T.C. SÜLEYMAN DEMİREL ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ

T.C.

SÜLEYMAN DEMİREL ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ

TOZ METALURJİSİ YÖNTEMİYLE İMAL EDİLEN TİTANYUM ALAŞIMI İMPLANTLARIN TEMEL

ÖZELLİKLERİNİN ARAŞTIRILMASI

BEKİR YALÇIN

Danışman: Prof. Dr. Remzi VAROL

DOKTORA TEZİ

MAKİNA MÜHENDİSLİĞİ ANABİLİMDALI ISPARTA – 2007

İÇİNDEKİLER

Sayfa

İÇİNDEKİLER... i

ÖZET... iii

ABSTRACT... v

TEŞEKKÜR ... vii

ŞEKİLLER DİZİNİ... viii

ÇİZELGELER DİZİNİ... xii

KISALTMALAR... xiv

1. GİRİŞ... 1

1.1. Kuramsal Temeller……….. 4

1.1.1. Toz Metalürjisi………... 4

1.1.2. Titanyum Tozlarının Üretilmesi………... 9

1.1.2.1. Atomizasyon………. 5

1.1.2.2. Kimyasal Yöntemle Toz İmalatı……….. 6

1.1.2.3. Hidrür/Hidrit Metot……….. 8

1.1.2.4. Plazma-Döner Elektrot Yöntemi (PDEY)……… 8

1.1.3. Tozların Fiziksel ve Kimyasal Özellikleri………... 9

1.1.4. Toz Karıştırma………. 13

1.1.5. Sıkıştırma………... 14

1.1.6. Sinterleme……… 19

1.1.6.1. Sinterleme Mekanizmaları……… 19

1.1.7. TM Teknolojisinin Avantaj ve Limitleri………. 22

1.1.8. TM Teknolojisinin Geliştirilmesi ve Uygulama Alanları………... 23

1.1.9. Titanyum’ un Temel Özellikleri………. 25

1.1.10. İmplantasyon Yapılan Kemiklerin Özellikleri……….. 31

1.1.10.1. Kemik Oluşumu ve İşlevi………... 33

1.1.10.2. Kemiklerin Sınıflandırılması……….. 33

1.1.10.3. Kemiğin Mekanik Özellikleri………. 34

1.1.10.4. Kemik Yoğunluğu ve Gözeneklilik……… 37

1.1.10.5. Anizotropi ve Heterojenlik………. 38

1.1.11. İmplant Uygulamalarında Kullanılan Biyomalzemeler………. 39

1.1.11.1. Metalik Biyomalzemeler……… 41

1.1.11.2. Biyomalzeme Olarak Kullanılan Ti Alaşımlarının Mekanik Özellikleri. 43 1.1.11.3. Titanyum Alaşımlarının Korozyon Davranışları ve Biyouyumlulukları. 46 1.1.12. Titanyum Toz Metalürjisi………. 49

2. KAYNAK ÖZETLERİ………. 52

3. MATERYAL VE YÖNTEM……… 66

3.1. Alaşımların Belirlenmesi………... 67

3.2. Sıkıştırma Kalıbının Tasarımı ve İmalatı………... 68

3.3. Numunelerin İmal Edilmesi………... 70

3.4. Mekanik Deneyler……….. 73

3.4.1. Çekme Deneyi……… 73

3.4.2. Üç Noktadan Eğme Deneyi……… 74

3.4.3. Mikrosertlik Deneyi………. 75

3.4.4. Aşınma Deneyleri……… 75

3.5. Fiziksel Özelliklerin Tayini……… 77

3.6. Metalografik Çalışmalar………. 77

4. ARAŞTIRMA BULGULARI……… 79

4.1. Boyut ve Yoğunluk Değişimi……….. 79

4.2. Çekme Deney Sonuçları……….. 84

4.3. Eğme Deney Sonuçları……… 87

4.4. Mikrosertlik Deney Sonuçları………. 88

4.5. Aşınma Deney Sonuçları……… 93

4.6. Metalografik Bulgular……… 101

4.6.1. Aşınma Numunelerinin Optik Mikroskopta Analizi………... 101

4.6.2. Eğme Kırık Yüzeyi SEM ve EDS Analizi……….. 105

4.6.3. Mikro Yapı ve Optik-SEM Mikroskop İncelemeleri………... 116

5. SONUÇLAR ve TARTIŞMA……….... 124

5.1. Genel Sonuçlar ve Öneriler………. 135

6. KAYNAKLAR………... 140

7. ÖZGEÇMİŞ……… 147

ÖZET Doktora Tezi

TOZ METALURJİSİ YÖNTEMİYLE İMAL EDİLEN TİTANYUM ALAŞIMI İMPLANTLARIN TEMEL ÖZELLİKLERİNİN ARAŞTIRILMASI

Bekir YALÇIN

Süleyman Demirel Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Makina Mühendisliği Anabilim Dalı

Jüri: Prof. Dr. Cahit KURBANOĞLU Prof. Dr. Remzi VAROL(Danışman) Prof. Dr. Süleyman TEKELİ

