Theses supervised by Prof. Dr. İlven Mutlu
11 theses · Bilecik Şeyh Edebali Üniversity, İstanbul University-Cerrahpaşa
Toz metalurjisi yöntemiyle biyobozunur implant üretimi ve incelenmesi
Bu çalışmada doku mühendisliği uygulamaları için doku iskelesi amaçlı gözenekli biyobozunur Mg, Zn, Fe alaşımları ve TCP numunesi toz metalurjisi esaslı boşluk yapıcı yöntemiyle üretilmiştir. Ayrıca, biyobozunur ortopedik implant uygulamalarında kullanılmak üzere (vida, plaka vb.) yoğun Mg, Zn ve Fe, östenit yapılı Fe alaşımları ve TCP numuneleri geleneksel toz metalurjisi yöntemiyle, yoğun Fe numunesi ise toz enjeksiyon kalıplama (TEK) yöntemi ile üretilmiştir. Silindir şekilli ham numunelerin ve sinterlenmiş numunelerin yoğunluk değerleri geometrik (gravimetrik) yöntem ile kütle/hacim ilişkisi kullanılarak belirlenmiştir. Karakterizasyon çalışmaları kapsamında, numunelerin mekanik özellikleri ve mikroyapıları analiz edilmiştir. Numunelerin mekanik özellikleri basma testi ve tahribatsız ultrasonik muayene yöntemi ile belirlenmiştir. Elektrokimyasal korozyon özellikleri yapay vücut sıvısında incelenmiştir. Ayrıca metal iyon salınımı miktarı ve biyobozunurluk hızı yapay vücut sıvısı içerisinde statik daldırma testi ile incelenmiştir. Numunelerin faz yapısını belirlemek amacıyla X-ışını kırınım (XRD) analizi gerçekleştirilmiştir. Gözenekli numunelerin toplam gözenek (açık ve kapalı) miktarları kütle/hacim ilişkisinden (geometrik yöntem) belirlenmiştir. Çalışmanın sonunda, % 68 - % 83 arasında değişen farklı oranlarda gözenek içeren numuneler doku mühendisliği uygulamaları için üretilmiştir. Numunelerin mekanik özellikleri karşılaştırıldığında yüksek östenit yapılı Fe alaşımlarının en yüksek elastisite modülüne sahip olduğu görülmüştür. Biyobozunurluk incelemesinde Fe, Mg ve Zn alaşımlarının ağırlık değişimi beklenen değerlerde değişmektedir. Salınan Fe, Zn ve Mg iyon miktarları, insan vücudu için toksik eşik değerinden düşüktür. XRD sonuçları incelendiğinde alaşımlarda bulunan elementlerin faz yapısının korunduğu görülmektedir. Elektrokimyasal korozyon sonuçlarına bakıldığında, üretilen Mg alaşımlarından Mg-Zr alaşımının, Fe alaşımlarından Fe-Co alaşımının ve Zn alaşımlarından ise Zn-Fe alaşımının korozyon hızlarının düşük olduğu görülmüştür. Anahtar Kelimeler: Biyomalzeme, Doku Mühendisliği, Biyobozunur İmplantlar, Toz Metalurjisi
Biyomedikal uygulamalar için şekil bellekli malzeme üretimi ve karakterizasyonu
DAHA SONRA DOLDURULACAKTIR
Uçak uygulamaları için süperalaşım üretimi
