Effect of boriding process on mechanical properties and biocompatibility of Ti6Al4V titanium alloy used as implant material

Bu tez çalışması Pamukkale Üniversitesi Bilimsel Araştırma Projeleri Koordinasyon Birimi tarafından 2014FBE046 nolu proje ile desteklenmiştir.Bu çalışmada, hem mühendislik malzemesi hem de biyomalzeme olarak büyük öneme sahip olan Ti6Al4V titanyum alaşımının atmosferik şartlar altında borlanması ve borlanmış titanyum alaşımının mekanik özellikleri ve implant olarak kullanılabilirliği araştırılmıştır. Borlama işlemi için iki farklı borlama karışımı hazırlanmış ve Ti6Al4V alaşımının hem katı hem de sıvı ortamda atmosferik şartlar altında borlanması mümkün olmuştur. Borlama işlemiyle Ti6Al4V alaşımının sertliği 330 HV’den 2800 HV’e yükselerek yaklaşık 8,5 kat artmıştır. Çekme deneyi sonucunda elde edilen akma ve çekme mukavemeti değerlerinin işlem görmemiş titanyum alaşımına oranla, %2,7-9,6 değerleri arasında bir azalma gösterdiği tespit edilmiştir. Borlama süresi arttıkça, mukavemet değerlerinin işlemsiz numuneye yaklaştığı görülmüştür. Buna karşılık, %16 olan kopma uzaması değeri %2’ye düşmüş ve malzemenin sünek olan yapısı gevrekleşmiştir. Borlanmış titanyum alaşımının kuru sürtünme şartlarında (30 N yük, 1200 m kayma mesafesi) aşınma direnci 17 kat, yapay vücut sıvısı içerisinde ise (30 N yük, 1200 m kayma mesafesi) 36 kat arttırdığı tespit edilmiştir. Korozyon ağırlık kaybı deneyleri sonucunda, borlama süresinin artması ile paralel olarak korozyon direncinin 1,2 kattan 5 kata kadar arttığı belirlenmiştir. Elektrokimyasal empedans spektropisi (EIS) ve potansiyodinamik polarizasyon (TP) deneyleri borlanmış numunelerin korozif ortama karşı yüksek bir direnç gösterdiğini, aynı şartlar altında işlemsiz numune yüzeyi ile karşılaştırıldığında ise neredeyse hiç zarar görmediğini ortaya koymuştur. Sitotoksisite testleri sonucunda işlemsiz Ti6Al4V alaşımının hücre canlılık oranı % 113, katı ortamda borlanmış Ti6Al4V alaşımının hücre canlılık oranı % 114, sıvı ortamda borlanmış Ti6Al4V alaşımının hücre canlılık oranı % 126 olduğu tespit edilmiştir. Borlanan titanyum alaşımlarının canlılık oranının %113’ün altına düşmediği için hücre ölümü olmadığı ve borlanmış titanyum numunelerin toksik etki göstermediği belirlenmiştir. Cilt içi irritasyon test sonuçlarında polar ekstre için irritasyon skoru 0,33, non-polar ekstre için 0 bulunmuştur. Bu sonuçlara göre değerler 1’den küçük olduğu için borlanmış Ti6Al4V alaşımının cilt içi irritasyona neden olmadığı belirlenmiştir.In this study, Ti6Al4V titanium alloy which has great importance in both engineering material and biomaterial is aimed for boriding under atmospheric conditions. In addition to determine mechanical properties and availability of the implant of borided Ti6Al4V alloy were investigated. Two different mediums were developed to boriding titanium under atmospheric conditions and these agents provide that boriding of titanium successfully in solid and liquid medium. Hardness of Ti6Al4V alloy increased from 330 HV to 2800 HV, approximately 8,5 times after boriding process. Tensile and yield strenge values reduce between 2,7-9,6 by comparison unborided alloy. While increasing boriding time, tensile and yield strenge values is increasing. Elongation at rupture which was obtained 16% before boriding process, it reduces to 2% and boriding process makes Ti6Al4V brittle. Wear resistance of borided Ti6Al4V is higher than 17 times compared to unborided Ti6Al4V under dry sliding conditions(30 N load and 1200 m sliding distance) and higher 36 times under Ringer’s solution conditions (30 N load and 1200 m sliding distance). Weight loss corrosion tests show that corrosion resistance increased from 1,2 times to 5 times while increasing boriding time. Electrochemical Impedance Spectroscopy (EIS) and Potentiodynamic Polarization (TP) tests show that borided specimens have high corrosion resistance in corrosive environment and hardly ever any damage on borided surface by comparison with surface of borided and unborided specimens. Cell proliferation of unborided, liquid borided and solid borided Ti6Al4V alloy were obtained 113%, 126%, 114% respectively by cytotoxicity tests. Borided alloy doesn’t have toxic effect due to cell proliferation of borided specimens don’t drop to below 113%. In skin irritation tests, irritation test scores are 0,33 and 0 for polar and non-polar extract respectively. Due to all scores were obtianed less 1, borided Ti6Al4V alloy doesn’t cause skin irritation