Prof. Dr. Mustafa ACAR Doç. Dr. Abdullah ÖZSOY

Biyomalzemeler, geleneksel tıbbi medikal aletlere ilaveten, teşhis ürünleri, tedavi atıkları, doku kültürleri, hibrid organların yanı sıra, medikal implantların büyük bir kısmını içeren malzemeleri tanımlamak için kullanılan terimdir. Ancak, hiçbir protez veya implant malzemesi, insan kemiğinin yerini tutamayacağı bir gerçektir. Henüz yeterli olmamasına rağmen kullanılan birçok implant malzemesi mevcuttur. İmplant malzemelerinin büyük bir çoğunluğu protez malzemesinin kullanılacağı yere göre eğme-çekme dayanımı, sertlik, aşınma performansı, korozyon direnci, biyouyumluluk, hafiflik, süngerimsi veya sert kompakt kemik yapıları göz önüne alınarak imal edilmektedirler. Paslanmaz çelik ile başlayan süreç, bazı implantasyon ve biyouyumsuzluk problemlerinden dolayı malzeme ve imalat teknolojilerinin geliştirilmesi sayesinde titanyum (Ti) alaşımlarının biyomalzeme olarak kullanılmasıyla devam etmiştir. Bu çalışmanın amacı, titanyum esaslı implant malzemelerinin toz metalürjisi (TM) yöntemiyle numune tarzında imal edilmesi ve mekanik-tribolojik, fiziksel ve metalürjik özelliklerinin araştırılmasıdır.

İmplant endüstrisinde sıklıkla kullanılan Ti-6Al-4V, Ti-6Al-7Nb ve Ti-5Al-2.5Fe alaşımlarınının yanı sıra klasik Ti-6Al-4V alaşımına % 4Ta ilavesi ile Ti-6Al-4V-4Ta alaşımı TM yöntemiyle imal edilmiştir. Alaşımlar, elementel toz karıştırma metoduyla 450-550 MPa tek etkili sıkıştırma basıncı ile çelik kalıp içerisinde sıkıştırılmış ve argon koruyucu gaz ortamına sahip tüp fırında, 1200 ^o C iki saat süreyle sinterlenelerek imal edilmişlerdir. İmal edilen numunelerin, sinterleme öncesi yoğunluklarının sinterleme sonrası değişimi, çekme ve eğme mukavemeti, mikrosertlik, kuru ve vücut sıvısı ile özdeş hank sıvısı içerinde aşınma performansları yapılan deneylerle tespit edilmiştir. Çekme deneylerinde belirgin akma karakteristiği göstermeyen TM Ti alaşımlarının elastisite modül değeri, sonik elastisite modül sistemi ile belirlenmiştir. TM Ti alaşımlarının karakteristiğini daha iyi analiz edebilmek için sürtünme katsayısı ve yüzey pürüzlülük ölçümlerinin yanısıra eğme numunesi kırık yüzeyleri, aşınma yüzeyleri ve mikroyapı incelemeleri SEM-EDS ve optik mikroskopta yapılmıştır.

Sonuç olarak, Ti-6Al-4V-4Ta alaşımında diğer alaşımlara nispeten yüksek eğilme dayanımı ve buna karşılık gelen sehim miktarı ve kemiğe en yakın elastisite modül ile birlikte kabul edilebilir çekme dayanımı, kuru sürtünme ve hank sıvısı ortamında (sıvı sürtünme) yüksek aşınma performansı saptanmıştır. Ti-6Al-4V alaşımında Ti-6Al-4V-4Ta alaşımı ile benzeş aşınma performansına karşılık bu alaşımda eğme durumunda daha kırılgan bir yapı ve çekme deneylerinde daha yüksek tokluk, yüksek elastisite modül değeri elde edilmiştir. Ti-5Al–2.5Fe alaşımında ise, yüksek süneklik, eğme-çekme dayanımı ve tokluğa karşı düşük aşınma performansı, yüksek elastisite modül ve yüksek yüzey pürüzlülük değerleri tespit edilmiştir. TM

Ti-6Al-7Nb alaşımında ise düşük eğme dayanımı ve düşük aşınma performansı ile birlikte düşük süneklik, kabul edilebilir çekme dayanımı ve yüksek elastisite modül tespit edilmiştir.

Metalografik çalışmalarda, özellikle Ti-5Al-2.5Fe alaşımında, yüksek sinter difüzyonu ile daha yoğun gelişmiş sinter boyun mekanizması ve düşük poroziteli bir karakteristik göstermiş ve buna paralel olarak mekanik özelliklerin daha iyi olduğu görülmüştür. Ancak, Ti-6Al-4V alaşımında daha yoğun bir iğnemsi α fazı (dönüşmüş β fazı) gözlemlenmiş ve bu ise mukavemet ile birlikte kırılganlığı arttırmıştır. Diğer alaşımlarda, Ti-6Al-4V alaşımına nispeten eş eksenli α fazı ile birlikte iğnemsi β faz dönüşümü gözlemlenmiştir. Ti-6Al-7Nb alaşımında, düşük tane sınırı ve kütle difüzyonu ile düşük sinter boyun gelişiminden dolayı karmaşık gözenekli yapı elde edilmiş, bu da eğme dayanımı ve sünekliği belirgin bir şekilde düşürmüştür. Ti-6Al-4V-4Ta alaşımında ise, yüksek tane sınır difüzyonu ve kütle transferi ile birlikte gözeneklerin küreselleşmesi sayesinde yüksek eğilme dayanımı ve sehim miktarı görülmüştür. Genel kapsamda, Ti-6Al-4V- 4Ta alaşımı diğer alaşımlara nispeten kabul edilebilir çekme dayanımı ile birlikte daha iyi mekanik, tribolojik ve metalografik özelliklere sahip olduğu sonucuna varılmıştır.

ANAHTAR KELİMELER: İmplant, Toz Metalürji, Sinterleme, Sinter Difüzyon, Ti Alaşımları.

