Grafen- Si3N4 takviyeli titanyum hibrit kompozitlerin tribolojik özelliklerinin incelenmesi

Abstract

Ti-6Al-4V (Ti64) alaşımı, düşük yoğunluk, yüksek mukavemet ve biyouyumluluk gibi özelliklere sahip olması ile özellikle medikal alanda en çok tercih edilen alaşımlarından birisi olmasına rağmen düşük sertlik ve aşınma direnci alaşımın kullanım alanını kısıtlamaktadır. Bu sebeple farklı takviye elemanları ile Ti64 alaşımının mekanik özelliklerinin iyileştirilmesine yönelik çalışmalar her geçen gün artmaktadır. Bu tez çalışmasında, ikinci danışman ve tez öğrencisi tarafından toz metalürjisi yöntemiyle üretilmiş grafen/Si3N4 takviyeli Ti64 hibrit kompozitlerin biyotribolojik performansı incelenmiştir. Deneyler 10 N yük ve 20 mm/s hızda kuru ve fizyolojik sıvı (PBS ve BCS) ortamlarında 6 mm çapında alümina topa karşı gerçekleştirilmiştir. Test sonrası aşınma yüzeylerine ait aşınma mekanizmaları taramalı elektron mikroskobu (SEM) ile belirlenmiştir. Kuru ortamda yapılan deneylerde en yüksek aşınma oranı (38,7 × 10-5 mm3/Nm) Ti64 alaşımında elde edilmiştir. Ti64 alaşıma grafen takviyesiyle aşınma direncinde artış gözlemlenmiştir ve en düşük aşınma oranı (29,5 × 10-5 mm3/Nm) en düşük gözeneklilik, en yüksek basma dayanımı ve sertlik değerlerine sahip Ti64-0,15Gr kompozitte bulunmuştur. Ti64 alaşımı yüzeyinde oluşan yoğun aşınma partikülleri sayesinde Ti64 alaşımının ortalama sürtünme katsayısı (0,32) Ti64-Gr kompozitlerin ortalama sürtünme kaysayısından (0,54-0,60) daha düşük bulunmuştur. PBS ve BCS çözeltilerinde aşınma yüzeyinde sınır tabaka yağlama oluşumu ile sürtünme katsayıları (0,28-0,35) ve aşınma oranları (17,2-23,4 × 10-5 mm3/Nm) kuru ortama göre daha düşük bulunmuştur. BCS sıvısında bulunan proteinler sayesinde sınır yağlaması daha da etkin olarak sürtünme katsayıları ve aşınma oranları daha düşük bulunmuştur. Ti64 alaşıma Si3N4 takviyesiyle artan plastik deformasyon direncine bağlı olarak üç farklı ortamda da sürtünme katsayıları artarken aşınma oranları düşmüştür. Kuru ortamda Si3N4 takviye edilmiş Ti64 kompozitler arasında en düşük aşınma oranı (2,82 × 10-5 mm3/Nm) Ti64-3SN numunede elde edilmiştir. Biyolojik çözeltilerde ise en düşük aşınma oranı Ti64-7SN kompozitinde PBS ve BCS çözeltileri için sırasıyla 3,54 × 10-5 mm3/Nm ve 1,22 × 10-5 mm3/Nm olarak hesaplanmıştır. Si3N4-grafen takviyeli Ti64 hibrit kompozitlerde katı yağlayıcı olan grafenin Si3N4 ile oluşturduğu sinerji ile kuru ve BCS ortamlarında grafen oranının artması Ti64 alaşımının aşınma direncinde artış sağlamıştır. PBS'de ise grafen oranının artması azalan sertlik ile aşınma direncinin düşmesine sebep olmuştur. Bütün test gruplarında en baskın aşınma mekanizmasının abrasiv aşınma olduğu görülmüştür. Bunlara ek olarak az miktarda plastik deformasyon, tribokatman delaminasyonları ve çatlaklar tespit edilmiştir. PBS ve BCS çözeltileri yağlayıcı olarak işlev gördüğü için aşınma mekanizmaları daha az miktarda görülmüştür.

Although Ti-6Al-4V (Ti64) alloy is one of the most preferred alloys, especially in the medical field, with features such as low density, high strength and biocompatibility, its low hardness and wear resistance limit the use of the alloy. For this reason, studies on improving the mechanical properties of Ti64 alloy with different reinforcement elements are increasing day by day. In this thesis, biotribological performance of graphene/Si3N4 reinforced Ti64 hybrid composites was investigated, produced by powder metallurgy by the second advisor and thesis student. Experiments were performed against a 6 mm diameter alumina ball in dry-sliding condition and physiological lubricants (PBS and BCS) under a load of 10 N and a sliding speed of 20 mm/s. After the tests, the wear mechanisms of the wear surfaces were determined by scanning electron microscopy (SEM). The highest wear rate (38.7 × 10-5 mm3/Nm) was obtained in Ti64 alloy in the experiments carried out in dry-sliding condition. An increase in wear resistance was observed with graphene reinforcement to Ti64 alloy and the lowest wear rate (29.5 × 10-5 mm3/Nm) was found in Ti64-0.15Gr composite with the lowest porosity, highest compressive strength and hardness values. Thanks to the intense wear particles formed on the surface of the Ti64 alloy, the average friction coefficient of Ti64 alloy (0.32) was found to be lower than that of the Ti64-Gr composites (0.54-0.60). The friction coefficients (0.28-0.35) and wear rates (17.2-23.4 × 10-5 mm3/Nm) were found to be lower in PBS and BCS lubricants than dry-sliding condition, owing to the formation of boundary lubrication on the wear surface. The presence of proteins in BCS lubrican enables boundary lubrication even more effective, and thus friction coefficients and wear rates were found to be lower. Due to the increased plastic deformation resistance with Si3N4 reinforcement to Ti64 alloy, the friction coefficients increased in all three test conditions while the wear rates decreased. The lowest wear rate (2.82 × 10-5 mm3/Nm) among Ti64 composites reinforced with Si3N4 in dry conditions was obtained in the Ti64-3SN sample. In biological lubricants, the lowest wear rate was calculated as 3.54 × 10-5 mm3/Nm and 1.22 × 10-5 mm3/Nm for PBS and BCS solutions, respectively, in Ti64-7SN composite. The synergy between the solid lubricant graphene and Si3N4 in Si3N4-graphene reinforced Ti64 hybrid composites and the increase in graphene ratio in dry-sliding condition and BCS lubricant provided an increase in the wear resistance of Ti64 alloy. In PBS, on the other hand, the increase in graphene ratio caused a decrease in wear resistance with decreasing hardness. It was observed that the dominant wear mechanism in all test groups was abrasive wear. In addition to these, a small amount of plastic deformation, tribolayer delaminations and cracks were detected. Less wear mechanisms were observed in PBS and BCS solutions as they acted as lubricants.