2 değerlerinde belirgin bir şekilde görülmektedir. Ti-6Al- 4V ve Ti-6Al-4V-4Ta alaşımları benzeş ve kararlı aşınma performansı gösterdiği R 2 değerleri ile tespit edilmiş olup kuru ve hank sıvısı ortamında yapılan aşınma deneylerinde Ti-6Al-4V-4Ta alaşımı diğer üç alaşıma nispeten daha lokal erozyon, adheziv aşınma mekanizması ve daha yüzeysel abraziv çiziklerin oluşumu ile en az aşınan alaşım olarak tespit edilmiştir. Aşınma karakterizasyonları ile ilgili metalografik çalışmalar Bölüm 4.6. da verilmiştir. Bu sayede, % Ta ilavesi, Ti- 6Al-4V alaşımına daha yüksek aşınma performansı kazandırdığı sonucuna varılmıştır. Bu çalışmada yapılan en önemli analizlerden birisi de, kırık yüzeylerinin SEM mikroskobunda incelenmesi ile kırılma nedenlerinin araştırılması ve elde edilen sayısal verilerin metalografik incelemelerle karşılaştırılmasıdır. Eğme deneylerinde elde edilen sehim miktarları, alaşımların eğme durumunda sünekliklerini karakterize etmektedir. Ancak, sünek ve gevrek alaşımın ayırt edilmesi, kırılma tipinin, sinter boyun mekanizmalarının yeterli düzeyde oluşup oluşmadığının ve alaşım elemanlarının homojen dağılımının araştırılması ile sağlanabilir. Çizelge 5.1 de verilen sehim miktarlarına göre, Ti-6Al-7Nb alaşımı diğer alaşımlara göre düşük eğme dayanımına ve sehim miktarına sahiptir. Bu alaşımın kırık yüzey 132

148 incelemelerinde, sinterlemenin elverişsiz olduğu, yüksek gözenek oluşumu ve boyun oluşumunun diğer alaşımlara nazaran daha zayıf olduğu görülmüştür. Bu alaşımda, sıklıkla boyun bölgelerinden kopmaların yanı sıra boyun ile birlikte tane içi kırılmaların oluştuğu karmaşık (catastrophic) kırılma tipi gözlemlenmiştir. Diğer alaşımlara nispeten düşük eğme dayanımının ve sehim miktarının temel nedeni, kırık yüzeylerinde yapılan EDS analizleri ile Nb elementinin mukavemeti ve sünekliği arttırması beklenirken niyobyumun yapıda homojen dağılım göstermediğinden kaynaklandığı tespit edilmiştir. Başlangıçta % 7 mertebesinde ilave edilen Nb, kırık yüzeyinde tane irileşmesi ile birlikte % 47 mertebesinde Nb kümeleşmesi, Ti-6Al-7Nb alaşımında gevrek kırılmaya neden olmuştur. Ayrıca, Ti-6Al-7Nb alaşımında SEM analizi ile gözlemlenen karmaşık şekilli gözenekler ile sinterleme sonrası düşük % yoğunluk artışı ve % boyutsal küçülme arasında önemli bir uyumluluk tespit edilmiştir. Bu ise, belirlenen sinterleme koşullarının Ti-6Al-7Nb alaşımı için elverişli olmadığını ortaya koymaktadır. Eğme deneylerinde yüksek sehim miktarı karakteristiği gösteren Ti-6Al-4V-4Ta alaşımı kırık yüzey incelemelerinde, boyun bölgelerinde kırılmaların yoğun olduğu ve tane içi kırılmalara rastlanmadığı tamamen sünek bir kırılma tipi gözlemlenmiştir. Bu alaşımda, alaşım elamanları yapıda homojen bir şekilde dağılım göstermiş ve yüksek tane sınır ve kütle difüzyonu ile elverişli sinter boyun oluşumu ve gözeneklerin küreselleşmesi ile sinterlemenin elverişli olduğu saptanmıştır. Ti-5Al 2.5Fe alaşımı kırık yüzeylerinde ise, eğme durumunda elde edilen süneklik karakteristiği belirgin bir şekilde görülmüştür. Bu alaşımda da, alaşım elementlerinin yapıda homojen dağıldığı, gözeneklerin küreselleşmesi, daha yoğun kütle ve sınır difüzyonu ile elverişli sinter boyun oluşumu görülmüştür. Kırılma, sinter boyunlarından kırılma şeklinde oluşmuş ve yapının genelinde sünek kırılma tipi gözlemlenmiştir. Ti-6Al-4V alaşımında, en yüksek eğme dayanımı ve düşük sehim miktarı ölçülmüş ve bu durum kırık yüzey incelemelerinde açık bir şekilde görülmüştür. Bu alaşımda, yüksek sinter boyun gelişimi gözlemlenmiş ancak mukavemet artarken sünekliğin azaldığı tane içi kırılmaların yoğun bir şekilde oluşması ile tespit edilmiştir. Mukavemetli sinter bağlarının oluşumu ile kırılmalar boyun ile birlikte (sünek) tane içi kırılmaların oluştuğu gevrek kırılma 133