Bu tez çalışmasında, uçak uygulamaları için yenilikçi Ni esaslı Inconel 718, Co esaslı Haynes 188, Fe esaslı Incoloy 907 süperalaşımlarının üretilmesi ve karakterizasyonu gerçekleştirilmiştir. Tez kapsamında, Ni esaslı Inconel 718, Co esaslı Haynes 188, Fe esaslı Incoloy 907 süperalaşımlar geleneksel toz metalurjisi (presleme-sinterleme) yöntemi ile üretilmiş olup; alaşım tozları mekanik alaşımlama (bilyeli değirmen) yöntemi ile hazırlanmıştır. Tozların hazırlanmasının ardından, presleme ile ham numuneler üretilmiştir. Daha sonra ham numuneler 1250 °C sıcaklıkta 1 saat süre ile sinterlenmiştir. Son olarak, sinterlenmiş numunelere ısıl işlem uygulanmıştır. Sinterlenmiş numuneler 900 °C sıcaklıkta 1 saat çözeltiye alınmış ve ardından su verme uygulanmıştır. Ardından numuneler 400-550 °C arasında yaşlandırılmıştır. Tez kapsamında, Ni esaslı Inconel 718, Co esaslı Haynes 188, Fe esaslı Incoloy 907 süperalaşımların içerisine ilave edilen çeşitli alaşım elementlerinin alaşımın özelliklerine etkileri incelmiştir. Üretilen Ni esaslı Inconel 718, Co esaslı Haynes 188, Fe esaslı Incoloy 907 süperalaşımlar tahribatlı (aşınma, sertlik) ve tahribatsız (ultrasonik test, girdap akımları) yöntemler ile incelenmiştir. Ayrıca Ni esaslı Inconel 718, Co esaslı Haynes 188, Fe esaslı Incoloy 907 süperalaşımlarının elektrokimyasal korozyon davranışları NaCl çözeltisi içerisinde açık devre potansiyel, Tafel, empedans elektrokimyasal spektroskopisi yöntemleri kullanılarak incelenmiştir. Süperalaşımların özellikleri ilk prensipler temmelli hesaplamalı malzeme mühendisliği esaslı yazılımlar (CASTEP) ve hesaplamalı faz diyagramları (CALPHAD) esaslı yazılımlar (Thermo-Calc) kullanılarak incelenmiştir.
Toz metalurjisi yöntemi ile üretilmiş süperalaşımların ısıl işlemi
Bu tez çalışmasında, uçak uygulamaları için Inconel 718 esaslı süperalaşımlarının üretilmesi ve karakterizasyonu gerçekleştirilmiştir. Tez kapsamında, Ni esaslı Inconel 718 süperalaşımlar geleneksel toz metalurjisi (presleme-sinterleme) yöntemi ile üretilmiş olup; alaşım tozları mekanik alaşımlama (bilyeli değirmen) yöntemi ile hazırlanmıştır. Tozların hazırlanmasının ardından, presleme ile ham numuneler üretilmiştir. Daha sonra ham numuneler 1100-1250 °C arasında 1 saat süre ile sinterlenmiştir. Son olarak, sinterlenmiş numunelere ısıl işlem uygulanmıştır. Sinterlenmiş numuneler 1000 °C sıcaklıkta 1 saat çözeltiye alınmış ve ardından su verme uygulanmıştır. Ardından numuneler 400-550 °C arasında yaşlandırılmıştır. Tez kapsamında, Ni esaslı Inconel 718 süperalaşımların içerisine ilave edilen çeşitli alaşım elementlerinin alaşımın özelliklerine etkileri incelmiştir. Üretilen Ni esaslı Inconel 718 süperalaşımlar tahribatlı (aşınma, sertlik) ve tahribatsız (ultrasonik test, girdap akımları) yöntemler ile incelenmiştir. Ayrıca Ni esaslı Inconel 718 süperalaşımlarının elektrokimyasal korozyon davranışları NaCl çözeltisi içerisinde açık devre potansiyel, Tafel, empedans elektrokimyasal spektroskopisi yöntemleri kullanılarak incelenmiştir. Ayrıca yüksek sıcaklık korozyon testleri gerçekleştirilmiştir. Süperalaşımların özellikleri ilk prensipler temmelli hesaplamalı malzeme mühendisliği esaslı yazılımlar (CASTEP) ve hesaplamalı faz diyagramları (CALPHAD) esaslı yazılımlar (Thermo-Calc) kullanılarak incelenmiş ve kompozisyon optimize edilmiştir.
