Elektriksel kıvılcımla işlemede hidroksiapatit toz katkısının yüzey bütünlüğüne etkisi

Abstract

Elektriksel Kıvılcımla İşleme (EKİ), sertliğinden bağımsız ve karmaşık şekilli malzemelerin kolaylıkla işlenebildiği alışılmamış imalat yöntemidir. Yalıtkan bir sıvı içerisinde iş parçası ve elektrot arasında oluşturulan elektriksel kıvılcımları etkisiyle mekanik bir temas olmaksızın malzeme kaldırma yöntemine dayanmaktadır. Yöntemi daha etkin kılabilmek için dielektrik sıvı içerisine toz katkıları ilave edilmektedir. Toz Katkılı Elektriksel Kıvılcımla İşleme (TKEKİ) olarak adlandırılan bu yöntem sayesinde malzeme kaldırma oranı, takım aşınması, yüzey pürüzlülüğü ve sertlik gibi özellikler iyileşmektedir. Bu amaçla, dielektrik sıvıya titanyum, alüminyum, silisyum karbür grafit gibi çeşitli tozların katıldığını literatürde görmekteyiz. Dielektrik sıvı içerisinde Hidroksiapatit (HA) toz katkısının kullanımına ise son yıllarda rastlanmaktadır. Bu çalışmada biyouyumlu bir malzeme olan Ti6Al4V alaşımının, Hidroksiapatit Toz Katkılı Elektriksel Kıvılcımla İşleme (HA-TKEKİ) yöntemiyle işlenmesi ele alınmıştır. Çünkü biyouyumlu malzemeler, vücut sıvılarıyla etkileşime geçebilmekte, iyon salınımı, toksik ve kanserojen etkileri sebebiyle vücutla daha uyumlu bir malzeme ile yüzey modifikasyonuna ihtiyaç duymaktadır. Yöntemde, mikronize (mikro) ve nano boyutlarda HA toz katkısı kullanılmıştır ve karşılaştırması yapılmıştır. İşleme sırasında yüzeye toz katkısı transferi ve buna bağlı yüzey ve yüzeyaltı özelliklerinin değişimi değerlendirilmiştir. İşlemeler 4 akım seviyesinde (4A, 12A, 22A ve 42 A) ve 10 darbe süresinde (3µs-1600 µs) gerçekleştirilmiştir. Öncelikle yüzeylerin pürüzlülükleri ölçülmüştür. İşlenen yüzey özellikleri Taramalı Elektron Mikroskopu (SEM),Enerji Dağılım Spektrometresi (EDS) ve X Işını Kırınımı (XRD) ile analiz edilmiştir. Kesit özelliklerine ise optik mikroskopla bakılmıştır. Sonrasında ise kesitte oluşan tabakalardan mikrosertlik ölçümleri alınmıştır. Nano HA tozlarının mikroya göre pürüzlülüğü daha da artırdığı görülmüştür. Suda işlemelerde ise düşük darbe sürelerinde pürüzlülüğün az olduğu yüksek darbe sürelerinde ise toz katkılıya göre hızla arttığı görülmüştür. Toz katkısı nüfuziyetinin daha çok krater çeperlerinde yoğunlaştığı görülmektedir. Nano toz katkısı kullanıldığında en fazla HA yoğunlaşması 7A darbe akımında, en az yoğunlaşma ise 22A'de gerçekleşmektedir. Mikro toz katkısı için ise en fazla yoğunlaşma 22A darbe akımında, en az yoğunlaşmanın ise 42A'de gerçekleşmektedir. Mikro ve nano toz katkılı ve saf suda gerçekleştirilen işlemelerde oluşan katman kalınlıkları da değerlendirilmiştir. Kalınlıklar, parametrelere göre 20 µm'den 140 µm'ye kadar değişmektedir. Nano HA-TKEKİ'de düşük darbe sürelerinde katman kalınlıkları mikro HA-TKEKİ'ye göre daha fazla fakat yüksek darbe sürelerine çıkıldıkça aynı seviyelerde seyretmektedir. Ayrıca tabakalardan sertlik ölçümleri alınarak karşılaştırılmıştır. Buna göre ana malzemedeki (Ti6Al4V) ortalama sertlik 365 HV iken, ısıl etkilenmiş katmanda 400-500 HV olmaktadır. Eriyip tekrar katılaşan katmanda ise TKEKİ'de 1600-1800 HV değerine ulaşmaktadır. Saf suda yapılan işlemelerde ise 2000 HV'a çıkmaktadır.

Electrical Discharge Machining (EDM) is an unusual manufacturing method in which complex materials, which are independent of their hardness, can be easily machined. It is based on the method of material removal without mechanical contact due to the electrical sparks generated between the workpiece and the electrode in an insulating liquid. In order to make the method more effective, powder additives are added to the dielectric liquid. As an advantage of this method, which is called Powder Mixed Electrical Discharge Machining (PMEDM), properties such as material removal rate, tool wear, surface roughness and hardness improve. For this purpose, in the literature that various powders such as titanium, aluminum, silicon carbide graphite are added to the dielectric liquid. The use of Hydroxyapatite (HA) powder additive in dielectric liquid has been observed in recent years. In this study, machining of Ti6Al4V alloy, which is a biocompatible material, with Hydroxyapatite Powder Mixed Electrical Discharge Machining (HA-PMEDM) method is discussed. Because biocompatible materials can interact with body fluids, they require surface modification with a more compatible material with the body due to ion release, toxic and carcinogenic effects. In the method, micronized (micro)and nano-size HA powder additives were used and compared. During the machining, powder additive transfer and change of surface and sub-surface properties were evaluated. Machining was carried out at 4 pulse currents (7A, 12A, 22A and 42 A) and 10 pulse times (3µs-1600 µs). First of all, the roughness of the surfaces was measured. The processed surface properties were analyzed by Scanning Electron Microscope (SEM), Energy Dispersive Spectrometry (EDS) and X Ray Diffraction (XRD). The sectional properties were examined with an optical microscope. Then, microhardness measurements were taken from the layers formed in the section. Nano HA powders were found to increase the roughness even more than the micro. In water machinings, it was observed that at low pulse durations, roughness was low, and at high pulse durations, it increased rapidly compared to powder additives. It appears that the penetration of the powder additive is mostly concentrated in the crater walls. When nano powder additive is used, the highest HA concentration occurs at 7A pulse current and the least concentration is at 22A. For micro powder additive, the highest concentration is at 22A pulse current and the least concentration is at 42A.Layer thicknesses formed with micro, nano powder additive and pure water treatments were also evaluated. Thicknesses vary from 20 µm to 140 µm according to the parameters. In nano HA-TKEKİ, layer thicknesses are lower than the micro HA-TKEKİ, but at the same level as high pulse durations are observed.In addition, microhardness measurements were taken from the layers and compared.Accordingly, while the average hardness in the main material (Ti6Al4V) is 365 HV, it is 400-500 HV in the heat-affected layer. It reaches 1600-1800 HV value in TKEKI in the recast layer. In pure water, it increases to 2000 HV.