149 tipinin her ikisi de gözlemlenmiştir. Bu alaşımda, alaşım elementlerinin oldukça homojen dağılım gösterdiği EDS analizi ile tespit edilmiştir. TM Ti alaşımlarının tümünde deneysel olarak tespit edilen süneklik ve gevrek karakterizasyon ile metalografik olarak tespit edilen kırılma tipleri oldukça uyumludur. İmal edilen TM Ti alaşımlarının mikroyapıları, optik mikroskopta analizi ile gözenek dağılımı, ortalama tane büyüklüğü, mikroyapı dönüşümleri daha iyi anlaşılmıştır. Leyens ve Peters (2003) e göre, Ti alaşımlarında mekanik özelliklerin iyileştirilmesi, eş eksenli α fazı ile birlikte iğnemsi α fazının (Widmanstatten yapı) elde edilmesine bağlı olduğunu ileri sürmektedirler. Zeren vd. ( 2001) de, implant uygulamalarında kullanılan Ti-6Al-4V alaşımının Widmanstatten yapıda tercih edildiğini bildirmiştir. Choubey vd. (2005), dönüşmüş beta içerisinde ince ve iğnemsi şeklinde α fazı ile birlikte eş eksenli β fazına sahip mikroyapıların, implantasyonda tercih edildiğini tespit etmişlerdir. Bu çalışmada da, optik ve SEM analizleri ile elde edilen mikroyapılarda, bütün alaşımlarda iğnemsi α fazı olarak tanımlanan dönüşmüş β fazı ile birlikte eşeksenli α fazına sahip bir mikroyapı (Widmanstatten) elde edilmiştir. Özellikle, Ti-6Al-4V ve Ti-5Al-2.5Fe alaşımlarda elde edilen Widmanstatten yapının literatürde verilen mikroyapılarla (Donachie, 2000) uyum sağladığı sonucuna varılmıştır. Ancak, Ti-6Al-4V alaşımında daha ince lamel-iğnemi bir α fazı, Ti-5Al-2.5Fe ve Ti-6Al-4V-4Ta alaşımlarında ise nispeten daha kaba ve dengelenmiş iğnemsi α yapısı ile birlikte eş eksenli α fazından oluşan bir yapı gözlemlenmiştir. Ti-6Al-4V alaşımında, eğme durumundaki gevrek kırılganlığın daha yoğun ve ince lamel yapıdan kaynaklanabileceği sonucuna varılmıştır. Ti-6Al-7Nb alaşımında ise, diğer alaşımlara nispeten daha kaba iğnemsi α yapısı ile birlikte daha büyük eşeksenli α fazından oluşan bir mikroyapı gözlemlenmiştir o C sıcaklıkta iki saat süreyle sinterlenen Ti-6Al-7Nb alaşımında, karmaşık şekilli gözenek oluşumu, tane sınır ve kütle difüzyonunun elverişli olmadığı sonucuna varılmıştır. Ti-6Al-7Nb alaşımında, optik mikroskopta görülen karmaşık şekilli gözenek ve zayıf bağ oluşumu, Şekil de verilen zayıf sinter boyun oluşumu ile oldukça uyumlu olduğu görülmektedir. Henriques vd. de (2001), Ti-6Al-7Nb alaşımında 1300 o C sıcaklıkta sinterleme ile Widmanstatten yapının gelişmeye başladığını ve Nb 134

150 elementinin 1500 o C sıcaklıkta sinterleme ile difüzyon mekanizmasının elverişli olduğunu rapor etmişlerdir. Bu çalışmada da, belirlenen sinterleme şartlarında, parlatılmış numunelerde yapılan EDS ve SEM analizlerinde Nb elementinin yapı içerisinde heterojen durumda olduğu ve diğer alaşımlarda ise alaşım elementlerinin yapıda homojen olduğu tespit edilmiştir Genel Sonuçlar ve Öneriler Bu çalışmada, bütün TM Ti alaşımları için, sıkıştırma sonrası 3.85 g/cm 3 ham yoğunluk değeri esas alınmış ve aynı sinterleme koşullarında elde edilen sonuçları aşağıdaki gibi sıralayabiliriz: Tüm alaşımlar için 3,85 g/cm 3 ham yoğunluk değerine ulaşılması hedeflenmiş ve bu yoğunluk değeri Ti-6Al-4V ve Ti-6Al-4V-4Ta alaşımlarında 530 MPa, Ti-6Al- 7Nb alaşımında 445 MPa, Ti-5Al-2.5Fe alaşımında ise 490 MPa sıkıştırma basıncı sonrası elde edilmiştir. Sıkıştırma sonrası ham yoğunluk değeri sinterleme sonrası, Ti-6Al-4V ve Ti-5Al 2.5Fe alaşımlarında 3,92 g/cm 3 mertebesinde, Ti-6Al-4V- 4Ta alaşımında yaklaşık 3,9 g/cm 3, Ti-6Al-7Nb alaşımında ise ortalama 3,88 g/cm 3 olarak belirlenmiştir. Aynı sinterleme koşullarında, Ti-6Al-4V alaşımında sinterleme sonrası yaklaşık % 1.5 oranında yoğunluk artışı ile birlikte numunelerde % 1.5 mertebesinde boyutsal küçülme gözlemlenmiştir. Ti-6Al-4V-4Ta alaşımında ise, ortalama % 0.65 sinterleme sonrası yoğunluk artışı ve buna paralel olarak ortalama % 0.65 boyutsal küçülme gözlemlenmiştir. Ti-6Al-7Nb alaşımında ortalama % 0.4 yoğunluk artışı sağlanırken % 0,55 mertebesinde boyutsal küçülme tespit edilmiştir. Ti-5Al-2.5Fe alaşımında ise, diğer alaşımlara nispeten daha yüksek % yoğunluk artışı ve boyutsal küçülme gözlemlenmiş ve ortalama % 1,85 mertebesinde sinterleme sonrası yoğunluk artışı sağlanırken yaklaşık % 1,9 boyutsal küçülme meydana gelmiştir. Ti-6Al-4V alaşımında ortalama 400 HV, Ti-5Al-2.5Fe alaşımı 280 HV, Ti-6Al- 7Nb alaşımı ise 340 HV mikrosertlik değeri elde edilmiştir. % 4Ta takviye ile imal 135