Biyomedikal uygulamalar için beta-titanyum alaşımlarının üretilmesi
Bu tez çalışmasında, biyomedikal uygulamalar için yenilikçi ikili ve üçlü titanyum alaşımlarının üretilmesi ve karakterizasyonu gerçekleştirilmiştir. Tez kapsamında düşük elastisite modülüne sahip Ti-Sn, Ti-Mo, Ti-Mo-Sn esaslı beta titanyum alaşımları üretilmiştir. Tez kapsamında, Ti-Sn, Ti-Mo, Ti-Mo-Sn esaslı ikili ve üçlü titanyum alaşımları geleneksel toz metalurjisi (presleme-sinterleme) yöntemi ile üretilmiş olup; ikili ve üçlü alaşım tozları mekanik alaşımlama (bilyeli değirmen) yöntemi ile hazırlanmıştır. Tozların hazırlanmasının ardından, presleme ile ham numuneler üretilmiştir. Daha sonra ham numuneler 1100-1250 °C arasında 1 saat süre ile sinterlenmiştir. Tez kapsamında, titanyum içerisine ilave edilen alaşım elementlerinin (Mo ve Sn) alaşımın özelliklerine etkileri incelmiştir. Üretilen malzemelerin mikroyapısı tahribatlı (aşınma, sertlik) ve tahribatsız (ultrasonik test, girdap akımları) yöntemler ile incelenmiştir. Ayrıca titanyum alaşımı ürünlerin elektrokimyasal korozyon davranışları yapay vücut sıvısı çözeltisi içerisinde açık devre potansiyel, Tafel, empedans elektrokimyasal spektroskopisi yöntemleri kullanılarak incelenmiştir. Titanyum alaşımlarının özellikleri hesaplamalı malzeme mühendisliği esaslı yazılımlar kullanılarak incelenmiş ve kompozisyon optimize edilmiştir.
Parçacık ve fiber takviyeli polimer matrisli kompozit malzemelerin üretilmesi ve karakterizasyonu
Bu tez çalışmasında, kendi kendini onarma kabiliyeti, radar (mikrodalga) absorban özelliği ve antikorozif özellik gösteren parçacık ve fiber takviyeli polimer matrisli kompozit malzemelerin üretimi ve karakterizasyonu yapılmıştır. Geliştirilen polimer matrisli kompozit malzemelerin havacılık ve özellikle rüzgar türbini kanatçığı üretimine yönelik olması amaçlanmıştır. Kendi kendini onaran malzeme üretiminde öncelikle mikrokapsül tekniği esaslı yöntem kullanılmıştır. Matris malzemesi olarak termoset esaslı epoksi kullanılmıştır. İyileştirme maddesi olarak metilmetakrilat (MMA) ve benzoilperoksit (BPO) kullanılmıştır. Kendi kendini onaran malzeme üretiminde ayrıca, şekil bellekli FeMnSi ve FeNiCo esaslı tozların epoksi matris içerisine ilavesi ile faz dönüşüm toklaşması ile kendi kendini onaran kompozit malzeme üretilmiştir. Fe-Mn-Si ve Fe-Ni-Co esaslı tozlar mekanik alaşımlama yöntemi ile üretilmiştir. Antikorozif kaplama olarak hekzagonal bor nitrür (h-BN) katkılı epoksi matrisli kaplamalar üretilmiş ve h-BN ilavesinin altlık metalin elektrokimyasal korozyon direncine etkileri araştırılmıştır. Radar absorban malzeme kapsamında Fe alaşımı toz ve karbon nanotüp ilaveli epoksi matrisli kompozit malzemeler üretilmiş ve mikrodalga absorbsiyon özellikleri incelenmiştir. Fiber takviyesi olarak kırpılmış ve örgülü cam fiber ve karbon fiber kullanılmıştır. Ayrıca, doğal polimer kullanımı kapsamında takviye malzemesi olarak kırpılmış ve örgülü kenevir ve matris malzemesi olarak epoksi esaslı numuneler üretilmiş ve çeşitli özellikleri incelenmiştir. Polimer matrisli kompozit numuneler el yatırma (döküm) yöntemi kullanılarak üretilmiştir. Ayrıca, replika tekniği ile metamalzeme esaslı malzemeler üretilmiştir. Replika tekniğinde, eklemeli imalat ile model üretilmiş ve aljinat kalıba döküm ile kompozit parça üretimi gerçekleştirilmiştir. Üretilen kompozit malzemelerin mikroyapısı ve mekanik özellikleri incelenmiştir. Malzemelerin çekme davranışı, sertliği, elastisite modülü, enerji absorblama kapasitesi gibi mekanik özellikleri belirlenmiştir. Üretilen kompozit malzemelerin iletkenlikleri tahribatsız girdap akımları (eddy current) testi ile araştırılmıştır. Ayrıca numuneler tahribatsız ultrasonik muayene ile incelenmiştir. Numunelerin mikrodalga absorbsiyon özellikleri VNA cihazı ile belirlenmiştir. Numunelerin antikorozif özellikleri elektrokimyasal empedans spektroskopisi testi ile NaCl ortamında araştırılmıştır.