2006, 148 sayfa

ABSTRACT Ph.D. Thesis

INVESTIGATION FOR THE BASIS PROPERTIES OF THE TITANIUM ALLOY IMPLANTS PRODUCED WITH POWDER METALLURGY

METHOD

Bekir YALÇIN

Süleyman Demirel University Graduate School of Applied and Natural Sciences Department of Mechanical Engineering

Thesis Committee: Prof. Dr. Cahit KURBANOĞLU Prof. Dr. Remzi VAROL(Adviser)

Prof. Dr. Süleyman TEKELİ Prof. Dr. Mustafa ACAR Doç. Dr. Abdullah ÖZSOY

Biomaterials is a term used to describe diagnosis products, cure disposals, tissue cultures, hybrid organs as well as traditional medical tools and including most of the medical implants. However, it is a fact that none of the implants can substitute a human’s bone. Although still not enough, there are many applied implant materials. Most of the implant materials are produced considering bending and tensile strength, hardness, wear performance, corrosion strength, biocompatible, lightness and spongy or hard compact bone structures. The process which started with the use of stainless steel, changed into the use of titanium alloy (Ti) due to some developments in technology, equipment, implantation and bio inharmony problems. The aim of these studies is to search the production of titanium based implant materials by powder metallurgy (PM) method and find out mechanical tribological, physical and metallurgic features of these materials.

In addition to the commonly used alloys such as Ti-6Al-4V, Ti-6Al-7Nb and Ti-5Al-2.5Fe, Ti- 6Al-4V-4Ta in implant industry is produced by adding %4 Ta to Ti-6Al-4V by PM method.

Alloys are produced by elemental powder mixing method in steel die compressed with single- acting pressing at 450-550 MPa and sintering in 1200 ^oC for two hours in argon protected tube furnace. The change in the densities of the products before and after sintering, tensile and bending strength, microhardness, dry sliding wear performance and in hank liquid similar to body liquid are determined by the conducted experiments. In tensile tests the elastic module value of the PM Ti alloy, which did not show clearly yield point, is determined by sonic elastic module system. In order to better analyze PM Ti alloys’ characteristic friction coefficient and surface roughness measurements, fracture type of bending specimens, wear surfaces and microstructure examinations SEM-EDS and optical microscope is done and photographed.

As a result, Ti-6Al-4V-4Ta alloy is relatively more bend strength and deflection quantity correlating to this, the acceptable tensile strength in addition wear performance of dry friction and in hank liquid (liquid friction) is identified. Between Ti-6Al-4V and Ti-6Al-4V-4Ta alloys there is a similar wear performance but in the preceding one a more fragile structure, high toughness and higher elastic module values are obtained. Especially, elastic module of Ti-6Al- 4V-4Ta alloy is determined to be close to bone elastic module and least surface roughness. In Ti- 5Al-2.5 Fe alloy higher ductility, bending and tensile strength and toughness, low wear

performance to be parallel to microhardness, high elastic module and high surface roughness values are obtained. In PM Ti 6Al-7Nb alloy low bending and acceptable tensile strength, low wear performance, low ductility; acceptable tensile strength and high elastic modules are obtained.

In metallographic studies, especially in Ti-5Al-2.5Fe alloy, with higher sinter diffusion, showed grain boundary and mass diffusion and improved sinter neck mechanism and lower porous characteristic. So, Ti-5Al-2.5Fe alloy showed high bending strength and ductile structure characteristic. But, in Ti-6Al-4V alloy intensity acicular α phase (transformed β phase) is observed, consequently strength and fragile structure is increased with this transformation. More equiaxed α phase together moderate acicular α phase in other Ti alloys is observed. In Ti-6Al- 7Nb alloy, low grain boundary and mass diffusion and because of low sinter diffusion complex pore structure is obtained this has lowered the bending strength and ductility evidently. In Ti- 6Al-4V-4Ta alloy thanks to high grain boundary diffusion and mass transfer, spherical pore, high bending strength deflection quantity is observed. In general, when compared with other alloys Ti- 6Al-4V-4Ta alloy has relatively more acceptable tensile strength as well as better mechanical, tribological and metallographic properties.

KEY WORDS: Implant, Powder Metallurgy, Sintering, Sinter Diffusion, Ti Alloys.

2006, 148 pages

TEŞEKKÜR

Tez çalışmasının başlangıcından bu güne kadar yapıcı desteklerini esirgemeyen değerli hocam Prof. Dr. Remzi VAROL’ a bu çalışmadaki değerli katkıları için teşekkür ederim. Ayrıca, deneysel çalışmaların yapılması sırasında laboratuar temin eden Doç. Dr. Abdullah ÖZSOY’ a, çalışmalarımda yardımlarını esirgemeyen diğer mesai arkadaşlarıma ve hocalarıma teşekkür ederim.

Osmangazi Üniversitesi, Makine Mühendisliği öğretim üyesi Yrd. Doç. Dr. Osman Nuri ÇELİK ve Arş. Gör. Mustafa ULUTAN’ a, Maysan MANDO A.Ş. Toz Metal Grubu Müdürü Ahmet DURAN’ a ve Mober Metalürji Ltd. Şti. Müdürü Mustafa OCAK Bey’ e katkıları için ayrıca teşekkür ederim.

Tezimi, 1026-M-05 ve 1157-D-05 No’ lu projelerle maddi olarak destekleyen S.D.Ü.

Araştırma Projeleri Yönetim Birimine teşekkür ederiz.

Son olarak, bugüne kadar yetişmemde büyük emeği olan değerli anneme ve babama, kardeşlerime, diğer büyüklerime, manevi desteklerini hiç esirgemeyen sevgili eşime ve çocuklarıma da teşekkürü bir borç bilir, şükranlarımı sunarım.

