Biyomalzeme olarak kullanılan AISI316L paslanmaz çelik ve Ti6Al4V alaşımının plazma ile nitrürasyon davranışı, Ti-DLC ince film kaplama ile karşılaştırılması

Abstract

İmplant olarak kullanılan bir biyomalzemeden hem canlı sistemlerle etkileşimde uyum sağlaması hem de istenilen mekanik özellikleri ve fonksiyonelliği tam olarak karşılaması beklenir. Biyomalzemenin mekanik özellikleri kütlesel (bulk) özellikleri ile ilgili iken, canlı sistemler ile uyumu, aşınma ve korozyon davranışları yüzey özellikleri ile ilgilidir. İnsan vücuduna yerleştirilen bir implantın kısa bir süre içerisinde hasara uğraması hastayı hem psikolojik hem de ekonomik olarak etkilemektedir. Bu nedenle, biyomalzemelerin kullanılacağı yere göre en iyi yüzey özelliklerine sahip olacak şekilde tasarlanması gerekir.Bu çalışmada, biyomalzeme olarak kullanılan 316L paslanmaz çeliği ve Ti6Al4V alaşımının plazma ile nitrürasyon davranışı incelenmiş, elde edile sonuçlar Ti-DLC kaplama ve nitrürasyon ile kaplamanın birleşimi olan dubleks yüzey işlemiyle karşılaştırılmıştır. 316L paslanmaz çeliğinin plazma ile nitrürasyon işlemi 400, 450, 500oC işlem sıcaklığı, 1, 4, 8 saatlik işlem süresi ve %20N2-%80H2 gaz karışım oranında gerçekleştirilmiştir. Ti6Al4V alaşımı için seçilen nitrürasyon parametreleri ise 650, 700, 750oC işlem sıcaklığı 1, 2, 4 saat ve %75N2-%25Ar gaz karışım oranıdır. Ti-DLC kaplama işlemi için CFUMBS tekniği kullanılmıştır. Bu işlemlerden sonra mekanik özelliklerin tespit edilmesi için yorulma deneyleri, mikro sertlik ölçümleri ve çizme deneyleri, tribolojik özelliklerin belirlenmesi için pim-disk aşınma deneyleri yapılmıştır. Ayrıca elektrokimyasal çalışmalar için potansiyostat cihazı, yapısal özelliklerin tespit edilmesi için XRD ve SEM kullanılmıştır. Yapılan çalışma sonucunda, uygulanan yüzey işlemlerinin 316L paslanmaz çeliği ve Ti6Al4V alaşımının tribolojik özelliklerini iyileştirdiği görülmüştür. İşlem şartlarına bağlı olarak plazma ile nitrürasyon işleminin 316L paslanmaz çeliğinin korozyonu, Ti6Al4V alaşımının yorulma davranışı üzerine bazı olumsuz etkileri olduğu belirlenmiştir. Bu olumsuzluğun da dubleks yüzey işlemi ile giderilebileceği tespit edilmiştir.

An implant biomaterial is expected to interact well with the live tissue and also it is expected to provide the full desired mechanical properties and functionalities. The mechanical properties of a biomaterial are related with its bulk properties while its integration with live systems and its wear and corrosion behaviors are related with the properties of the surface of the material. Quick damage of an implant would hurt the patient both psychologically and financially. Therefore, biomaterials should be designed to have the best surface properties according to their use areas.In this study, the nitridation behavior of Ti6Al4V and AISI316L stainless steel alloy with plasma was investigated. The results were compared against Ti-DLC deposition, nitridation and also with the duplex surface treatment which is a combination of these surface treatments. AISI316L stainless steel is used as a biomaterial in the industry. The nitridation process for 316L stainless steel with plasma was carried out in a %20N2-%80H2 gas mixture with 1, 4, 8 hours intervals at 400, 450, 500oC temperatures respectively. The parameters picked for Ti6Al4V alloy were as follows: 650, 700, 750oC as process temperatures, 1, 2, 4 hours as time intervals and %75N2-%25Ar as gas mixture rate. CFUMBS was used as the Ti-DLC deposition technique. After these operations, micro-hardness measurements and scratch tests were done to determine the mechanical properties of the alloy. The wear experiments were carried out to find out the tribological properties of the alloy. In addition, a potansiostat device was used for electro-chemical studies, and XRM and SEM were used to find out the surface properties. As a result, it was found that the surface process applied on Ti6Al4V and AISI316L stainless steel alloy improved the tribological characteristics of the alloy. It was also found that plasma nitriding had a negative effect on 316L stainless steel corrosion and the wear property of Ti6A14V alloy. Duplex surface treatment seemed to repair these problems.