Biyomedikal implant uygulamaları için akıllı malzemelerin üretilmesi
Bu tez projesi kapsamında, akıllı malzemelerin üretimi ve karakterizasyonu gerçekleştirilmiştir. Öncelikle, metalik şekil bellekli Ni-Ti (nitinol) esaslı, şekil bellekli FeMnSi esaslı ve şekil bellekli FeNiCo esaslı alaşımlar geleneksel toz metalurjisi (peresleme-sinterleme) yöntemi ile üretilmiştir. Ayrıca hesaplamalı malzeme bilimi esaslı çalışmalar çeşitli yazılımlar ve teoriler kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Genel olarak şekil bellekli alaşımlar, belirli bir deformasyona uğratıldıktan sonra, uygulanan sıcaklık veya gerilmelere (kuvvet) bağlı olarak önceki şeklini hatırlayan ve ilk şekline geri dönebilen malzemelerdir. Tez kapsamında, şekil bellekli Ni-Ti (nitinol) esaslı alaşımların koroner stent uygulamaları için geliştirilmesi amaçlanmaktadır. Ayrıca şekil bellekli FeMnSi esaslı ve şekil bellekli FeNiCo esaslı alternatif şekil bellekli alaşımların da biyomedikal implant uygulamaları için üretilmesi amaçlanmıştır. Karakterizasyon kapsamında, toz metalurjisi yöntemi ile üretilen şekil bellekli alaşımların mikroyapısı ve mekanik özellikleri incelenmiştir. Şekil bellekli alaşımların sertlik, mukavemet, elastisite modülü gibi temel mekanik özellikleri belirlenmiştir. Şekil bellekli alaşımların elektrokimyasal korozyon testleri yapay vücut sıvısı içerisinde gerçekleştirilmiştir. Biyobozunur Fe esaslı alaşımların biyobozunurluk özellikleri statik daldırma testi ile yapay vücut sıvısı içerisinde incelenmiştir.
Otomotiv sanayisinde kullanılan Al-Si alaşımlarında döküm kalitesinin korozyon özelliklerine etkisi
Alüminyum döküm alaşımlarının kullanımı, esas olarak düşük yoğunlukları, iyi dökülebilirlikleri, yüksek özgül dayanımları ve korozyona karşı dayanımları nedeniyle son yıllarda artmaktadır. Bununla birlikte, döküm özelliklerini iyileştirmek ve mümkün olan en düşük kusur içeriğine sahip parçalar elde etmek için, dökümhanelerin daha yüksek bir alaşım elementi içeriğine ihtiyacı vardır; böylece alüminyum dökümlerin korozyon direncinin daha da iyi hale getirilmesi hedeflenmektedir. Sonuç olarak, bu iyileştirmelerin başarılı şekilde ortaya konması için alüminyum dökümlerin korozyon direncinin ve korunmasının daha iyi anlaşılması gerekmektedir. Daha hafif, azaltılmış kalınlık ve daha yüksek mukavemet talebi, otomotiv endüstrisinde odak noktası haline gelmiştir. Bu gereksinimleri karşılamak için çözelti güçlendirmenin etkisinden yararlanarak alaşım elementlerinin eklenmesi araştırılmaya başlanmıştır. Bu çalışmada otomotiv sanayisinde yaygın kullanım alanına sahip olan A360 alaşımının mekanik ve korozyon özellikleri üzerine stronsiyum, bor ve vanadyum ilavelerinin etkileri incelenmiştir. A360 döküm alaşımlarının mekanik özellikleri ve korozyon direnci ile ilişkisi vurgulanmıştır.