Bekir YALÇIN

Isparta, 2007

ŞEKİLLER DİZİNİ Sayfa

Şekil 1.1. Titanyum gaz atomizasyon ünitesi ……….. 5

Şekil 1.2. Gaz atomizasyonuyla üretilen Ti tozların partikül şekli ve boyutu…….. 6

Şekil 1.3. a) İndirgeme ve b) Hidrür yöntemiyle üretilen Ti tozlarının tane şekli... 7

Şekil 1.4. Döner plazma elektrot sistemi………. 8

Şekil 1.5. a) PDEY yöntemiyle üretilen Ti-6Al-4V tozlarının partikül şekli b) Ti-6Al-4V ile gözenekli kaplama………... 9

Şekil 1.6. Muhtemel toz tane şekilleri……… 10

Şekil 1.7. Hidrojenize ve atomizasyon tozlarının sıkıştırma basıncı ile ham mukavemet ilişkisi……….. 12

Şekil 1.8. Tozlar içerisinde karbon içeriğinin ham yoğunluk ve mukavemet değerine etkisi……… 12

Şekil 1.9. Toz karıştırmada kullanılan bazı karıştırıcı tipleri………... 13

Şekil 1.10. Çinko-Stearat oranının ham yoğunluğa etkisi……….... 14

Şekil 1.11.Toz metal parçaların sıkıştırma basamakları………... 15

Şekil 1.12. Metalürjik açıdan sıkıştırma işlemi……… 15

Şekil 1.13. Sıkıştırma sırasında kalıp kuvvetlerin dengelenmesi………. 16

Şekil 1.14. Çift ve tek etkili sıkıştırmada radyüs ve yükseklik (g/cm³) ilişkisi…… 18

Şekil 1.15. Sinterleme sonrası Ti-6Al-4V briketlerin ham yoğunluk değerleri…… 18

Şekil 1.16. Laplace gerilmesi a) boyun bölgesinde b) gözenekler çerçevesinde, c) boyun bölgesinde muhtemel sinter mekanizmaları………... 20

Şekil 1.17. Sinterleme sırasında taneler arası bağların gelişimi……….. 21

Şekil 1.18. TM yönteminin başlıca endüstriyel uygulamalar……….. 25

Şekil 1.19. Ti alaşımlarının Al ve V içeriğine göre faz dönüşümleri……….. 28

Şekil 1.20. Yavaş soğuma sonrası oluşmuş tipik Widmanstatten yapı……… 28

Şekil 1.21. Kaba taneli dönüşmüş β fazından oluşan iğnemsi α yapı……….. 29

Şekil 1.22. TMZF alaşımından imal edilen implantların kemik implantasyonunda kullanımı………. 32

Şekil 1.23. Kemiğin genel yapısı………... 32

Şekil 1.24. Genelde implantasyon yapılan femur kemiği ve kesit görünümü…... 34

Şekil 1.25. Kortikal kemik ve bazı diğer doku ve biyomalzemenin çekme

mukavemeti ve elastisite modül değerleri……….36

Şekil 1.26. Kortikal kemikten farklı yönlerde çıkarılan silindirik numuneler……. 39

Şekil 1.27. İmplantasyon malzemesinin kemikle etkileşimi……… 40

Şekil 1.28. Değişik implant malzemelerinin toz süspansiyon içerisinde L132 hücrelerinin hayatta kalma oranları……… 48

Şekil 3.1. Deneysel çalışmalar için belirlenen deney planı………. 66

Şekil 3.2. İmal edilen numune geometrisi………... 68

Şekil 3.3. Sıkıştırma kalıbının konstrüktif şekli……….. 69

Şekil 3.4. Çift taraflı konik karıştırıcı……….. 71

Şekil 3.5. Sıkıştırma kalıbı ve imal edilen ham numune………. 72

Şekil 3.6. a) Elastisite modül numunesi b) çekme deney numunesi boyutları…….... 74 Şekil 3.7. Eğme deney numunesi boyutları……….. 74

Şekil 3.8. Mikrosertlik ölçümünün yapıldığı yüzeyler………. 75

Şekil 3.9. Aşınma ve sürtünme test düzeneği………... 76

Şekil 4.1. a) Ti-6Al-4V alaşımı numunelerin sinterleme sonrası % yoğunluk değişimi, b) % boyut değişimi………. 80

Şekil 4.2. a) Ti-6Al-7Nb alaşımı numunelerin sinterleme sonrası % yoğunluk değişimi, b) % boyut değişimi……… 81

Şekil 4.3. a) Ti-5Al-2.5Fe alaşımı numunelerin sinterleme sonrası % yoğunluk değişimi, b) % boyut değişimi………... 82

Şekil 4.4. a) Ti-6Al-4V-4Ta alaşımı numunelerin sinterleme sonrası % yoğunluk değişimi, b) % boyut değişimi……….. 83

Şekil 4.5. Karşılaştırmalı olarak dört farklı Ti alaşımının kopma dayanımı değerleri………... 85

Şekil 4.6. TM Ti alaşımlarının çekme deneyi sonrası elde edilen gerilme-gerinim eğrileri………... 85

