Designing corrosion‐resistant HEAs using machine learning and fabricating corrosion‐resistant hea thin films through controlled coating conditions for biomedical applications.
Makine öğrenmesi yöntemleriyle korozyona dayanikli yüksek entropili alaşimlarin (HEA) tasarlanmasi ve kaplama koşullari optimize edilmiş korozyona dayanikli HEA ince filmlerinin biyomedikal uygulamalara yönelik üretilmesi
- Tez No: 1004346
- Danışmanlar: PROF. DR. DEMİRCAN CANADİNÇ
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2025
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Koç Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Yüksek entropili alaşımlar (HEA'lar), mikro yapısal stabiliteleri, mekanik dayanımları ve üstün korozyon dirençleri sayesinde umut vadeden bir biyomalzeme sınıfı olarak öne çıkmaktadır. Bu tez, özellikle ortopedik implantlara odaklanarak biyomedikal uygulamalara yönelik yeni HEA'ların geliştirilmesi, karakterizasyonu ve performansına ilişkin kapsamlı bir araştırmayı sunmaktadır. Çalışma, alaşım tasarımı, ince film kaplama ve performans değerlendirmesinin kritik yönlerini ele alan dört bölümden oluşmaktadır. Birinci bölümde, NiTi esaslı implantların klinik kullanımını sınırlayan nikel iyonu salınımını azaltmak amacıyla TiTaNbZrMo HEA ince filmleri NiTi şekil hafızalı alaşım altlıkları üzerine kaplanmıştır. Düşük odacık basıncında yapılan kaplamaların yoğun, çatlak içermeyen bir yapı oluşturduğu; korozyon direnci, biyoaktivite ve yapışma dayanımını önemli ölçüde artırdığı belirlenmiştir. İkinci bölümde, makine öğrenmesi (ML) teknikleri kullanılarak bileşimsel ve elektrokimyasal parametreler ile korozyon potansiyeli arasındaki ilişkilerden yararlanılmış ve yeni alaşım bileşimleri tasarlanmıştır. Öngörülen Ti34.8Ta17Nb21.4Zr14.2Mo12.6 (HEA1) ve Ti35Ta23Nb20.8Zr14.2Mo7 (HEA2) alaşımları üretilerek deneysel olarak doğrulanmış; geleneksel alaşımlara kıyasla üstün korozyon direnci sergilemiştir. Üçüncü bölümde, ML-tasarımı alaşımların mikroyapısı, biyoaktivitesi ve korozyon davranışı kapsamlı şekilde incelenmiştir. Her iki alaşım da iyi dağılmış fazlardan oluşan rafine bir mikroyapı, gelişmiş pasivasyon özellikleri ve stabil oksit film oluşumu göstermiş; biyomedikal uygulamalar için uygunluklarını doğrulamıştır. Son bölümde, ML-tasarımı alaşımların korozyon mekanizmaları elektrokimyasal ve elektrokimyasal olmayan yöntemlerle zorlu koşullar altında (korozif çözelti ve tuz püskürtme testleri) araştırılmıştır. Bulgular, alaşımların yalnızca lokalize korozyona direnç göstermekle kalmayıp agresif ortamlarda da stabilitelerini koruduğunu; ayrıca Ta, Nb ve Mo gibi korozyona dirençli elementlerin bu davranışta belirleyici rol oynadığını ortaya koymuştur. Genel olarak bu tez'de ki çalışmalar, ince film mühendisliği ile makine öğrenmesi'ne dayalı alaşım tasarımının sinerjik entegrasyonunun yeni nesil biyomedikal HEA'ların geliştirilmesindeki önemini vurgulamaktadır. Bulgular, alaşım bileşimlerinin ve kaplama koşullarının optimize edilmesi için sağlam bir temel sunarak, dayanıklı, biyouyumlu ve korozyona dirençli implantların geliştirilmesine katkı sağlamaktadır.
Özet (Çeviri)
High-entropy alloys (HEAs) have emerged as a promising class of biomaterials due to their unique microstructural stability, mechanical strength, and superior corrosion resistance. This thesis presents a comprehensive investigation into the development, characterization, and performance of novel HEAs for biomedical applications, with a specific focus on orthopedic implants. Four interconnected studies were conducted, each addressing critical aspects of alloy design, thin film deposition, and performance evaluation. In the first study, TiTaNbZrMo HEA thin films were sputtered on NiTi shape memory alloy substrates to mitigate nickel ion release—a factor that limits the clinical use of NiTi-based implants. The results demonstrated that deposition at low chamber pressure yielded dense, crack-free coatings with significantly enhanced corrosion resistance, bioactivity, and adhesion strength. The second study leveraged machine learning (ML) techniques to design novel HEA compositions by correlating compositional and electrochemical parameters with corrosion potential. Two predicted alloys, Ti34.8Ta17Nb21.4Zr14.2Mo12.6 (HEA1) and Ti35Ta23Nb20.8Zr14.2Mo7 (HEA2), were fabricated and experimentally validated, showing superior corrosion resistance compared to conventional alloys. In the third study, the microstructure, bioactivity, and corrosion behavior of the ML-designed alloys were comprehensively evaluated. Both alloys exhibited a refined microstructure with well-distributed constituent phases, improved passivation behavior and stable oxide film formation, confirming their potential for biomedical applications. The final study extended this evaluation by combining electrochemical and non-electrochemical methods to investigate the corrosion mechanisms of the two ML-designed alloys under simulated harsh environments, including corrosive water and salt-spray chamber tests. The results revealed that the alloys not only resisted localized corrosion but also maintained their stability in aggressive media, highlighting the role of corrosion-resistant elements (such as Ta, Nb, and Mo) in their composition. Collectively, these studies highlight the synergistic integration of thin film engineering and machine learning-driven alloy design in advancing next-generation biomedical HEAs. The findings provide a solid foundation for optimizing alloy compositions and deposition conditions, paving the way for durable, biocompatible, and corrosion-resistant implants.
Benzer Tezler
- Günümüzde ısı değiştirici imalatında kullanılan yöntemler
The Methods that is used at fabrication of the heat exchangers
HÜSEYİN ÇEBİ
- Havacılık ve uzay uygulamaları için yüksek entropili alaşımların tasarımı, üretimi, karakterizasyonu ve mikro yer çekimli ortamda davranışlarının incelenmesi
Design, production, characterization, and study of behavior in a microgravity environment of high entropy alloys for aerospace and space applications
ÖMÜR CAN ODABAŞ
Doktora
Türkçe
2025
Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ONURALP YÜCEL
DOÇ. DR. HAVVA KAZDAL ZEYTİN
- Hassas döküm yöntemiyle üretilen femoral diz komponentlerinde seramik maça kullanımı ile talaşlı imalat minimizasyonu
Minimization of machining by using ceramic cores during the investment casting process of femoral knee components
CEVAT YILMAZ
Yüksek Lisans
Türkçe
2017
Ortopedi ve Travmatolojiİstanbul Teknik ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. NECİP ÜNLÜ
- Yüksek entropili alaşım katkılı polimer tabanlı giyilebilir radyasyon zırhlarının geliştirilmesi
Development of high entropy alloy doped polymer based wearable radiation shielding
TÜRKAN AKMAN GÖÇER
Yüksek Lisans
Türkçe
2025
Fizik ve Fizik MühendisliğiAtatürk ÜniversitesiFizik Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ESRA KAVAZ PERİŞANOĞLU
- Çatılarda tasarım, uygulama hataları ve bakım eksikliğine bağlı hasarların incelenmesi ve değerlendirilmesi
Investigation and examination of damages at roofs caused by designer, applicator and user
BİLGE ESEN