İmplant uygulamaları için metal matrisli kompozit biyomalzemelerin üretilmesi
Bu tez çalışmasında, geçici biyomedikal implant (sert doku) uygulamalar için biyobozunur (biyoçözünür) özellikte yenilikçi parçacık takviyeli Fe, Zn, Mg metal matrisli kompozit malzemelerin üretilmesi ve karakterizasyonu gerçekleştirilmiştir. Tez kapsamında Mg, Zn ve Fe esaslı TCP, TiO2, karbon nanotüp ve bor tozu katkılı metal matrisli kompozit numuneler üretilmiştir. Tez kapsamında, Mg, Zn ve Fe esaslı TCP, TiO2, bor ve karbon nanotüp tozu katkılı kompozit numuneler geleneksel toz metalurjisi (presleme-sinterleme) yöntemi ile üretilmiş olup; alaşım tozları elementel metal tozları kullanılarak mekanik alaşımlama (bilyeli değirmen) yöntemi ile hazırlanmıştır. Toz karışımlarının hazırlanmasının ardından, presleme ile ham numuneler üretilmiştir. Daha sonra Fe alaşımları 1250 °C, Zn alaşımları 320 °C, ve Mg alaşımları 500 °C sıcaklıkta 1 saat süre ile vakum atmosferinde sinterlenmiştir. Tez kapsamında, Fe, Mg ve Zn tozu içerisine ilave edilen alaşım elementlerinin ve parçacık katkı tozlarının malzemenin özelliklere etkileri karşılaştırmalı olarak incelmiştir. Üretilen malzemelerin mikroyapısı tahribatlı (aşınma, sertlik) ve tahribatsız (ultrasonik test) testler ile araştırılmıştır. Fe, Mg, Zn matrisli metal matrisli kompozit malzemelerin biyobozunurluk (ağırlık değişimi) davranışları pH 6.6 değerindeki yapay vücut sıvısı (SBF) çözeltisi içerisinde statik daldırma testi ile araştırılmıştır. Ayrıca Fe, Mg, Zn matrisli kompozit malzemelerin elektrokimyasal korozyon davranışları pH 6.6 değerindeki yapay vücut sıvısı (SBF) çözeltisi içerisinde açık devre potansiyel, Tafel, lineer polarizasyon direnci yöntemleri kullanılarak araştırılmıştır. Ayrıca Fe, Zn ve Mg esaslı alaşımları biyouyumlulukları (sitotoksisiteleri) karşılaştırmalı olarak araştırılmıştır. Tez kapsamında çalışılan Fe, Mg, Zn matrisli parçacık takviyeli kompozit malzemelerin çeşitli özellikleri hesaplamalı malzeme bilimi esaslı yazılımlar (CASTEP, LAMMPS ve ThermoCalc) kullanılarak teorik olarak incelenmiştir. Mekanik özellikler için Kuantum mekaniği yasalarını kullanan ilk prensipler temelli yoğunluk fonksiyonel teorisi (DFT) esaslı CASTEP yazılım programı ve Newton yasalarını kullanan moleküler dinamik esaslı LAMMPS yazılım programı kullanılmıştır. İlk prensipler yaklaşımı sadece çekirdek ve elektronları dikkate almakta ve etkileşimleri sadece atom altı ölçeğinde araştırmaktadır. Moleküler dinamik temel parçacık olarak atomları göz önüne almakta, çekirdek ve elektronları göz ününe almamaktadır. Moleküler dinamikte atom-atom etkileşimleri yer almakta olup Newton hareket yasaları kullanılmaktadır. Faz diyagramları için ise hesaplamalı faz diyagramları (CALPHAD) esaslı Thermo-Calc yazılım programı kullanılmıştır
Yüksek sıcaklık uygulamaları için polimer matrisli kompozit malzeme üretimi