151 edilen Ti-6Al-4V-4Ta alaşımı 370 HV mikrosertlik değerine sahip, %4Ta ilavesi Ti-6Al-4V alaşımının mikrosertlik değerini yaklaşık % 11 mertebesinde düşürmüştür. 280 HV mikrosertlik değerine sahip Ti-5Al-2.5Fe alaşımının bu alaşımın diğer alaşımlara nispeten daha yumuşak karaktere sahip olduğu görülmüştür. TM Ti alaşımlarında elde edilen ortalama eğme dayanımı ve sehim miktarlar sırasıyla, Ti-6Al-4V alaşımı ortalama 1170 MPa eğme dayanımına ve 0,85 mm sehim miktarına, Ti-6Al-7Nb alaşımı 861 MPa eğme dayanımı ve 0,8 mm sehim miktarına, Ti-5Al-2.5Fe alaşımı 985 MPa eğme mukavemetine ve 1.6 mm sehim miktarına, Ti-6Al-4V-4Ta alaşımı ise 960 MPa eğme mukavemetine ve 1.7 mm sehim miktarı ile diğer alaşımlara göre optimum süneklik ve eğme dayanımına sahip olduğu tespit edilmiştir. TM Ti alaşımlarında elde edilen ortalama çekme dayanımı ve elastisite modül değerleri sırasıyla, Ti-6Al-4V alaşımında 464 MPa çekme mukavemeti ve 83 MPa elastisite modülü, T-5Al-2.5Fe 581 MPa çekme dayanımı ve 79 MPa elastisite modülü, Ti-6Al-4V-4Ta alaşımında 335 MPa çekme dayanımı ve 58 MPa elastisite modülü, Ti-6Al-7Nb alaşımında ise 415 MPa çekme dayanımı ve 80 MPa elastisite modülü tespit edilmiştir. Çekme dayanımına paralel olarak, Ti-6Al-4V alaşımında % 4.35 uzama, Ti-5Al-2.5Fe alaşımında % 4.45 uzama, Ti-6Al-7Nb alaşımında % 4.2 uzama ve Ti-6Al-4V-4Ta alaşımında ise % 3.85 uzama saptanmıştır. Bu değerler birbiri arasında karşılaştırıldığında, Ti-5Al-2.5Fe alaşımı en yüksek çekme dayanımı ve % uzama karakteristiği gösterirken Ti-6Al-4V-4Ta alaşımı ise en düşük çekme dayanımı ve % uzama değerine sahip olduğu sonucuna varılmıştır. TM Ti alaşımlarının kuru kayma ve hank sıvısı içerisinde aşınma performansları incelenmiştir. Kuru kayma durumunda, Ti-6Al-7Nb alaşımı kuru kayma durumunda g. kütle kaybı ile diğer alaşımlara göre en fazla aşınan alaşımdır. Ti-5Al-2.5Fe alaşımı ise hank sıvısı ortamında g. kütle kaybı ile en yoğun aşınan alaşım olarak belirlenmiştir. Ti-6Al-4V-4Ta alaşımı ise, kuru kayma durumunda 0.03 g. ve hank sıvı ortamında g. ağırlık kaybı ile diğer alaşımlara göre en az aşınan alaşımdır. Aşınma performansları, alaşımların mikrosertlik değerleri ile paralel karakteristik göstermiştir. 136