Şekil 4.7. Sonik sistemle ölçülen elastisite modül değerleri……….. 86

Şekil 4.8. Dört farklı TM Ti alaşımlarının ortalama eğme dayanımları…………. 87

Şekil 4.9. Numunelere uygulanan eğme yükü ile sehim miktarları……….... 88 Şekil 4.10. Ti-6Al-4V alaşımı a) numune boyuna sertlik değişimi b) sıkıştırma

yönüne paralel mikrosertlik değerleri………. 89 Şekil 4.11. Ti-6Al-4V-4Ta numunesi a) boyuna mikrosertlik değişimi, b)

sıkıştırma yönüne paralel mikrosertlik değerleri ……….. 90 Şekil 4.12. Ti-6Al-7Nb alaşımının a) boyuna mikrosertlik değişimi, b)

sıkıştırma yönüne paralel mikrosertlik değişimi……… 91 Şekil 4.13. Ti-5Al–2.5Fe alaşımı a) numunenin boyuna mikrosertlik değişimi,

b) sıkıştırma yönü boyunca mikrosertlik dağılımı……… 92 Şekil 4.14. TM Ti alaşımlarının ortalama mikrosertlik değerleri……… 93 Şekil 4.15. a) Hank sıvısı ortamında ağırlık kaybı, b) Kuru kayma durumunda

ağırlık kaybı………... 94 Şekil 4.16. Ti-5Al-2.5Fe alaşımının dinamik sürtünme katsayısı değerleri……… 95 Şekil 4.17. Ti-5Al–2.5Fe alaşımının oluşan sürtünme kuvveti değerleri………… 95 Şekil 4.18. Ti-6Al-7Nb alaşımın dinamik sürtünme katsayısı değerleri…………. 96 Şekil 4.19. Ti-6Al-7Nb alaşımın sürtünme kuvveti değerleri………. 96 Şekil 4.20. Ti-6Al-4V alaşımı sürtünme katsayısı değerleri………... 97 Şekil 4.21. Ti-6Al-4V alaşımının sürtünme kuvveti değerleri……… 97 Şekil 4.22. Ti-6Al-4V-4Ta alaşımının dinamik sürtünme katsayısı değerleri…… 98 Şekil 4.23. Ti-6Al-4VTa alaşımının oluşan sürtünme kuvveti değerleri………… 98 Şekil 4.24. Alaşımların hank sıvısı ortamında ve kuru kayma durumunda aşınma

öncesi ve sonrası Ra değerleri……….. 99 Şekil 4.25. Alaşımların hank sıvısı ortamında ve kuru kayma durumunda aşınma

öncesi ve sonrası Rt değerleri………... 99 Şekil 4.26. Ti-5Al-2.5 Fe alaşımı için a) kuru kayma durumunda b) hank sıvısı

ortamında aşınan yüzeyin optik görüntüsü……….. 101 Şekil 4.27. Ti-6Al-7Nb alaşımı için a) kuru kayma durumunda b) hank sıvısı

ortamında aşınan yüzeyin optik görüntüsü……….. 102 Şekil 4.28. Ti-6Al-4V alaşımı için a) kuru kayma durumunda b) hank sıvısı

ortamında aşınan yüzeyin optik görüntüsü……….. 103 Şekil 4.29. Ti-6Al-4V-4Ta alaşımı için a) kuru kayma durumunda b) hank sıvısı

ortamında aşınan yüzeyin optik görüntüsü……….. 104 Şekil 4.30. Kırık yüzeyleri makro görüntüsü (a) Ti-6Al-4V, (b) Ti-6Al-4V-4Ta, (c) Ti-6Al-7Nb, (d) Ti-5Al-2.5Fe………... 105

Şekil 4.31. Ti-6Al-4V eğme numunesinde oluşan kırık yüzeyi SEM görüntüsü... 106

Şekil 4.32. Ti-6Al-4V alaşımında sinter boyun gelişimi……… 107

Şekil 4.33. Ti-6Al-4V alaşımı kırık yüzeyi EDS analizi………... 107

Şekil 4.34. Ti-6Al-4V-4Ta alaşımı eğme numunesinde oluşan kırık yüzeyi SEM görüntüsü………. 108

Şekil 4.35. Ti-6Al-4V-4Ta alaşımı sinter boyun gelişimi……….. 109

Şekil 4.36. Ti-6Al-4V-4Ta alaşımı kırık yüzeyi EDS analizi……… 109

Şekil 4.37. Ti-6Al-7Nb alaşımı eğme numunesinde oluşan kırık yüzeyi SEM görüntüsü……… 110

Şekil 4.38. Ti-6Al-7Nb alaşımı sinter boyun gelişimi………... 111

Şekil 4.39. Ti-6Al-7Nb alaşımı kırık yüzeyindeki iri taneli yapının EDS analizi 112 Şekil 4.40. Ti-6Al-7Nb alaşımı kırık yüzeyi genel yapının EDS analizi……….. 112

Şekil 4.41. Ti-5Al-2.5Fe alaşımı eğme numunesinde oluşan kırık yüzeyi SEM görüntüsü………. 113

