Biyomimetik perspektifle işlevselleştirilmiş biyoseramik kaplı Ti6Al4V alaşımının aşınma ve biyokorozyon özelliklerinin incelenmesi
Investigation of wear and biocorrosion properties of bioceramic coated Ti6Al4V alloy functionalized with biomimetic perspective
- Tez No: 955489
- Danışmanlar: PROF. DR. AYHAN ÇELİK, DR. ÖĞR. ÜYESİ YUSUF BURAK BOZKURT
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Biyomühendislik, Makine Mühendisliği, Bioengineering, Mechanical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2025
- Dil: Türkçe
- Üniversite: Atatürk Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 183
Özet
Amaç: Bu tez kapsamında, biyomimetik yaklaşımla fonksiyonel olarak derecelendirilmiş yapılar (FDY) ve biyolojik sistemlerden elde edilen, yüksek biyouyumluluğa sahip biyoseramikler kaplamalar kullanılarak Ti6Al4V alaşımının uzun süreli implantasyonu sırasında karşılaşılan aşınma ve biyokorozyon problemlerinin azaltılmasıyla fonksiyonel implant yüzeylerinin geliştirilmesi amaçlanmaktadır. Yöntem: Ti6Al4V alaşımına 5-12-20 ve 30 Almen şiddetlerinde bilyalı dövme işlemi uygulandıktan sonra EPD yöntemiyle sabit gerilimde, 10 ve 20 dk sürelerinde 45S5 Bioglass ve β-TCP kaplamalar yapılarak biyomimetik FDY yapılar elde edilmiştir. EPD sonrası, hem kaplama içerisinde hapsolmuş çözücüyü buharlaştırmak hem de taban malzeme ile adezyonunu artırmak için numuneler fırınlamıştır. Elde edilen bütün numune grupları için kuru ve sıvı ortamda aşınma, elektrokimyasal korozyon ve biyotribokorozyon testleri gerçekleştirilmiştir. Test çözeltisi olarak SBF (Simulated Body Fluid) kullanılmıştır. Numunelerin yapısal ve morfolik analizleri için X-ışını kırınımı (XRD), taramalı elektron mikroskobu (SEM), enerji dağılımlı X-ışını spektroskopisi (EDS), Fourier Dönüşümlü Kızılötesi Spektroskopisi (FTIR), mikrosertlik, üç boyutlu optik profilometre kullanılmıştır. Ayrıca bütün numune gruplarının statik temas açısı ölçümleri de temas açısı ölçüm (ATM) cihazı ile alınmıştır. Tribolojik testler karşılıklı hareketli (reciprocating) aşınma test düzeneğinde ve 3N yük altında yapılmıştır. Elektrokimyasal korozyon deneylerinde açık devre potansiyeli, çevrimsel potansiyodinamik polarizasyon ve elektrokimyasal empedans spekstroskopisi yöntemleri kullanılmıştır. Biyotribokorozyon testleri, aşınma ve elektrokimyasal korozyon test düzeneği eş zamanlı olarak çalıştırılıp hem açık devre potansiyeli altında hem de çevrimsel potansiyodinamik polarizasyon ile aşınma yapılarak gerçekleştirilmiştir. Bulgular: Biyomimetik yaklaşımla elde edilen FDY yapılar arasında, taban malzeme olarak kullanılan Ti6A4V alaşımına göre yüksek yüzey sertlikleri elde edilmiştir. Bilyalı dövülmüş ve kaplama işlemi uyguylanmış numunelerde sürtünme katsayılarında artış gözlemlenmiş, aşınma oranlarıda Ti6Al4V alaşımına göre oldukça azalmıştır. Elektokimyasal korozyon testlerinde en yüksek korozyon direnci 30 Almen şiddetinde bilyalı dövülmüş ve 45S5 Bioglass kaplı 30ABg20 numunesinde görülmüştür. Biyotribokorozyon testlerinde hem Almen şiddetinin artışı hem de yapılan biyoseramik kaplamaların aşınma ve elektrokimyasal korozyonun sinerjik etkisiyle birlikte dengeli halde etki göstererek Ti6Al4V alaşımının tribokorozyon performansını artırmıştır. Ayrıca bilyalı dövme işlemi sonrasında yüzeyde düzensiz olarak meydana gelen mikro çukur-tepelerin kullanım performanslarına olan olumsuz etkisi azaltılmıştır. Sonuç: Biyomimetik yaklaşımla elde edilen FDY yapılar sayesinde Ti6Al4V alaşımının aşınma ve biyokorozyona karşı yüzey özellikleri iyileştirilmiştir. Ayrıca bilyalı dövme işlemi ve EPD yöntemiyle yapılan biyoseramik kaplamaların sinerjik etkisiyle vücut ortamında daha dayanıklı ve biyofonksiyonel implant yüzeylerinin elde edilebileceğini sonucuna varılmıştır.
