Anodizasyon ve Elektriksel Boşalma Plazma Oksidasyon Yüzey İşlemlerinin Ti6Al4V Alaşımının Aşınma Direncine Etkisi

Günümüzde titanyum ve alaşımları yüksek biyouyumluluk ve düşük elastisite modülüne sahip olmaları nedeniyle çeşitli implantların üretiminde kullanılmaktadır. Titanyum ve alaşımlarının dezavantajlarından biri, yüksek sürtünme katsayısı ve düşük aşınma dayanımına sahip olmalarıdır. Bu dezavantajı gidermek için titanyum ve alaşımlarının yüzeylerine bir takım işlemler uygulanarak başta aşınma direnci olmak üzere yüzey özelliklerinin iyileşmesi sağlanabilmektedir. Bu çalışmada, yük taşıyan implant üretiminde kullanılan Ti6Al4V (Grade 5) taban malzemesi plazma oksitleme ve anodik oksitleme (anodizasyon) işlemlerine tabi tutulmuştur. İki farklı oksitleme işleminden elde edilen yüzeyler sertlik, yüzey pürüzlülüğü, ıslanabilirlik ve aşınma direnci açısından işlemsiz malzeme ile karşılaştırılmıştır. Bu testlerin gerçekleştirilmesi için XRD, SEM, AFM, Mikro sertlik cihazı, Temas açısı ölçüm cihazı ve Doğrusal aşınma cihazı kullanılmıştır. Çalışma sonucunda sertlik değeri işlemsiz malzemeye göre plazma oksitleme için %116 ve anodik oksitleme için %36 artış göstermiştir. Yüzey pürüzlülüğü incelendiğinde, plazma oksitleme işleminin yüzey pürüzlülüğünde %11 artış ve anodik oksitleme işleminin %33 düşüşe sebep olduğu görülmüştür. Temas açısı değerleri işlemsiz malzeme için 48,31° iken plazma oksitleme işlemi sonrası 73,34° ve anodik oksitleme işlemi sonrası 85,36° olmuştur. Ayrıca her iki oksitleme işlemi sonrası işlemsiz malzemeye nazaran tribolojik özelliklerin iyileştiği gözlemlenmiştir.

Anahtar Kelimeler:

Ti6Al4V, Anodizasyon, Plazma oksidasyon, Aşınma, Sertlik

The Effect of Anodization and Glow Discharge Plasma Oxidation Surface Treatments on the Wear Resistance of Ti6Al4V Alloy

Nowadays, titanium and its alloys are used in the production of various implants due to their high biocompatibility and low modulus of elasticity. One of the disadvantages of titanium and its alloys is their high friction coefficient and low wear resistance. In order to overcome this disadvantage, a number of processes can be applied to the surfaces of titanium and its alloys to improve surface properties, especially wear resistance. In this study, Ti6Al4V (Grade 5) base material used in the load bearing implant production was subjected to plasma oxidation and anodic oxidation (anodization) processes. The surfaces obtained from two different oxidation processes were compared with the untreated material in terms of hardness, surface roughness, wettability and wear resistance. XRD, SEM, AFM, Micro hardness tester, Contact angle measurement device and Reciprocating sliding wear device were used for the realization of these tests. As a result of the study, the hardness value showed an increase of 116% for plasma oxidation and 36% for anodic oxidation according to the untreated material. When the surface roughness was examined, it was seen that the plasma oxidation process caused an 11% increase and anodic oxidation process caused a 33% decrease in surface roughness. The contact angle values were 48,31° for the untreated material, it was reached 73,34° after the plasma oxidation and 85,36° after the anodic oxidation process. In addition, it was observed that tribological properties were improved after both oxidation processes in comparison to untreated materials.

