TÜBİTAK 2209-A ÜNİVERSİTE ÖĞRENCİLERİ YURT İÇİ ARAŞTIRMA PROJELERİ DESTEK PROGRAMI

Transkript

1 TÜBİTAK 2209-A ÜNİVERSİTE ÖĞRENCİLERİ YURT İÇİ ARAŞTIRMA PROJELERİ DESTEK PROGRAMI BİYOMEDİKAL MALZEMELERDE KULLANILAN Ti6Al4V ALAŞIMININ KOROZYON DAVRANIŞININ İYİLEŞTİRİLMESİ ERCİYES ÜNİVERSİTESİ MAKİNE MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ Projenin Tematik Alanı Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Tematik Alanı Biyomedikal Mühendisliği Tematik Alanı Proje Ortakları Gökhan ARIK Sinan ÖNRE Proje Danışmanı Yrd. Doç. Dr. Şengül Danışman

2 İçindekiler 1. Özet Motivasyon Projenin İçerdiği Yenilik Unsuru Yöntem ve Metotlar Proje Planı Sonuç Kaynaklar

3 1. Özet Titanyum ve alaşımları, diş ya da ortopedik implant alanında 1960 lı yıllardan itibaren kullanılmaya başlanan ve kullanımı günümüze kadar hızla artan malzeme grubunu oluşturmaktadır da titanyum diş implantlar üzerindeki ilk bulguların yayınlanması, implant ı alanında yeni bir çağın başlangıcı sayılmaktadır. O tarihten bu güne kadar bu uygulama devam etmekte ve sadece titanyum implantın şekli ve yüzey özelliklerinin değiştirilmesi yönünde çalışmalar yapılmaktadır. Medikal ve diş implantı ı için titanyum malzemesinin kullanımı son on yıl içinde artış göstermiştir. Bu artışın ana sebeplerinden biri titanyumun kendine has özelliklerinden dolayı implant tasarımı için uygun olmasıdır. Titanyum ve alaşımları; hafif olma, kimyasallar ve asitlerden etkilenmeme, iyi korozyon direncine sahip olma, dokuda alerjik reaksiyon oluşturmama, renk değiştirmeme, tuzlu sudan etkilenmeme, yüksek güç ve düşük yoğunluk gibi özelliklere sahiptir. Titanyum işleme teknolojisi yüksek ve pahalı olsa da, bu üstün özelliklerinden dolayı; havacılık, uzay, uçak, tıp (kalça ve diz implantları, kalp valfi, diş dolgu maddesi v.s.), gibi pek çok kullanım alanına sahiptir. Biyomedikal ürünlerde kullanılacak malzemelerin, biyolojik sistemlerle etkileştiğinde uyum sağlayabilmeleri ve yan etki oluşturmamaları için yoğun çaba harcanmaktadır. Gün geçtikçe önemi ve uygulama alanı artan biyo uyumlu, güvenilir ve etkin olan biyo malzemeler, insan vücudundaki organ ya da dokuların işlevlerini yerine getirmek veya desteklemek amacıyla kullanılan malzemeler olup, sürekli olarak veya belli aralıklarla vücut sıvıları ile temas halindedirler. Bu malzemelerin korozyona karşı dirençli olmakla birlikte vücut içinde kullanım sürelerinin arttırılması gerekliliği farklı bilimsel araştırmaları ve ı beraberinde getirmektedir. Bu projede, biyomedikal malzemelerin üretiminde gün geçtikçe daha da önemli bir yer edinen Grade 5 (Ti6Al4V) alaşımının korozyon davranışı vücut ortam şartları oluşturularak çeşitli testlerle incelenecek, bu malzemenin TiN kaplama yapılmasıyla aynı şartlarda korozyon direncinde nasıl değişiklik meydana getireceği araştırılacaktır. Kaplama işlemi reaktif manyetik kaynaklı sıçratma tekniği ile gerçekleştirilecektir. Kaplamalı malzemeyle birlikte Ti6Al4V malzemesi de potansiyostat cihazı kullanılarak korozyon testine tabi tutulacak elde edilen sonuçlar karşılaştırılarak kaplamanın korozyon direncine etkisi tespit edilecektir. 3