152 Aşınma deneyi sırasında dinamik sürtünme katsayısı değerleri sırasıyla, Ti-6Al-4V alaşımında kuru kayma durumunda ortalama 0.48, hank sıvısı ortamında 0.45, Ti- 6Al-4V-4Ta alaşımında ortalama 0.63 ve 0.6, Ti-6Al-7Nb alaşımında 0.7 ve 0.52, T-5Al-2.5Fe alaşımında ise 0.62 ve 0.6 olarak ölçülmüştür. Ayrıca, aşınma sonrası Ti-6Al-4V alaşımında Ra değerleri hank sıvısı ortamında 0.7 µm, kuru kayma durumunda 1 µm ve Rt değerleri hank sıvısı ortamında 12 µm, kuru kayma durumunda 14 µm olarak ölçülmüştür. Ti-6Al-4V-4Ta alaşımında Ra değerleri hank sıvısı ve kuru kayma durumunda sırasıyla 0.3 µm ve 1 µm, Rt değerleri 10 µm ve 14 µm, Ti-6Al-7Nb alaşımında hank sıvısı ve kuru kayma durumunda Ra değerleri, 0.8 µm ve 1 µm, Rt değerleri 16 µm ve 14 µm olarak ölçülmüştür. Ti- 5Al-2.5Fe alaşımında ise Ra değerleri sırasıyla 0.8 µm ve 1.2 µm, Rt değerleri 16 µm ve 24 µm mertebesinde ölçülmüştür. Burada, Ti-6Al-4V alaşımı en düşük dinamik sürtünme katsayısına, Ti-6Al-4V-4Ta alaşımı ise en düşük yüzey pürüzlülük değerine sahip olduğu saptanmıştır. Ti-5Al-2.5Fe alaşımında ise en yüksek yüzey pürüzlülük değerleri tespit edilmiştir. Yüzey pürüzlülük değerleri, aşınma sırasında oluşan abraziv, erozyon ve adheziv aşınma mekanizmalarının yoğunluğuna paralel karakteristik göstermiştir. Ti-6Al-7Nb alaşımı diğer alaşımlara göre düşük eğme dayanımına ve sehim miktarına sahiptir. Bu alaşımın kırık yüzey incelemelerinde, karmaşık şekilli gözenek oluşumu, düşük kütle ve tane sınır difüzyonu ve boyun oluşumundan dolayı diğer alaşımlara nazaran bu sinterleme koşullarının uygun olmadığı tespit edilmiştir. Bu alaşımda, sıklıkla boyun bölgelerinden kopmaların yanı sıra boyun ile birlikte tane içi kırılmaların oluştuğu karmaşık (catastrophic) kırılma tipi gözlemlenmiştir. Bunun temel nedeni, Nb elementinin mukavemeti ve sünekliği arttırması beklenirken niyobyumun yapıda homojen dağılım göstermediğinden kaynaklandığı tespit edilmiştir. Ti-6Al-4V-4Ta alaşımı kırık yüzey incelemelerinde, boyun bölgelerinde kırılmaların yoğun olduğu ve tane içi kırılmanın oluşmadığı tamamen sünek bir kırılma tipi gözlemlenmiştir. Bu alaşımda, alaşım elamanları yapıda homojen bir şekilde dağılım göstermiş ve yüksek tane sınır ve kütle difüzyonu ile elverişli sinter boyun oluşumu ve gözeneklerin küreselleşmesi ile sinterlemenin elverişli olduğu saptanmıştır. Ti- 5Al 2.5Fe alaşımı kırık yüzeylerinde ise, eğme durumunda elde edilen süneklik 137

153 karakteristiği görülmüştür. Bu alaşımda da, alaşım elementlerinin yapıda homojen dağıldığı, gözeneklerin küreselleşmesi, daha yoğun kütle ve sınır difüzyonu ile elverişli sinter boyun oluşumu görülmüştür. Kırılma, sinter boyunlarından kırılma şeklinde oluşmuş ve yapının genelinde sünek kırılma tipi gözlemlenmiştir. Ti-6Al- 4V alaşımı kırık yüzey incelemelerinde, yüksek sinter boyun gelişimi gözlemlenmiş ancak mukavemet artarken sünekliğin azaldığı tane içi kırılmaların yoğun bir şekilde oluşması ile tespit edilmiştir. Mukavemetli sinter bağlarının oluşumu ile kırılmalar boyun ile birlikte (sünek) tane içi kırılmaların oluştuğu gevrek kırılma tipinin her ikisi de gözlemlenmiştir. Optik mikroskop ve SEM analizleri ile elde edilen mikroyapılarda, bütün alaşımlarda iğnemsi α fazı olarak tanımlanan dönüşmüş β fazı ile birlikte eşeksenli α fazına sahip bir mikroyapı (Widmanstatten) elde edilmiştir. Özellikle, Ti-6Al-4V alaşımında daha ince lamel-iğnemi bir α fazı, Ti-5Al-2.5Fe ve Ti-6Al-4V-4Ta alaşımlarında ise nispeten daha kaba ve dengelenmiş iğnemsi α yapısı ile birlikte eş eksenli α fazından oluşan bir yapı gözlemlenmiştir. Ti-6Al-4V alaşımında daha ince lamel-iğnemi bir α fazı oluşumu eğme durumundaki gevrek kırılganlığı meydana getirmiştir. Ti-6Al-7Nb alaşımında ise, diğer alaşımlara göre daha kaba iğnemsi α yapısı ile birlikte daha büyük eşeksenli α fazından oluşan bir mikroyapı gözlemlenmiştir. Ti-6Al-7Nb alaşımında, karmaşık şekilli ve büyük gözenek oluşumu, düşük tane sınır-kütle difüzyonu tespit edilmiş ve bu sinterleme koşullarının elverişli olmadığı sonucuna varılmıştır. Ayrıca, EDS analizlerinde, Ti- 6Al-7Nb alaşımında Nb elementinin yapı içerinde heterojen olduğu ve diğer alaşımlarda alaşım elementlerinin homojen bir durumda olduğu tespit edilmiştir. Bu çalışmadan elde edilen verilerin tümü göz önüne alındığında, diğer alaşımlara göre üstün tribolojik davranış ile birlikte düşük elastisite modül ve kabul edilebilir mekanik özelliklere sahip olan Ti-6Al-4V-4Ta alaşımının, toz metalürjisi yöntemi ile üretilebilirliği ortaya konulmuştur. Ayrıca, demir dışı malzemelerin TM yöntemiyle imal edilmesi sırasında daha sonraki çalışmalara katkıda bulunmak için bazı öneriler elde edilmiştir: 138