Şekil 4.42. Ti-5Al-2.5Fe alaşımı sinter boyun gelişimi………. 114

Şekil 4.43. Ti-5Al-2.5Fe alaşımı kırık yüzeyi EDS analizi………... 114

Şekil 4.44. Ti-6Al-4V alaşımı mikroyapısı………... 116

Şekil 4.45. Ti-6Al-4V-4Ta alaşımı mikroyapısı………... 116

Şekil 4.46. Ti-6Al-7Nb alaşımı mikroyapısı………. 117

Şekil 4.47. Ti-5Al-2.5Fe alaşımı mikroyapısı………... 117

Şekil 4.48. Ti-5Al-2.5Fe alaşımı mikroyapı SEM incelemesi……….. 118

Şekil 4.49. Ti-5Al-2.5Fe alaşımı parlatılmış yüzeylerde EDS analizi………….. 119

Şekil 4.50. Ti-6Al-7Nb alaşımı mikro yapı SEM incelemesi………... 119

Şekil 4.51. Ti-6Al-7Nb alaşımı mikroyapı SEM incelemesi……… 120

Şekil 4.52. Nb elementinin yapı içerisinde heterojen durumu……….. 120

Şekil 4.53. Ti-6Al-4V alaşımı mikroyapı SEM incelemesi……….. 121

Şekil 4.54. Ti-6Al-4V alaşımı parlatılmış yüzeylerde EDS analizi……….. 121

Şekil 4.55. Ti-6Al-4V-4Ta alaşımı mikroyapı SEM analizi………. 122

Şekil 4.56. Ti-6Al-4V-4Ta alaşımı parlatılmış yüzeylerde EDS analizi………... 122

ÇİZELGELER DİZİNİ Sayfa

Çizelge 1.1. Toz imalat türüne göre toz özellikleri……… 10 Çizelge 1.2. TM alanındaki yıllara göre gelişmeler………... 23 Çizelge 1.3. Titanyum‘ un element olarak mekanik özellikleri………. 27 Çizelge 1.4. Ti alaşımlarında bazı özelliklerin mikroyapı dönüşümü ile ilişkileri 29 Çizelge 1.5. α , α/β ve β alaşımlarının bazı özellikleri……….. 30 Çizelge 1.6. Değişik Ti alaşımlarının kullanım alanları……… 31 Çizelge 1.7. Kemiğin hiyeraşik seviyesi……… 35 Çizelge 1.8. Basma, çekme ve burulma testlerinden elde edilen insan femur

kemiklerinin mekanik özellikleri………... 37 Çizelge 1.9. Kemik doku seviyesinde kortikal kemiğin eğilme özellikleri……... 37 Çizelge 1.10. İmplant uygulamalarda kullanılan malzemeler……….... 40 Çizelge 1.11. Ti Esaslı ve diğer biyomalzemelerin mekanik özelliklerinin

kemikle karşılaştırılması………. 44 Çizelge 1.12. İmplant malzemelerin karakteristikleri……… 45 Çizelge 1.13. Bazı İmplant malzemelerin özel mukavemet değerleri………….... 46 Çizelge 1.14. TM ve Döküm Ti alaşımlarının mekanik özelliklerinin

karşılaştırılması………... 50 Çizelge 3.1. Ti-6Al-4V alaşımını oluşturan tozların kimyasal kompozisyonu….. 67 Çizelge 3.2. Ti-6Al-7Nb alaşımını oluşturan tozların kimyasal kompozisyonu… 67 Çizelge 3.3. Ti-5Al-2,5Fe alaşımını oluşturan tozların kimyasal kompozisyon… 67 Çizelge 3.4. Ti-6Al-4V-4Ta alaşımını oluşturan tozların kimyasal kompozisyonu 67 Çizelge 4.1. TM Ti alaşımlarının ortalama ham yoğunluk ve sinterlenmiş

yoğunluk değerleri……….... 79 Çizelge 4.2. Ti-6Al-4V alaşımından imal edilen numunelerin çekme özellikleri… 84 Çizelge 4.3. Ti-6Al-7Nb alaşımından imal edilen numunelerin çekme özellikleri.. 84 Çizelge 4.4. Ti-5Al–2.5Fe alaşımından imal edilen numunelerin çekme özellikleri 84 Çizelge 4.5. Ti-6Al-4V-4Ta alaşımından imal edilen numunelerin çekme

özellikleri……… 84 Çizelge 4.6. Dört farklı TM Ti alaşımının eğme dayanımı………. 86 Çizelge 5.1. TM Ti alaşımlarının özgül eğme mukavemet değerleri……… 127

Çizelge 5.2. TM Ti alaşımları ile döküm Ti alaşımların karşılaştırılması……… 128 Çizelge 5.3. Aşınma deneyi sonrası önemli bazı verilerin karşılaştırılması……. 130

KISALTMALAR

TM Toz metalürjisi

MIM Metal enjeksiyon kalıplama PIM Toz enjeksiyon kalıplama SLS Seçici lazer sinterleme HIP Sıcak izostatik presleme CIP Soğuk izostatik presleme PDEY Plazma döner elektrot yöntemi SEM Taramalı elektron mikroskobu EDS Enerji dağıtmalı element analizi Ti Titanyum

V Vanadyum Al Alüminyum Nb Niyobyum Ta Tantalyum Fe Demir Gy Görünür yoğunluk Hy Ham yoğunluk

Sy Sinterlenmiş yoğunluk HSP Hegzegonal sıkı paketlenmiş HMK Hacim merkezli kübik FC Sürtünme katsayısı FF Sürtünme kuvveti

1. GİRİŞ

İnsan vücudu sadece biyolojik ve kimyevi değil, her yönüyle mükemmel bir yapıya sahiptir. Bu yapının anlaşılabilmesi sadece tıp bilimi ile bazen mümkün olamamaktadır. Biyomühendisliğin alt dalları olarak tanımlanan biyomalzeme ve biyomekanik gibi alanlarla disiplinler arası araştırma yapmak zorunlu hale gelmiştir.

Tıp ve mühendislik bilim dallarının ortak yapılan bilimsel araştırmalar neticesinde her geçen gün yapay organ, vücut içerinde önemli görevi üstlenen birçok implant malzemesi geliştirilmiştir. Kaybedilen doku ve organların yenilenmesi, bozulan kemik düzenin yeniden işlevsel hale getirilmesi, diş, çene, omur, kalça ve diz kapağı protezleri, takma el ve ayaklar, biyolojik uyumlu lens ve mercekler gibi implant malzemelerin tümü yapılan disiplinler arası çalışmaların ürünüdür.