4 2. Motivasyon Biyomedikal malzeme sektörünün ülkemizde yeni ve önü açık bir sektör oluşu bu alanda yapılan çalışmaların artmasında etkili olmuştur. Kullanılan malzemelerin insan için hayati risk taşıması bu alanda yapılan çalışmalarda hassasiyeti ve seçiciliği daha da önemli hale getirmiştir. Bu nedenle, bu ürünlerin üretiminde kullanılacak malzemenin seçiminde malzemeye ait tüm özelliklerin en optimal şekilde belirlenmesi gerekmektedir. Hedeflenen bu projede biyomedikal ürünlerde kullanılan Ti6Al4V alaşımının korozyon direnici iyileştirilerek daha sağlıklı ve uzun ömürlü ürünlerin elde edilmesi amaçlanmaktadır. Özellikle ülkemizde bu ürünlerin üretiminden çok yurt dışından ithal ediliyor olması beraberinde yüksek maliyetler getirmekte bu da milli gelir kaybına sebep olmaktadır. Yapacağımız çalışmalardaki amacımız; bu ürünlerin daha iyi koşullarda ve daha uzun ömürlü kullanımı için ne gibi özelliklere sahip olmaları gerektiğini belirlemek ve bu alandaki çalışmalara katkı yaparak ülke çapında hızlı bir şekilde gelişmekte olan sektörün daha da ileriye gitmesini sağlamaktır. 3. Projenin İçerdiği Yenilik Unsuru Projeden elde edilecek sonuçlar neticesinde, biyomedikal alanda geliştirilecek ve hali hazırda üretilmekte olan malzemelere TiN kaplama uygulanması ile korozif direncinin artırılması hedeflenmektedir. Bu sonuç; daha sağlıklı ve uzun ömürlü biyo malzemelerin üretilmesine katkı sağlayacaktır. Böylelikle, biyomedikal malzemelerin vücutta kullanım ömürleri ve süreleri arttırılarak ekonomik katkı, dışa bağımlılığın azaltılması mümkün olabilecektir. Ayrıca insanlarda yer etmiş olan ön yargılar bilimsel çalışmalarla giderilerek insanların bu malzemeleri gerekli durumlarda güvenle tercih etmelerine katkı sağlayacaktır. Daha önce bu alanda yapılan çalışmaların az olması da bu projenin biyomedikal sektörüne büyük bir katkı sağlayacağı sonucuna varmamızda etkili olmuştur. 4