154 Özellikle Ti esaslı alaşımların imalatında kullanılan kalıpların TiAlN, TiN, AlTiN gibi kaplamalar ile kaplanması, kalıp ve tozlar arasındaki sürtünmeyi en aza indirmekle birlikte parça boyut ve yüzey hassasiyetini iyileştireceği düşünülmektedir. TM yöntemiyle imal edilen parçalarda, tribolojik özelliklerin iyileştirilmesi için, buhar menevişi ve sert seramik esaslı kaplamalarla kaplanması ile yüzey sürtünme katsayısının düşürülmesi sağlanarak daha düşük ağırlık kaybı elde edilebilir. Düşük elastisite modülüne sahip ve özellikle implant uygulamaları için yeni geliştirilen TNZT ve TMZF alaşımlarının TM yöntemiyle üretilebilirliği araştırılmalıdır. Ti nin uzay endüstrisinde etkili bir şekilde kullanıldığı göz önüne alındığında, uzay endüstrisinde kullanılan Ti alaşımlarının TM yöntemiyle üretilebilirliği araştırılarak uzay endüstrisinde istenilen özelliklere sahip Ti alaşımının geliştirilmesi sağlanabilir. Demir dışı alaşımların imal edilmesinde, CIP-HIP, MIM ve metal matris kompozit yöntemlerinin kullanılması ile tam yoğun parça üretilebilirliği araştırılarak, uzay, uçak ve diğer özel uygulamalarda kullanılacak yeni alaşımların geliştirilebileceği düşünülmektedir. Bu çalışma ile, yüksek maliyetlere ithal edilen ve biyouyumlu Ti esaslı malzemelerin laboratuar şartlarında üretilebilirliği görülmüş ve bu sonucun ülkemiz TM endüstrisinde Ti esaslı malzeme üretimine katkı sağlayacağı düşünülmektedir. Mekanik özellikleri ve aşınma performansları araştırılan TM Ti alaşımlarının, herhangi bir denek üzerinde biyouyumluluklarının tespit edilmesi ile implant olarak etkili bir şekilde kullanılabilirliği belirlenebilir. 139

155 6. KAYNAKLAR Akdoğan, G., Ti-6Al-4V Alaşımının Biyokorozyon ve Biyouyumluluk Özelliklerinin Araştırılması, Doktora Tezi, Gazi Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Ankara, Aktaş, A.H., Türkiye Manyezit Yataklarından Çeşitli Magnezyum Bileşiklerinin Hazırlanması, Doktora Tezi, Ankara Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Ankara. Albrektsson, T., The Interface Zone of Inorganic Implants in Vivo: Titanium Implants in Bone, Annals Biomaterials Engineering, 11, Al-Qureshi, H.A., Galiotto, A., Klein, A.N., On the Mechanics of the Cold Die Compaction for Powder Metallurgy, Journal of Materials Processing Technology, 166, Aoki, T., Okafor, I.C.I., Watanabe, I., Hattori, M., Oda, Y. And Okabe, T., Mechanical Properties of Cast Ti-6Al-4V-XCu Alloys, Journal of Oral Rehabilitation, 31, Archbold, J., Sintering Temperature Effects on the Mechanical Properties of Porous-Coated Ti-6Al-4V ELI Alloy, Master Degree of Applied Science, Graduate Department of Metallurgy and Material Science, University of Toronto, Canada. 106 s. ASM Metals Handbook, Powder Metallurgy and Applications, Vol. 7, ASM International, USA, 1145 s. ASM Metals Handbook, Properties and Selections: Nonferrous Alloys and Special-Purpose Materials, Vol. 2, ASM International, USA, 1328 s. Bakan, I., H., Heaney, D., German, R.M., Enjeksiyonda Kalıplanmış 316 L Tozların Sıvı Faz Sinterlenmesi, 3 rd International Powder Metallurgy Conference, Turkish Powder Metallurgy Association, Gazi University, Ankara, Türkiye, Benerje, R., Nag, S., Stechschulte, J., Fraser, L.H., Strenghthening Mechanism in Ti-Nb-Zr-Ta and Ti-Mo-Zr-Fe Orthopaedic Alloy, Biomaterials, 25, Bergmann G, Graichen F, Rohlmann A Hip Joint Loading Measured During Walking and Running, Measured in Two Patients. Journal of Biomechanics, 26, Burstein, A.,H., Reilly, D.T., and Martens, M., Aging of Bone Tissue: Mechanical Properties., J. Bone Joint Surg. Am., 58,