Hiçbir protez veya implant malzemesinin, insan kemiğinin yerini tutamayacağı bir gerçektir. Ancak, henüz yeterli olmamasına rağmen, 1950’ li yıllardan itibaren kullanılan birçok implant malzemesi mevcuttur. İmplant malzemelerinin büyük bir çoğunluğu protez malzemesinin kullanılacağı yere göre; yorulma ve aşınma dayanımı, tokluk, gerilme-gerinme, korozyon direnci, biyouyumluluk, hafiflik, süngerimsi veya sert doku, ısıl iletkenlik, manyetiklik ve imalat özellikleri göz önüne alınarak DIN, ASTM ve TSE gibi standartlara göre hazırlanmaktadır. Paslanmaz çelik ile başlayan süreç, bazı implantasyon ve biyouyumsuzluk problemlerinden dolayı malzeme ve imalat teknolojilerinin geliştirilmesi sayesinde titanyum alaşımlarının biyomalzeme olarak kullanılması ile devam etmiştir. Ancak, Titanyum (Ti) alaşımlarının ülkemiz endüstrisinde imal edilememesi ile Ti alaşımı implantlar oldukça yüksek maliyetlere yurtdışından ithal edilmektedirler.

Ti gibi pahalı ve geniş alaşım sistemlerinin malzeme kaybı olmaksızın imal edilebilmesi ve standartlara uygun kimyasal kompozisyona sahip tozlardan “Toz Metalürjisi Yöntemi” kullanılarak imalat maliyetlerin düşürülmesi hedeflenmiştir.

Bu nedenle, bu alandaki çoğu bilimsel araştırma toz metalürjisi yöntemin Ti esaslı implant imalatında kullanılabilirliği üzerine yoğunlaşmaktadır. Toz metalürjisi (TM), katı durumda endüstriyel parça imal etmek için ince toz tanelerinin üretimi ve bu toz

tanelerinin birleştirilmesi olarak tanımlanabilir. Uzun zamandır TM teknolojisi, demir, bakır ve nikel esaslı malzemelerin sıklıkla kullanıldığı bir sektör iken, bugün Titanyum (Ti), Tantalyum (Ta), Vanadyum (V) gibi değişik metal tozların üretilebildiği ve bu tozlardan da endüstriyel parça üretilebilir bir sektör haline gelmiştir. Titanyum döküm-ingot metalürjisinde oluşan malzeme hataları (gözenek, lunker vs), işleme zorlukları ve alaşımlandırma limitleri uzay-uçak, deniz altı ve biyomalzeme gibi modern malzeme teknolojisindeki özel uygulamalarda bazen yetersiz kalmaktadır. Hemen hemen hiç ikincil operasyona ihtiyaç olmadan parça imal etme imkânını veren ileri toz metal teknolojileri, TM tekniğinin endüstriyel kullanım yelpazesini genişletmiştir. Araştırmalar neticesinde konvansiyonel TM tekniği ile imal edilen yapısal parçalarda oluşan istenmeyen gözenekler mümkün olduğu kadar ortadan kaldırılması için toz enjeksiyon kalıplama (PIM), metal enjeksiyon kalıplama (MIM), lazer sinterleme sistemi (SLS), sıcak-soğuk izostatik sıkıştırma (CIP-HIP) ve metal matris kompozit (MMK) gibi ileri toz metal teknolojilerinin kullanılması önerilmektedir (Froes, vd. 1985; IMAP, 2006; Morgan, 2006). Bu sayede, uzay sektörüne Ti gibi pahalı tozlardan malzeme israfı olmadan yapısal parça imalatının gerçekleştirilmesi ve kemikle uyumlu, istenilen kemik yapısına uygun mekanik ve fiziksel özelliklere (gözenekli veya yoğun yapı) sahip implantların imal edilebilmesi için, Ti toz metalürjisini vazgeçilmez hale getirmiştir (EPMA, 2006).

Bu çalışmada, sıklıkla döküm yöntemiyle imal edilen ve implant malzemesi olarak kullanılan Ti alaşımlarının toz metalürjisi yöntemiyle imal edilebilmesi ve imal edilen numunelerin mekanik, metalürjik ve tribolojik özellikleri deneysel olarak araştırılmıştır. Alaşımların belirlenmesi ve uygulanacak toz metalürjisi yönteminin proses parametreleri, konuyla ilgili literatür araştırma sonrası gerçekleştirilmiştir.

İmplant imalatında yaygın olarak kullanılan Ti-6Al-4V, Ti-6Al-7Nb, Ti-5Al–2.5Fe gibi titanyum alaşımlarının yanı sıra yeni titanyum alaşımı olan Ti-6Al-4V-4Ta alaşımı TM yöntemiyle üretilmiştir. Numune şeklinde imal edilen implant malzemelerin mikrosertlik değerleri, çekme ve eğme dayanımının yanı sıra her bir alaşımın tribolojik davranışları belirlenmiştir. Ayrıca, imal edilen TM Ti sinterleme sonrası boyutsal ve yoğunluk değişimi gibi fiziksel özellikleri de tespit edilmiştir.

Dört farklı TM Ti alaşımının mekanik ve fiziksel özellikleri birbiri arasında karşılaştırılmış ve konvansiyonel döküm yöntemiyle imal edilen Ti alaşımlarının mekanik özellikleri ile kıyaslanmıştır. Uzun süreli kullanımlarda imal edilen TM Ti alaşımlarının aşınma performansı, aşınma deneyi yapılarak tespit edilmiştir. Aşınma performansları, kuru ve vücut sıvısına benzer hank sıvı ile yağlamalı durumda 75 N yükleme ve 0,25 m/s disk dönme hızıyla, her 2000 turda ağırlık kaybı (g) ölçülerek toplam 12000 tur kayma mesafesi uygulanarak belirlenmiştir. Aşınma deneyleri sırasında oluşan sürtünme kuvvetleri ve alaşımların dinamik sürtünme katsayıları veri toplayıcı sistem ile kaydedilmiştir. Implantasyonda önem arz eden yüzey pürüzlük değerleri, aşınma sonrası Ra ve Rt değerlerinin ölçümü ile belirlenmiştir.

