Biyomedikal uygulamalarda kullanılan CoCrMo alaşımlarının mikro yapı ve korozyon direncine Pd katkısının araştırılması

Abstract

CoCrMo alaşımları mekanik özellikleri, korozyon dirençleri, aşınma dirençleri ve biyouyumlulukları nedeniyle kalça protezi, diz ve dental malzemeler olarak en yaygın kullanılan malzemelerdir. Bu çalışmada farklı paladyum miktarına (kütlece %1.68, % 2.70 ve % 4.33 Pd) sahip CoCrMo alaşımları argon atmosferi altında hassas döküm yöntemiyle üretildi. Alaşımlar mikrosertlik, nanosertlik ve korozyon deneyleri için uygun uzunlukta kesildi. Bu alaşımların hazırlanmasından sonra, taramalı elektron mikroskobu (SEM), X-ışını kırınımı yöntemi (XRD), mikro ve nanoçentik testsleri alaşımların mekanik özelliklerini incelemek için kullanıldı. Mikroçentik testi yük aralığı 0.245 N ile 9.8 N arasında değişen Vickers ve Knoop uçları kullanılarak gerçekleştirildi. Alaşımlar belirgin şekilde yüke bağımlılık gösterdi (örneğin çentik boyutu etkisi, (ÇBE)). Mikrosertlik deneyi sonuçları Meyer Kanunu, Orantılı Numune Direnci Modeli, Düzeltilmiş Orantılı Numune Direnci Modeli, Hays-Kendall vb. modeller kullanılarak analiz edildi. Yükten bağımsız sertliğin hesaplaması için en iyi model Hays-Kendall Modeli olarak bulundu. Statik sertlik deneylerinden Pd-1, Pd-2 ve Pd-3 alaşımlarına ait elastik modül değerleri sırasıyla 418.4, 408.9 ve 364.5 GPa'dır. Paladyum katkısının artmasıyla elastik modülün azaldığı gözlendi.Bu alaşımların nanoçentik sertliği 1000 ile 10000 μN artan yük aralığında ölçüldü. Nanoçentik testi tamamen ayarlanmış (Hysitron TI-950 Triboindenter) Berkovich uç kullanılarak gerçekleştirildi. Yük-yerdeğiştirme eğrilerinin analizinde en yaygın olan Oliver-Pharr Metodu kullanıldı. Mikrosertliğin aksine, nanosertlik deney sonuçları, uygulanan çentik test yükünün artmasıyla (ters çentik boyutu etkisi) nanosertliğin arttığını açıkça ortaya koydu. Mikrosertlik gibi nanosertlik sonuçları da Meyer Kanunu, Orantılı Numune Direnci Modeli, Düzeltilmiş Orantılı Numune Direnci Modeli, Hays-Kendall vb. modeller kullanılarak analiz edildi. Bu çalışmada nanosertlik değerleri sırasıyla Pd-1, Pd-2 ve Pd-3 için 6.83, 6.20 ve 5.67 GPa'dır. Dinamik sertlik deneylerinden Pd-1, Pd-2 ve Pd-3 alaşımlarına ait elastik modül değerleri sırasıyla 260.6, 252.2 ve 232.4 GPa'dır. Paladyum katkısının artmasıyla elastik modülün azaldığı gözlendi.Polarizasyon testleri % 0.09'luk NaCl çözeltisinde yapıldı. Polarizasyon tarama hızı 1 mVs-1 olarak seçildi ve potansiyel aralığı -500 ile +250 mV aralığında belirlendi. Pd-1, Pd-2 ve Pd-3 alaşımları için korozyon potansiyeli, korozyon akımı ve lineer polarizasyon direnci Tafel Metodu ile belirlendi. Artan Pd oranı ile korozyon direncinin arttığı gözlendi.

CoCrMo alloys are one of the most commonly used materials for hip arthroplasty, knee and dental materials because of its mechanical properties, corrosion resistance, wear resistance and biocompability. There for, in this study CoCrMo alloys having different palladium amount (mass %1.68, %2.70 and %4.33 Pd) produced by investment casting method under argon atmosphere. The alloys were cut in proper length for microhardness, nanohardness and corrosion experiments. After preperation of these alloys, scanning electron microscopy (SEM), X-ray difraction method (XRD), micro and nanoindentation test were used to examine the mechanical properties of the alloys. Microindentation test were carried out using Vickers and Knoop indenter that the loads ranging 0.245 to 9.8N. Both Vickers and Knoop indenters were used, the alloys exhibit significant load-dependence (i.e indentation size effect, (ISE)). The experimental microhardness results were analyzed by Meyer's law, Propertional Specimen Resistance model, Modified Propertional Specimen Resistance Model, Hays-Kendall etc. model. The best model for the load independent microhardness calculation is our case was found to be Hays-Kendall Model. The elastic modulus values obtained from static hardness experiments of Pd-1, Pd-2 and Pd-3 alloys were found 418.4, 408.9 and 364.5 GPa respectively. Consequently, the elastic modulus decreases with increasing palladium contribution.The nanoindentation hardness of these alloys were measured in the peak load range from 1000 to 10000 μN. The nanoindentation test were conducted with a Berkovich indenter using a fully calibrated (Hysitron TI-950 Triboindenter). The most common Oliver-Pharr Method used the analysis of load-displacement curves. Unlike the microhardness, nanohardness experimental results revealed that apparent nanohardness increases with increasing applied indentation test load (reverse indentation size effect (RISE)). Same as the microhardness, nanohardness results were analyzed by Meyer's law, Propertional Specimen Resistance Model, Modified Propertional Specimen Resistance Model, Hays-Kendall etc. model. In the present study the corresponding naohardness values were 6.83, 6.20, and 5.67 GPa for Pd-1, Pd-2, and Pd-3, respectively. The elastic modulus values obtained from dynamic hardness experiments of Pd-1, Pd-2 and Pd-3 alloys were found 260.6, 252.2 and 232.4 GPa respectively. Consequently, the elastic modulus decreases with increasing palladium contribution.The polarization tests were carried out at NaCl solution (mass % 0.09). The potentional scan rate chosen was 1 mVs-1 and the potentional range were identified from -500 to +250 mV. Corrosion potential, corrosion current and lineer polarization resistance of Pd-1, Pd-2 and Pd-3 were determined by the Tafel Method. The results showed us corrosion resistance increases with increasing Pd ratio.