156 Cezayirlioğlu, H., Bahniuk, E., Davy, D.T., and Heiple, K.G., Anisotropic Yield Behavior of Bone under Combined Axial Force and Torque, Journal of Biomech., 18, Choe, H., Abkowitz, S.M., Abkowitz, S., Effects of Tungsten Additions on the Mechanical Properties of Ti-6Al-4V, Materials Science and Engineering, A 396, Choubey, A., Basu, Bikramjit, Balasubramaniam, R., Tribolojical Behaviour of Ti Based Alloys in Simulated Body Fluid Solution at Fretting Contacs, Trends, Biomater. Artif. Organs, 18 (2), Colton,S.J., İnternetSitesi. powder.pdf. Erişim Tarihi: Cook, S.D. Georgette, F.S., Skinner, H.B., Haddad Jr., R.J., Fatigue Properties of Carbon and Porous-Coated Ti-6Al-4V Alloy, Journal of Biomedical Materials Research, 18, Curry, J.D., Foremen J., Laketic, I., Effects of Ionizing Radiation on the Mechanical Properties of Human Bone, Journal of Orthopedic. 15, De Garmo, E.P., Materials and Process in Manufacturing, Prentice-Hall, Newyork, 1259 s. Doğan, C., Metal Tozu İmalatında Yeni Bir Su Atomizasyon Yöntemi, 1. Toz Metalürjisi Kongresi, Donachie, M.J., Titanium a Technical Guide, The Material Information Society, Second Edition, USA, 381 s. Dos Santos, D.R., Henriques, V.A.R., Cairo, C.A.A., Pereira, M.S., Production of a Young Modules Titanium Alloy by Powder Metallurgy, Material Research, 8 (4), EPMA, İnternet Sitesi. Erişim Tarihi: EPMA, İnternetSitesi. Moulding.pdf. Erişim Tarihi: Erdoğan, M, Mühendislik Alaşımların Yapı ve Özellikleri, 2. Baskıdan Çeviri, Cilt 2, Ankara, 600 s. Evans, F.,G., and Lebow, M., Regional Fidderences in Some of the Physical Propertied of the Human Femur, Journal of Applied Physiology., 3,

157 Frary, M., Abkowitz, S., Abkowitz, S.M., Dunand, D.C., Microstructure and Mechanical Properties of Ti/W and Ti-6Al-4V/W Composites Fabricated by Powder Metallurgy, Materials Science and Engineering A344, Froes, F.H., Eylon, D. and Bombergers Eds., Titanium Technology: Presents Status and Future Trends, TDA, Dayton, OH. FZR, İnternetSitesi. Flyer_TiAlN_en.pdf. Erişim Tarihi: German, R.M., 1989, Powder Metallurgy Science, MPIF, USA, German, R.M., Sintering Theory and Practice, Wiley, New York, 568 s. Godfrey, T.M.T., Wisbey, A., Goodwin, P.S., Bagnall, K., Ward-Close, C.M., Microstructure and Tensile Properties Mechanical Alloyed Ti-6Al-4V with Boron Additions, Materials Science and Engineering, A 282, Güden, M., Çelik, E., Akar, E., Çetiner, S., Compression Testing of a Sintered Ti6Al4V Powder Compact for Biomaterials Applications, Materials Characterization, 54, Gümüşderelioğlu, M Biyomalzemeler, Tübitak Bilim ve Teknik Dergisi, Temmuz Sayısı, 2-23 s. Hale, R., Powder Metallurgy Process and Applications, AE 510 Research Project, University of Kansas, Lawrance. Hann, M., Comparative Mechanical Testing, of Interbal Spine Fixators, 11. Conference the ESB, Toulouse, France. Hazama, H., Study on the Torsional Strength of the Compact Substance of Human Beings, J. Kyoto Pref. Med. Univ., 60, 167 s. Henriques, V.A.R., Campos, P.P., Cairo, C.A.A., Bressiani, C.J., Production of Titanium Alloys for Advanced Aerospace Systems by Powder Metallurgy, Material Research, 8 (4), Heybeli, N., Varol, R., Titanyum Alaşımı Osteosentez Materyallerinde İmplant Yetersizliği, XVII. Ulusal Ortopedi ve Travmatoloji Kongresi, Kongre Kitabı, 2, Hsiung, L.M., Nieh, T.G., Microstructure and Properties of Powder Metallurgy TiAl Alloys, Materials Science and Engineering, A 364,

