Processing and mechanical testing of Ti6A14V foams for hard tissue implant applications

Abstract

Adı-Soyadı: Egemen AK ARİzmir Yüksek Tekno loji EnstitüsüOku l:Anabilim Dalı: Ma kina Mühendisliğ iProgramı: Ma kina Mühendisliğ i (Yüksek Lisans)Tez Başlığı: Sert Doku Organları İmplant Uygulamalarında KullanılacakTi6Al4V Köpü k ler in Ür etimi ve M ekan ik TestiÖZETSinterlenmiş Ti6 Al4V toz alaşım köpükler, %52-72 gözenek aralığ ında,küresel tozlar kullanılarak hazırlanmıştır. Gö zenek oranını arttırmak için boşlukyapıcı madde kullanılmıştır. Küresel toz köpükler (200, 300, 400, 500 MPa )basınçlarda soğuk preslenmiş ve 1200 ºC-1300 ºC de 2-4 ve 6 saa t süresincesinterlenmiştir. Sinterlenmiş köpüklerin gözenek miktarları ve ortalama gözenekboyutları uygulanan presleme basıncı ve sinterleme sürelerine göre tespit edilmiştir.Köpükler in or talama gözenek boyutları 10 ve 400 µm aralığ ında, kullanılantozun ortalama tane boyutu ve presleme basıncına bağlı olarak değişim göstermişt ir.Sinterlenmiş toz köpüklerin üzerinde yapılan mikroskobik çalışmalar göstermişt ir ki,yüksek sıcaklıkta (1200 ºC ve 1300 ºC) yapılan sinterleme ve ardından fırın içindeuygulanan düşük hızlı soğutmanın sonucu, küresel tozun mikroyapısı iğnemsi alfa(α) da n Wid ma nst ätten (α+Î²ï© yapısına dönüşmüştür.Statik basma testlerinde köpüklerin, yükle me doğrultusuna 45° açıyla,diyagonal olarak ortaya çıkan kayma bantları oluşumuyla kırıldıkları tespitedilmiştir. Kırılmış ve kırılmamış fakat basma testi sonucu deforme olmuş köpüklerüzerinde yapılmış mikroskob ik ana lizler , α fazında ve/veya ï¡/ï¢ arayüzeyinde oluşanboşluk o luşumu, büyümesi ve taneler arası bağlanma bölgesinde meydana gelenmakro çatlak oluşumu aşamalarını içeren sünek kırılmanın varlığını ortayakoymuştur.Sinterlenmiş köpüklerin mukavemetinin, süngersi kemiğ in yerine geçmesi içinyeterli olduğunu göstermiştir. Bunun yanında, %40 ve/veya daha düşük gözenekoranına sahip tabletlerin mukavemetlerinin insan kort ikal kemiğinin mukavemetiylekıyaslanabilir olduğu belirlenmiştir. Daha önceki ça lışma lar d a ür et ilen Ti ta b letler lekarşılaştırıldığında Ti6 Al4V toz tablet ler daha yüksek mukavemete ve bu nedenle dekort ika l kemik değişimi için uygun olan gözenek miktarının artmasına nedenolmuştur.

Name: Egemen AKARSchool: zmir Institute of TechnologyDepartment: Mechanical EngineeringMajor: Mechanical Engineering (Master)Title of Thesis: Processing and Mechanical Testing of Ti6Al4V Foams for HardTissue Implant ApplicationsABSTRACTSintered Ti6Al4V alloy powder foams were prepared using atomized sphericalpowders in the porosity range of 52-72 %. For increasing porosity range, space holderwas used. Spherical powder foams were cold compacted at (200, 300, 400, 500 MPa)compaction pressures and then sintered at 1200 ºC for 2 h and 1300 ºC for 2-4-6 h.The final porosities and average pore sizes were determined as functions of theapplied compaction pressure and sintered time.The mean pore size of the foams varied between 10 and 400 µm depending onthe particle size range of the powders used and the compaction pressure applied.Microscopic studies of sintered powder foams showed that sintering at hightemperature (1200ºC and 1300ºC) and subsequent relatively slow-rate cooling in thefurnace transformed the microstructure of spherical powder from the acicular alpha(α) to the Widmanstätten (α+β microstructure.In compression testing, at quasi-static, the foams failed primarily by shear°band formation along the diagonal axis 45° to the loading direction. Microscopicanalyses of deformed but not failed and failed spherical powder foam samples furthershowed that fracture occurred in a ductile (dimpled) mode consisting of voidinitiation and growth in α phase and/or at the α/β interface and macrocraking by voidcoalescence in the interparticle bond region.The strength of the sintered foams was further shown to satisfy the strengthrequirements for cancellous bone replacement. The strength of the compacts havingporosity level of 40% and/or lower was comparable with that of human cortical bone.Compared to Ti powder compacts of previous studies, Ti6Al4V powder compactsprovided higher strength and increased porosity level of the foams suitable forcortical bone replacement.