Keywords:

Ti6Al4V, Anodization, Plasma oxidation, Wear, Hardness,

PDF

___

Balazic, M., Kopac, J., Jackson, M. J., & Ahmed, W. (2007). Review : titanium and titanium alloy applications in medicine. International Journal of Nano and Biomaterials, 1(1), 3–34.
Bayrak, Ö. (2013). Plazma Oksitleme İşleminin Ti6Al7Nb ve Ti45Nb Alaşımlarının Tribolojik, Elektrokimyasal ve Biyouyumluluk Özelliklerine Etkisi. Atatürk Üniversitesi.
Dong, H., & Bell, T. (2000). Enhanced wear resistance of titanium surfaces by a new thermal oxidation treatment. Wear, 238(2), 131–137. https://doi.org/10.1016/S0043-1648(99)00359-2
Fu, Y., & Batchelor, A. W. (1998). Laser nitriding of pure titanium with Ni, Cr for improved wear performance. Wear, 214(1), 83–90. https://doi.org/10.1016/S0043-1648(97)00204-4
Januszewicz, B., & Siniarski, D. (2006). The glow discharge plasma influence on the oxide layer and diffusion zone formation during process of thermal oxidation of titanium and its alloys. Vacuum, 81(3), 215–220. https://doi.org/10.1016/j.vacuum.2006.03.008
Kuroda, D., Niinomi, M., Morinaga, M., Kato, Y., & Yashiro, T. (1998). Design and mechanical properties of new β type titanium alloys for implant materials. Materials Science and Engineering: A, 243(1–2), 244–249. https://doi.org/10.1016/S0921-5093(97)00808-3
Li, B., Li, J., Liang, C., Li, H., Guo, L., Liu, S., & Wang, H. (2016). Surface Roughness and Hydrophilicity of Titanium after Anodic Oxidation. Rare Metal Materials and Engineering, 45(4), 858–862. https://doi.org/10.1016/S1875-5372(16)30088-1
Li, Y., Wong, C., Xiong, J., Hodgson, P., & Wen, C. (2010). Cytotoxicity of Titanium and Titanium Alloying Elements. Journal of Dental Research, 89(5), 493–497. https://doi.org/10.1177/0022034510363675
Lu, J., Zhang, Y., Huo, W., Zhang, W., Zhao, Y., & Zhang, Y. (2018). Electrochemical corrosion characteristics and biocompatibility of nanostructured titanium for implants. Applied Surface Science, 434, 63–72. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2017.10.168
Meichsner, J., Schmidt, M., Schneider, R., & Wagner, H. E. (2012). Nonthermal Plasma Chemistry and Physics. Retrieved from https://books.google.com.tr/books?id=ckZ3V6Ss32sC
Park, J., & Lakes, R. S. (2007). Biomaterials. https://doi.org/10.1007/978-0-387-37880-0
Runa, M. J., Mathew, M. T., & Rocha, L. A. (2013). Tribocorrosion response of the Ti6Al4V alloys commonly used in femoral stems. Tribology International, 68, 85–93. https://doi.org/10.1016/j.triboint.2013.09.022
Stratton, P., & Graf, M. (2010). Wear of diffusion hardened Ti–6Al–4V sliding against tool steel. Wear, 268(3–4), 612–616. https://doi.org/10.1016/j.wear.2009.10.009
Strobel, M., Lyons, C. S., & Mittal, K. L. (1994). Plasma Surface Modification of Polymers: Relevance to Adhesion. Retrieved from https://books.google.com.tr/books?id=P9er1ebJqhAC
Welsch, G., Boyer, R., & Collings, E. W. (1993). Materials Properties Handbook: Titanium Alloys. In Materials Properties Handbook. Retrieved from https://books.google.com.tr/books?id=x3rToHWOcD8C
Wierzchoń, T., Czarnowska, E., Grzonka, J., Sowińska, A., Tarnowski, M., Kamiński, J., … Kurzydłowski, K. J. (2015). Glow discharge assisted oxynitriding process of titanium for medical application. Applied Surface Science, 334, 74–79. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2014.08.071
Yetim, A. F., Yildiz, F., Vangolu, Y., Alsaran, A., & Celik, A. (2009). Several plasma diffusion processes for improving wear properties of Ti6Al4V alloy. Wear, 267(12), 2179–2185. https://doi.org/10.1016/j.wear.2009.04.005
Zieliński, A., Sobieszczyk, S., Seramak, T., Serbiński, W., Świeczko-Żurek, B., & Ossowska, A. (2010). Biocompatibility and Bioactivity of Load-Bearing Metallic Implants. Advances in Materials Sciences, 10(4), 21–30. https://doi.org/10.2478/v10077-010-0013-1