Medikal alanda kullanılan paslanmaz çeliklerin lazer kaynak kabiliyeti ve kaynaklı bağlantıların biyoaktivite ve biyokorozyon davranışlarının araştırılması

Abstract

Bu çalışmada, AISI 316L (X2CrNiMo17-12-2) östenitik, AISI 420 (X30Cr13) martenzitik, AISI 2205 (22Cr5Ni3Mo) dubleks paslanmaz çelik levhalar CO2 lazer ışını kaynak yöntemiyle birleştirilmiştir. Birleştirme işlemi %50 Argon + %50 helyum gazı korumalı ortamda, iki farklı lazer gücüyle ve üç farklı kaynak hızıyla gerçekleştirilmiştir. Kaynak yatay pozisyonda, ortam sıcaklığında, ilave metal kullanılmadan ve alın alına gerçekleştirilmiştir. Kaynaklı birleştirmelerin mekanik özelliklerini belirleyebilmek için çekme, üç nokta eğme ve çentik darbe testi uygulanmıştır. Bağlantıların sertlik profili mikrosertlik ölçümü ile belirlenmiş, metalografik incelemeler ise optik mikroskop, SEM, EDS ve XRD vasıtasıyla gerçekleştirilmiştir. Aynı zamanda, kaynaklı bağlantıların X-Işını Radyografik muayene yöntemi ile hataları araştırılmıştır. Deney numuneleri biyoaktivite özelliklerini belirleyebilmek için yapay vücut sıvısı (SBF-Simulated Body Fluid) içerisinde 1, 3, 7, 14, 21, 28 gün süreyle bekletilmiştir. Bekletme süresine bağlı olarak oluşan numunelerin ağırlık artışı belirlenmiştir. Numunelerin yüzeylerinde biriken hidroksiapatit katmanı karakterizasyonu SEM-EDS ile gerçekleştirilmiştir. SBF içerisinde 1, 3, 7, 14, 21, 28 gün bekletilen numunelerin biyokorozyon özellikleri ağırlık kaybı ölçülerek belirlenmiş ve korozyon hızları hesaplanmıştır. SBF içerisinde bekletilen numunelerin yüzeyleri SEM-EDS vasıtasıyla incelenmiştir. Mekanik testler sonucunda, AISI 316L östenitik, kaynak öncesi ve sonrası ısıl işlem uygulanmış AISI 420 martenzitik ve AISI 2205 dubleks paslanmaz çelik birleştirmelerinin kabul edilebilir mekanik özelliklere sahip olduğu belirlenmiştir. Çalışmada kullanılan üç farklı paslanmaz çeliğin SBF içerisinde bekletilme sürecinin ilk gününden itibaren yüzeylerinin hidroksiapatit mineralleriyle kaplandığı tespit edilmiştir. Ancak kaynak dikişinde termal çevrimin etkisiyle hidroksiapatit tutunması ana malzemeye göre daha zayıf bulunmuştur. Özetle, paslanmaz çelik ana malzemelerin kaynaklı numunelerine göre daha iyi biyoaktivite özellikleri sergiledikleri belirlenmiştir. Korozyon incelemeleri sonucunda, SBF içerisinde bekletilen AISI 316L östenitik ve AISI 2205 dubleks paslanmaz çelik deney numunelerinde ağırlık kaybı ve korozyon hızı düşük bulunmuştur. Ancak AISI 420 martenzitik paslanmaz çelikte ise ağırlık kaybı ve korozyon hızı ise yüksek bulunmuştur. Mekanik, biyoaktiflik ve korozyon özellikleri göz önünde bulundurulduğunda AISI 316L östenitik ve AISI 2205 dubleks paslanmaz çelik ana malzeme ve lazer kaynaklı birleştirmeleri vücut içerisinde kısa süreli implant olarak kullanılabilir. AISI 420 martenzitik paslanmaz lazer kaynaklı birleştirmeleri vücut içerisinde implant olarak kullanılamaz. Ancak cerrahi aletlerin ve ekipmanlarının yapımında kullanılabilecek seviyede mekanik özelliklere ve korozyon direncine sahiptir.

In this study, AISI 316L (X2CrNiMo17-12-2) austenitic, AISI 420 (X30Cr13) martensitic and AISI 2205 (22Cr5Ni3Mo) duplex stainless steel sheets were joined with Laser Beam Welding (LBW) method. The welding processes was carried out under 50 % Ar + 50 % He shielding gas atmosphere, by using three welding speed at two different laser powers. The welding was performed without using filler metal on butt weld joint configuration at horizontal position in the ambient temperature. In order to determine the mechanical properties of the welded joints, tensile, three point bending; V notch impact tests were applied. The hardness profile of weldment was determined by microhardness measurement and the metallographic investigation was evaluated by an optical microscope, Scanning Electron Microscope (SEM), Energy Dispersive X-ray Spectroscopy (EDS) and X-ray Diffraction (XRD). In addition, the defects in weldment was inspected by X-ray radiographic method. In order to determine the bioactivity of samples, they were exposed in Simulated Body Fluid (SBF) solution for 1, 3, 7, 14, 21, 28 days. The increasing weight of sample depend on the soaking time in SBF was determined and recorded. The deposited hydroxyapatite (HA) layer on the surface of the samples was characterized by Scanning Electron Microscope (SEM), Energy Dispersive X-ray Spectroscopy (EDS) analysis. The bio-corrosion features of samples were determined by weight loss method and the corrosion rate was also calculated. In addition, the surface of the sample was evaluated by using SEM-EDS after soaking periods in the SBF.As a result of the mechanical tests, it was determined that the AISI 316L austenitic, pre and post-weld heat treated AISI 420 martensitic and AISI 2205 duplex stainless steels weldment have got feasible mechanical properties for industrial application.It was observed that the surface of the three different types of stainless steels were coated by hydroxyapatite from first day of soaking period in the SBF. However, the adsorbing of hydroxyapatite on the weldment surface was weak due to weld thermal effect as compared with base metal. Briefly, the stainless steel base metals present well bioactivity characteristic compared with the welded samples.As a result of corrosion study, the weight losses and corrosion rates of AISI 316L austenitic and AISI 2205 duplex stainless steel samples exposed in the SBF were found lower. Meanwhile, the weight loss and the corrosion rate was excessively higher for AISI 420 martensitic stainless steel. By considering the mechanical, bioactivity and bio-corrosion properties, the laser welded AISI 316L austenitic and AISI 2205 duplex stainless steels could be used in human body as a short-term implant. However, AISI 420 laser welded joints could not be used in human body as implants, although, it has got good mechanical properties and relative corrosion features for uses in surgical instruments and for medical industries.