158 Iijima, D., Yoneyama, T., Doi, H., Hamanaka, H., Kurosaki, N., Wear Properties of Ti and Ti-6Al-7Nb Casting for Dental Prostheses, Biomaterials, 24, IMAP, İnternet Sitesi. Erişim Tarihi: Kalpakijan, Manufacturing Engineering and Technology, Chapter 17, Processing of Metals, Ceramics, Glass and Super Conductors, Prantice Hall. 25 s. Karataş, Ç., Sarıtaş, S., Toz Enjeksiyon Kalıplama: Bir ileri Teknoloji İmalat Metodu, Gazi Ünv., Müh-Mim. Dergisi, 13 (2), Katz, J.L., The Structure and Biomechanics of Bone, Symposium of Soc. Exp. Biol., 34, Keller, T.S., Mao, Z., Spengler D.M., Young s Modulus, Bending Strength, Tissue Mechanical Properties of Human Compact Bone, Journal of Orthopedic, Res. 8, Kieswetter, K., Schwartz, Z., Dean, D.D., Boyan, B.D., The Role of Implant Surface Characteristic in the Healing of Bone, Crit Rev. Oral Biol. Med, 7 (4), Kurgan, N., TM Paslanmaz Çelik İmplantların Üretimi ve Teknolojik Özellikleri Üzerine Bir Araştırma, SDÜ., Fen Bil. Ens., Makine Müh. Anabilim Dalı, Isparta, 145 s. Kuroda, D., Kawasaki, H., Yamamoto, A., Hirimoto, S., Hanawa, T., Mechanical Properties and Microsutructures of New Ti-Fe-Ta and Ti-Fe- Ta-Zr System Alloys. Materials Science and Engineering C 25, Krone, L., Schüller, E., Bram, M., Hamed, O., Buchkremer, P., Stöver, D., 2004, Mechanical Behaviour of NiTi Parts Prepared by Powder Metallurgical Methods, Materials Science and Engineering A 378, Kurt, A.O., Toz Üretim Yöntemleri ve Sinterleme, Sakarya Ünv., Müh. Fak., Metalürji ve Malzeme Bölümü Ders Notları, Sakarya, Lee, H.R., Comperative Study of Bond Characteristic Between Ti and Ti Allaysand Ceramic, Ebarhard-Karls University, Doctoral Thesis, Korea, 100 s. Leyen, C., Peters, M., Titanium and Alloys, Fundamentals and Applications, Wiley-Vch, Köln, Gemany, 513 s. 143

159 Li, S.J., Yang, R., Li, S., Hao, Y.L., Cui, Y.L., Niinomi, M., Guo, Z.X., 2004, Wear Characteristics of Ti Nb Ta Zr and Ti 6Al 4V Alloys for Biomedical Applications, Wear, 257, Lin, W.C., Ju, P.C., Chern Lin, J.H., 2005, A Comparision of the Fatigue Behaviour of the Cast Ti 7.5Mo with Cp Titanium, Ti-6Al-4V and Ti-13Nb-13Zr Alloys, Biomaterials, 26, Liu, Y., Chen, L.F., Tang, H.P., Liu, C.T., Liu, B., Huang, B.Y., Design of powder metallurgy titanium alloys and composites, Materials Science and Engineering A 418, Long, M., Rack, H.J., Titanium Alloy in Total Joint Replacement a Materials Science Perpective, Biomaterials, 19, Martin, Elasticity, Fracture and Yielding of Cold Compacted Metal Powder, Journal of Mechanics and Phiysics of Solid, 52, McElhaney, J.H., Fogle, J., Byars, E., and Weaver, G., Effect of Embalming on the Mechanical Properties of Beef Bone, Journal of Appl. Physiology,19, Mischler, S., Pac, G., Tribolojical Behaviour of Titanium Sliding Against Bone, European Cells and Materials, 3 (1), Morgan, İnternet Sitesi: Erişim Tarihi: Mudali, U.K., Srıdhar, T.M. and Raj, B., 2003, Corrosion of Bio Implants, Sadhana, India, 28 (3-4), Niinomi, B., Mechanical Properties of Biyomedical Alloys, Materials Science and Engineering A 243, Orban, R.L., New Research Directions in Powder Metallurgy, Romanian Report in Physic, Romania, 56 (3), Penning, D., An Improved Screw Design for Locked Intramedullary Nailing, Injury, 28, Ramaniraka, N.A., Rakotomanana, L.R., Leyvraz, P.F., The Fixation of Cemented Femoral Component, The Journal of Bone-Joint Surgery, Vol. 82-B, No:2, Reilly, D.T., and Burstein, A.H., The Elastic and Ultimate Propertied of Compact Bone Tissue, Journal of Biomechanics, 8,