Bu tez çalışmasında, yüksek sıcaklık uygulamaları için parçacık takviyeli polimer matrisli kompozit malzemelerin üretimi ve karakterizasyonu gerçekleştirilmiştir. Geliştirilen polimer matrisli kompozit malzemelerin havacılık uygulamalarına yönelik olması amaçlanmıştır. Kompozit üretiminde matris malzemesi olarak termoset polimerler ve termoplastik polimerler kullanılmıştır. Termoset esaslı polimer olarak epoksi kullanılmıştır. Termoplastik esaslı polimer olarak polietereterketon (PEEK) kullanılmıştır. Ayrıca doğal polimer esaslı termoplastik polilaktikasit (PLA) kullanılmıştır. Parçacık takviye malzemesi olarak karbon nanotüp, grafen kullanılmıştır. Termoset polimer (epoksi) matrisli kompozit numuneler el yatırma (döküm) yöntemi kullanılarak üretilmiştir. Termoplastik polimer matrisli (PEEK, PLA) kompozitler toz presleme-sinterleme ve toz sıcak presleme yöntemleri ile üretilmiştir. Üretilen kompozit malzemelerin mikroyapısı ve mekanik özellikleri incelenmiştir. Malzemelerin mukavemeti, sertliği, elastisite modülü, enerji absorblama kapasitesi gibi mekanik özellikleri belirlenmiştir. Ayrıca numunelerin elastiklik özellikleri camsı geçiş sıcaklıkları dinamik mekanik analiz (DMA) testi ile incelenmiştir. Numunelerin sıcaklık dayanımları ve camsı geçiş sıcaklıkları diferansiyel taramalı kalorimetre (DSC) testi ile incelenmiştir. Numunelerin mekanik özellikleri ilk prensipler esaslı yoğunluk fonksiyonel teorisi (DFT) ile teorik olarak incelenmiştir. Teorik ve deneysel sonuçlar karşılaştırılmıştır.
Toz metalurjisi ile üretilmiş titanyum alaşımlarının ısıl işlemi
Bu tez çalışmasında, havacılık ve otomobil uygulamaları için yenilikçi ikili ve üçlü titanyum alaşımlarının üretilmesi ve karakterizasyonu gerçekleştirilmiştir. Tez kapsamında düşük elastisite modülüne sahip beta titanyum alaşımları ve çökelme sertleşmesi ısıl işlemi yapılabilen metastabil-beta titanyum alaşımları üretilmiştir. Tez kapsamında, ikili ve üçlü titanyum alaşımları geleneksel toz metalurjisi (presleme-sinterleme) yöntemi ile üretilmiş olup; ikili ve üçlü alaşım tozları mekanik alaşımlama (bilyeli değirmen) yöntemi ile hazırlanmıştır. Tozların hazırlanmasının ardından, presleme ile ham numuneler üretilmiştir. Daha sonra ham numuneler 1200 °C sıcaklıkta 1 saat süre ile sinterlenmiştir. Son olarak, sinterlenmiş numunelere su verme ve yaşlandırma (çökelme sertleşmesi) ısıl işlemleri uygulanmıştır. Sinterlenmiş numuneler 900 °C sıcaklıkta 1 saat çözeltiye alınmış (östenitleme) ve ardından su verme (hızlı soğutma) işlemi uygulanmıştır. Ardından, su verilmiş numuneler 400-520 °C arasında 1 saat süre ile yaşlandırılmıştır. Tez kapsamında, titanyum içerisine ilave edilen açeşitli laşım elementlerinin alaşımın özelliklerine etkileri incelmiştir. Üretilen malzemelerin mikroyapısı tahribatlı (aşınma, sertlik) ve tahribatsız (ultrasonik test, girdap akımları) yöntemler ile incelenmiştir. Ayrıca titanyum alaşımı ürünlerin elektrokimyasal korozyon davranışları NaCl çözeltisi içerisinde açık devre potansiyel, Tafel, empedans elektrokimyasal spektroskopisi yöntemleri kullanılarak incelenmiştir.