5 4. Yöntem ve Metotlar Malzeme bilimindeki mevcut çalışmalar daha çok yeni özelliklere sahip malzemelerin geliştirilmesi ve üretilmesi ile mevcut malzemelerin özelliklerinin çeşitli işlemlerle iyileştirilmesi üzerinde yoğunlaşmaktadır. Aşınma, korozyon ve yorulma gibi istenmeyen olayların doğrudan malzeme yüzey özellikleri ile ilişkili olması yüzey kaplama metotlarını daha da önemli bir hale getirmektedir. Günümüzde özellikle vakum esaslı kaplama teknolojisindeki ilerlemeler, mevcut malzeme özelliklerinin geniş bir sahada geliştirilebilmesine imkân sağlamıştır. Bu alandaki en önemli uygulama sahasını, yüksek aşınma ve korozyon direncine sahip fiziksel buhar biriktirme (PVD) metodu ile üretilen ince sert seramik kaplamalar oluşturur. PVD metodu ile hemen her metal, alaşım, seramik, metaller arası ve bazı polimerik malzemeler ile bunların karışımları, vakumdaki çalışma sıcaklıklarında kararlı olan hemen her malzemeden (metaller, seramikler, plastikler ve kâğıt gibi) üretilmiş taban malzemeleri üzerine kolaylıkla kaplanabilir. Kaplamalar, taban malzemelerine mükemmel yapışma özelliği gösterirler. PVD proseslerinin hiçbiri, çevreye zararlı zehirli atıklar üretmez. PVD metodunun uygulama alanları ise şu şekilde sıralanabilir: 1. Tribolojik : Kesici takımlar, kalıplar, kayma veya dönme hareketi yapan ve yüksek aşınma direncinin gerekli olduğu makina parçaları. 2. Elektriksel : Yarı iletken parçalar, entegre devreler, kapasitörler, rezistörler, süper iletkenler, güneş pilleri. 3. Optik : Lazer optikler, aynalar, projektör yansıtıcıları, kameraların optik elemanları. 4. Kimyasal : Gaz türbin motorları, denizcilik ı, korozyona karşı dirençli olması istenilen parçalar. 5. Dekoratif : Takılar, gözlük çerçeveleri, saatler, oyuncaklar. Bu çalışmada Erciyes Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Yüzey Teknolojileri Araştırma ve Uygulama Laboratuarı bünyesinde bulunan sistem kullanılacaktır. Sistem PVD nin alt dallarından manyetik alanda sıçratma (magnetron sputtering) metoduna dayanmaktadır. Sıçratma, enerjik partiküller tarafından hedef yüzeyinin bombardıman edilmesiyle, momentum değişimine bağlı olarak, koparılan parçacıkların kaplanacak parça (alt tabaka) üzerinde biriktirilmesi esasına dayanan bir prosestir. Sıçratılmış parçacıklar, hedef adı verilen kaplama malzemesinin kaynağından atomik bir halde fırlatılır. Taban malzemeleri, sıçratılmış atomların akışını kesecek şekilde yerleştirilir ve sıçratılmış atomlar da taban malzemesi üzerinde yoğunlaşarak kaplamayı oluşturur. 5

6 5. Proje Planı Görev Aşamaları Başlangıç Tarihi Bitiş Tarihi Süreç(Gün) Malzeme Temini ve hazırlanması Malzemelere TiN Kaplama Yapılması Korozyon Testlerinin Yapılması Numunelerin SEM mikroskopisi, EDX analiz teknikleri ile incelenmesi Proje Çıktılarının Değerlendirilmesi Projede Kullanılacak Malzeme/Hizmet Birim Fiyat Listesi; 1. Ti6Al4V Levha: Fiyat/Kg = 90 TL 2. Solisyon: Fiyat/Adet = 150 TL 3. SEM-Görüntüleme, mikro yapı incelemesi SEM inceleme: Fiyat/Saat = 150 TL SEM-EDX Analizi: Fiyat/Adet = 40 TL Not: Hizmet alımı; Erciyes Üniversitesi (ERÜ) Teknoloji Araştırma ve Uygulama Merkezinde (TAUM) yapılacaktır. 6

7 6. Sonuç Yapacağımız deneysel çalışmalar neticesinde elde edeceğimiz korozyon testleri sonuçlarından yola çıkarak, Ti6Al4V alaşımının TiN kaplanmış hali ile kaplamasız hali karşılaştırılacaktır. Bu karşılaştırmalar neticesinde alaşımın korozyon davranışının kaplamayla değişimi tespit edilecektir. Test sonuçlarından elde edilecek verilere göre Türkiye de yeni gelişmekte olan biyomedikal malzeme sektöründe, geliştirilecek malzemelerin üretim sürecinde önemli yaklaşımlar ve mali kazanç sağlayacağı beklenmektedir. 7. Kaynaklar K.Reichelt and X.Jiang, The Preparation of Thin Films by Physical Vapour Deposition Methods, Thin Solid Films, 191, s , Handbook of Thin-Film Deposition Processes and Techniques - Principles, Methods, Equipment and Applications, by K. Seshan, William Andrew Publishing/Noyes, http://