Özet (Çeviri)
Purpose: This thesis aims to develop functional implant surfaces by reducing the wear and biocorrosion problems commonly observed during the long-term implantation of Ti6Al4V alloy. To achieve this, highly biocompatible bioceramic coatings derived from functionally graded structures (FGS) and inspired by biological systems through a biomimetic approach were employed. Method: Biomimetic FGS structures were obtained by applying shot peening process to Ti6Al4V alloy at 5-12-20 and 30 allmen intensities, followed by 45S5 Bioglass and β-TCP coatings by EPD method at constant voltage for 10 and 20 min. The samples were heat-treated after EPD to remove residual solvent from the coating and to improve adhesion to the substrate. Tribological, electrochemical corrosion, and biotribocorrosion tests were performed in both dry and simulated body fluid (SBF) environments for all sample groups. Simulated Body Fluid (SBF) was used as the test solution. Structural and morphological analyses of the samples were conducted using X-ray diffraction (XRD), scanning electron microscopy (SEM), energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDS), Fourier-transform infrared spectroscopy (FTIR), microhardness testing, and a three-dimensional optical profilometer. In addition, static contact angle measurements were performed on all sample groups using a contact angle goniometer. Tribological tests were performed using a reciprocating wear test apparatus under a normal load of 3N. Open circuit potential, cyclic potentiodynamic polarisation and electrochemical impedance spectroscopy methods were used in electrochemical corrosion tests. Biotribocorrosion tests were performed by simultaneously operating the wear and electrochemical corrosion setups, under both open circuit potential and cyclic potentiodynamic polarization conditions. Findings: Among the FGS structures produced via a biomimetic approach, higher surface hardness values were obtained compared to the untreated Ti6Al4V substrate. An increase in the coefficient of friction was observed in shot-peened and coated samples, while the wear rates were significantly reduced compared to the untreated Ti6Al4V alloy. In electrochemical corrosion tests, the highest corrosion resistance was observed in the 30ABg20 specimen, which was shot-peened at an Almen intensity of 30 and coated with 45S5 Bioglass. In biotribocorrosion tests, both the increase in Almen density and the synergistic effect of the applied bioceramic coatings on wear and electrochemical corrosion acted in a balanced manner to enhance the tribocorrosion performance of Ti6Al4V alloy. In addition, the negative effect of the irregular micro-pit-peaks that occur irregularly on the surface after the shot peening process has been reduced. Results: Thanks to the FGS structures obtained by biomimetic approach, the surface properties of Ti6Al4V alloy against wear and biocorrosion have been improved. It is also concluded that more durable and biofunctional implant surfaces can be obtained in the body environment with the synergistic effect of bioceramic coatings made by shot peening and EPD method.
Benzer Tezler
- Biyomimetik tabanlı toprak altı kazma robot tasarımı ve analizi
Design and analysis of a biomimetic based underground digging robot
CEYDA DOĞU
Yüksek Lisans
Türkçe
2025
Endüstri Ürünleri TasarımıGazi ÜniversitesiEndüstriyel Tasarım Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ADNAN AKKURT
- Kanat çırpma hareketi bulunan dinamik sistemlerin stabilizasyonu
Stabilization of dynamic systems with wing flapping motion
MUSTAFA KAAN ATİK
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
Mekatronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ATA MUĞAN
- Biyomimetik tasarım örnekleri üzerinden biçimsel taklidin değerlendirilmesi
Evaluation of formal imitation through biomimetic design examples
SARUHAN KORKMAZ
Yüksek Lisans
Türkçe
2022
MimarlıkMimar Sinan Güzel Sanatlar ÜniversitesiMimarlık Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ ÖZGE GÜNDEM
- Biyomimetik bina kabukları: Bir meta-analiz
Biomimetic building envelopes: A meta-analysis
ESRA NUR ERŞAHİN
Yüksek Lisans
Türkçe
2022
Mimarlıkİstanbul Teknik ÜniversitesiMimarlık Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. İKBAL ÇETİNER
- Biomimetik fonksiyonel yüzeylerin otomotiv bağlantı elemanlarında kullanılması
Biomimetic functional surfaces for use in automotive fasteners
GÖKŞAN ŞAN
Yüksek Lisans
Türkçe
2025
Makine MühendisliğiKocaeli ÜniversitesiMühendislik Bilimleri Ana Bilim Dalı
PROF. DR. TAMER SINMAZÇELİK