Biyomalzeme olarak kullanılan Ti6AI4V alaşımının borlanması ve karakterizasyonu

Abstract

Bu çalışmada, Ti6Al4V alaşımı atmosferik ortamda dört farklı borlama karışımı kullanılarak, 950, 1050, 1150 ºC sıcaklık ve 5, 10, 15 saat sürelerde borlanmıştır. Borlama işlemi sonrası yüzeye yakın bölgede, düşük yoğunluk, yüksek sertlik, yüksek aşınma ve korozyon dayanımına sahip, TiB2 ve TiB tabakaları oluşmuştur. Oluşan TiB2 ve TiB tabakalarının, sertlik ve derinlikleri ölçülmüştür. Borlama sonrası optik mikroskop, XRD, SEM, EDX analizi ve mikro sertlik ölçümü çalışmaları yapılmış ve borlama kinetiği hesaplanmıştır. Elde edilen sonuçlar karşılaştırılmıştır. 1 no’lu karşım ile borlanan numunelerin optik mikroskop görüntüleri incelendiğinde en düşük TiB2 tabaka kalınlığının 950 °C’de 5 saat süre ile borlanan numunelerde 1,66 µm olarak ve en yüksek tabaka kalınlığının ise 1150 ºC’de 15 saat borlanan numunede 13,91 µm olarak elde edildiği tespit edilmiştir. 2 no’lu karışım ile borlanan numunelerde en düşük TiB2 tabaka kalınlığının 1050 °C’de 5 saat süre ile borlanan numunelerde 4,15 µm olarak ve en yüksek tabaka kalınlığının ise 1150 ºC’de 15 saat borlanan numunede 7,42 µm olarak elde edildiği tespit edilmiştir. 3 no’lu karşım ile borlanan numunelerin en düşük TiB2 tabaka kalınlığının 950 °C’de 5 saat süre ile borlanan numunelerde 1,22 µm olarak ve en yüksek tabaka kalınlığının ise 1150 ºC’de 15 saat borlanan numunede 13,39 µm olarak elde edildiği tespit edilmiştir. 4 no’lu karışım ile yapılan çalışmalarda en düşük TiB2 tabaka kalınlığının 1050 °C’de 5 saat süre ile borlanan numunelerde 5,01 µm olarak ve en yüksek tabaka kalınlığının ise 1150 ºC’de 15 saat borlanan numunede 9,27 µm olarak elde edildiği tespit edilmiştir. Borlama karışımları, oluşturdukları TiB2 tabaka kalınlığı açısından, kıyaslandığında en iyi sonucu 1 no’lu karışım ile borlanan numuneler vermiştir. 1, 2, 3 ve 4 no’lu karışım ile borlanan numunelerden alınan XRD desenleri incelendiğinde, TiB ve TiB2 pik şiddetlerinin sıcaklık ve süre artışı ile arttığı görülmüştür. Borlama karışımları ulaşılan en yüksek sertlik değeri açısından kıyaslandığında en iyi sonucu 27,51 GPa değeri ile 1 no’lu karışım vermiştir. Numunelerden alınan SEM görüntüleri incelendiğinde, yüzeyde TiB2 ve iğnesel yapıdaki TiB tabakaları görülmektedir. iii 1 no’lu karışım ile borlanan numunelerden elde verilen TiB2 tabaka kalınlıklarının karesi ile borlama süresi arasında çizilen grafiklerin eğimleri yardımıyla difüzyon katsayıları (K) hesaplanmıştır. Elde edilen difüzyon katsayıları ile borlama sıcaklıkları arasında çizilen grafiklerin eğimleri ile borlama aktivasyon enerjisi 233,53 kJ/mol olarak hesaplanmıştır. 3 no’lu karışım ile borlanan numuneler için borlama aktivasyon enerjisi ise 235,42 kJ/mol olarak hesaplanmıştır. Borlama kinetiği açısından değerlendirildiğinde 1 no’lu karışımın daha düşük aktivasyon değeri verdiği görülmüştür.

In this present study, Ti6Al4V alloy, was pack boronized at 950, 1050, 1150 ºC and 5, 10, 15 hours using four different boronizing mixtures in atmospheric environment. After the boriding process, TiB2 and TiB layers with low density, high hardness, high wear and corrosion resistance were formed in the near-surface area. The hardness and depth of the formed TiB2 and TiB layers were measured. After boronization, optical microscope, XRD, SEM, EDX analysis and microhardness measurement studies were carried out and boriding kinetics were calculated. Obtained results were compared. When the optical microscope images of the samples boronized with the mixture 1 are examined, the lowest TiB2 layer thickness is 1,66 µm in the samples boronized at 950 °C for 5 hours, and the highest layer thickness is 13,91 µm in the samples boronized at 1150 ºC for 15 hours. When the optical microscope images of the samples boronized with the mixture 2 are examined, the lowest TiB2 layer thickness is 4,15 µm in the samples boronized at 1050 °C for 5 hours, and the highest layer thickness is 7,42 µm in the samples boronized at 1150 ºC for 15 hours. When the optical microscope images of the samples boronized with the mixture 3 are examined, the lowest TiB2 layer thickness is 1,22 µm in the samples boronized at 950 °C for 5 hours, and the highest layer thickness is 13,39 µm in the samples boronized at 1150 ºC for 15 hours. When the optical microscope images of the samples boronized with the mixture 4 are examined, the lowest TiB2 layer thickness is 5,01 µm in the samples boronized at 1050 °C for 5 hours, and the highest layer thickness is 9,27 µm in the samples boronized at 1150 ºC for 15 hours. When the boriding mixtures are compared in terms of the TiB2 layer thickness they form, the samples made with the mixture 1 borided with the mixture 1 gave the best results. When the XRD patterns taken from the samples boronized with the 1, 2, 3 and 4 mixture were examined, it was observed that the peak intensities of TiB2 and TiB and increased with the increase in temperature and time. Boronizing mixtures were compared in terms of the highest hardness value reached, the mixture 1 gave the best result with a value of 27,51 GPa. The SEM images taken from the samples are examined, TiB2 and needle-like TiB layers were seen on the surface. v Diffusion coefficients (K) were calculated with the help of the slopes of the graphs drawn between the square of the TiB2 layer thicknesses obtained from the samples boronized with the mixture 1 and the boriding time. With the slopes of the graphs drawn between the obtained diffusion coefficients and boriding temperatures, the boriding activation energy was calculated as 233,53 kJ/mol. The boriding activation energy for the samples boronized with the mixture 3 was calculated as 235,42 kJ/mol. When evaluated in terms of boriding kinetics, it is seen that the mixture 1 gives a lower activation value.