160 Reilly, D.T., Burstein, A.H., and Frankel, V.H., The Elastic Modulus for Bone, Journal of Biomechanics, 7, Rosa, R.A., Beloti, M.M., 2003, Effect of Cp Ti Surface Roughness on Human Bone Marrow Cell Attachment, Proliferation and Differentiation, Braz Dent Journal, 14 (1), Sakaguchi, N., Niinomi, M., Akahori, T., Takeda, J., Toda, H., Effect of Ta Content on Mechanical Properties of Ti-30Nb-XTa-5Zr, Materials Science and Engineering C 25, Sarıtaş, 1994, Toz Metalürjisi, Makine Mühendisleri El Kitabı, Baskı MMO, Ankara, Cilt Schatt, W., Wieters, K.P., Powder Metallurgy Processing and Materials, EPMA, 492 s. Sitting, C., Textor, M., Spencer, D., Surface Characterization of Implants Materials, cp Ti, Ti-6Al-7Nb and Ti-6Al-4V with Different Pretreatment, Journal of Materials Science, Materials in Medicine, 10, Taddei, E.B., Characterization of Ti-35Nb-Zr-5Ta Alloyed Produced by Powder Metallurgy, Materials Science Forum, Trans. Tech. Pub., Switzerland, , Thompson, S.M., The Design of a Novel Hip Prosthesis, Interdisciplinary Research Centre in Biomedical Materials, Queen Mary and Westfield College, Thesis Submitted for the Degree Doctor of Philosophy, University of London, 228 s. Titanium Industries, İnternetSitesi. cfm. Erişim Tarihi: Tribology, İnternet Sitesi. HTML. Erişim Tarihi: Tüfekçi, K., Kemiğin Mekanik Özelliklerinin Araştırılması, SDÜ., Fen Bilimleri Enstitüsü, Doktora Semineri, Isparta, 19 s. Türk TM Derneği, İnternet Sitesi. Erişim Tarihi: Vincetelli, R. And Grigorov, M., The Effect of Haversion Remodeling on the Tensile Properties of Human Cortical Bone, Journal of Biomechanics, 18,

161 Vinicius, A.R., Henriques, Bellinati, E.C., Silva, C.R.M., Production of Ti- 6Al-7Nb Alloy by Powder Metallurgy, Journal of Materials Processing Technology, 118, Young, S.B., Fatigue of Porous Coated Titanium Implant Alloy, MASc Thesis, University of Toronto, Canada, Wang, K., Gustavson, L., Dumbleten, J., The Characterization of Ti-12Mo- 6Zr-2Re- A New Biocompatible Titanium Alloy Developed for Surgical Implants in β Ti Alloys, The Minerals Metals and Society, Yue, S., Pilliar, R.M., Weatherly, G., 1984, The Fatigue Strength of Porous-Coated Ti-6Al-4V Implant Alloy, Journal of Biomedical Materials Research, 18, Yuehuei, A. An, Draughn, R.A., Mechanical Testing of Bone and the Bone Implant Interface, CRC Press, USA, 624 s. Wen, C.E., Yamada, Y., Hodgson, P.D., 2006, Fabrication of Novel TiZr Alloy Foam for Biyomedical Applications, Materials Science and Engineering C 26, Williams, D., 1996, Concise Encyclopedia of Medical and Dental Materials, William F. Smith, Structure and Properties of Engineering Alloys. McGraw- Hill Publishing Co, 512 s. Zeren, A., Zeren, M., Milcan, A., Total Kalça Artroplastisinde Kullanılan İmplantların Mekanik Özellikleri, Metal Dünyası, 98, Zeytinoğlu,M., İnternetSitesi. pdf. Erişim Tarihi:

162 ÖZGEÇMİŞ Adı Soyadı : Bekir YALÇIN Doğum Yeri ve Yılı: Afyonkarahisar, Medeni Hali Yabancı Dili : Evli : İngilizce Eğitim Durumu (Kurum ve Yıl) Lise : Afyonkarahisar Endüstri Meslek Lisesi, Lisans : Marmara Ünv., Teknik Eğitim Fakültesi, Makine Eğitimi Bölümü, Talaşlı Üretim Öğretmenliği Programı, Yüksek Lisans : S. Demirel Ünv. Fen Bil. Enst., Makine Eğitimi A.B.D., Doktora : S. Demirel Ünv. Fen Bil. Enst., Makine Mühendisliği A.B.D., 2003 Çalıştığı Kurum/Kurumlar ve Yıl Arş.Gör.- S. Demirel Üniversitesi, Teknik Eğitim Fakültesi, Makine Eğitimi Bölümü, Yayınları (SCI ve diğer makaleler) 1. Varol, R., Yalçın, B., Yılmaz, N., Bilgisayar Destekli İmalatta (CAM), CAM Programı Kullanılarak Parça İmalatının Gerçekleştirilmesi, Makine Teknolojileri Elektronik Dergisi, 2005(3), Yalçın B., Özsoy, A.,2004. Kanal Freze Takımlarına TiN Kaplama ve Kaplamanın Takım Üzerine Etkisinin Deneysel Olarak İncelenmesi, Metal- Makine Dergisi, Sayı:17(145), Yalçın, B., Özsoy, A., Tornalama Kesici Takımlarının Titanyum Nitrür Kaplanması ve Aşınma Davranışlarının Araştırılması, SDÜ., Fen Bilimleri Enstitüsü Dergisi, Cilt 7, Sayı 1, Yalçın, B., Varol, R., Yılmaz, N., Demir Esaslı Toz Metal (T/M) Yatakların Aşınma Özelliklerinin Bulanık Mantıkla (B/M) Modellenmesi. Afyon Kocatepe Ünv., Teknolojik Araştırmalar Elektronik Dergileri, Makine Teknolojileri Dergisi, Cilt 1, Sayı: 4,