Bu sayede, mekanik ve fiziksel anlamda kemiğe yakın özelliklere ve üstün tribolojik karaktere sahip TM Ti alaşımı belirlenmeye çalışılmıştır. İmal edilen TM Ti implant malzemelerinin mikroyapıları, kırık yüzeyleri, aşınma yüzeyleri, gözenek miktarı, gözeneklerin bağlantı şekilleri ve tane büyüklüğünün iyi analiz edilebilmesi için metalografik çalışmalar yapılmıştır. Genel kapsamda bu çalışma ile Ti alaşımların TM yöntemiyle laboratuar şartlarında imal edilebilmesi ve uygun mekanik- metalürjik ve tribolojik özelliklerin sağlanabilmesi, ülkemiz implant endüstrisinde de TM Ti alaşımı implantların seri olarak üretilebilirliği ortaya konulmuştur.

1.1. Kuramsal Temeller 1.1.1. Toz Metalürjisi

Toz Metalürjisi (TM), son şekle yakın parça imal etme ve ileri teknoloji malzemelerin-alaşımların imal edilmesine imkân veren faklı bir imalat yöntemidir (ASM, 1998). TM çeşitli metal ve seramik tozların imal edilmesi, karakterizasyonu ile bu tozların değişik ısıl ve mekanik deformasyon prensiplerinin uygulanarak birleştirilmesi, kullanışlı mühendislik parçalara dönüştürülmesini (German, 1989;

Kalpakijan, 2001) amaçlayan bir imalat sürecidir. Bu dönüşüm başlıca, toz üretme, istenilen tozların homojen bir şekilde karıştırılması, toz karışımın kalıp içerisinde sıkıştırılması ve toz tanelerinin birbirleriyle bağ oluşturmaları için atmosfer kontrollü ve gerekli sıcaklıkta-sürede sinterleme işleminin yapılması basamaklarını içerir. Bu dönüşümü kapsayan genel bir ifade ile TM; farklı boyut, tip, şekil ve sıkıştırılabilme özelliğine sahip tozların, % ağırlık oranlarının belirlenip homojen olarak karıştırılması, karışımın uygun ortamda sıkıştırılmasıyla istenilen şekle veya forma dönüştürülerek yoğunluk kazandırılması daha sonra mukavemet ve yoğunluğun arttırılması için sinterleme yapılması esası ile parça imal etme tekniği olarak nitelendirilmektedir (Karataş ve Sarıtaş, 1998).

1.1.2. Titanyum Tozlarının Üretilmesi

TM işleminin ilk adımı olan toz imalatı, mekanik ve kimyasal olmak üzere iki yöntemle üretilir. Bu yöntemler de kendi içinde birçok bölüme ayrılır. Mekanik yöntemlerden en yaygın olarak kullanılanları, su ve gaz atomizasyonu, öğütme (milling), mekanik alaşımlama ve elektrolizdir. Kimyasal yöntemlerden ise, indirgeme (hidrojen indirgemesi, hidro-kimyasal indirgemesi, karbon indirgemesi ve metale indirgeme vs.) en çok kullanılan yöntemdir (Kurt, 2004). Özellikle Ti ve titanyum alaşımlarının tozları kimyasal indirgeme, gaz atomizasyon ve mekanik alaşımlama yöntemleri ile imal edilmektedir (ASM, 1998). Titanyum tozu üretme teknikleri literatür araştırması sonrası aşağıdaki gibi özetlenmiştir.

1.1.2.1. Atomizasyon

Günümüzde üretilen metal tozların %80’ i atomizasyon yöntemiyle üretilir (Doğan, 1996). Temel prensip, eriyik durumdaki metal çok ince şerit halinde akıtılır ve bu sırada bir su veya gaz jeti ile çok küçük parçacıklara parçalanarak soğutulur.

Atomizasyon, eritme, eriyik metal damlalarını küçük boyutlara parçalama ve katılaşma/soğuma olarak üç bölüme ayrılır. Hava, azot ve argon sıklıkla kullanılan gazlar, su ise tercih edilen sıvıdır. Su Atomizasyon yöntemi; endüstriyel anlamda düşük kurulum ve işletme maliyetlerinden dolayı üretim miktarı açısından kullanılan en yaygın metottur. Pota çıkış ağzından düşey yönde akıtılan eriyik metal, yüksek basınçlı ve özel tasarımlı su jetleri ile parçalanır. 6–21 MPa mertebesinde su basıncı ile saniyede 70–250 m/sn’ lik hız sağlanarak ve bu şartlarda 10-100 kg/dak. metal akışı için, 0.1-0.4 m³/dak.’ lık sıvı akışı tüketimi söz konusudur. Su atomizasyon yöntemiyle imal edilen tozların tane boyutu 30–100 µm aralığındadır. Gaz atomizasyon (GA) yönteminde (Şekil 1.1.) prensip olarak su atomizasyonuna benzer ancak eriyik sıvıyı parçalamak için akışkan olarak su yerine hava, azot, argon ve helyum gazı kullanılır.

Şekil 1.1. Titanyum gaz atomizasyon ünitesi (German, 1989)

Gaz atomizasyon (GA) yönteminde; prensip olarak su atomizasyonuna benzer ancak eriyik sıvıyı parçalamak için akışkan olarak su yerine hava, azot, argon ve helyum

gazı kullanılır. Ti tozlar için, özel Titanyum Gaz Atomizasyon (TGA) yöntemi geliştirilmiş (ASM, 1998) ve bu sistemde ergime potasında bulunan katı Ti malzeme, vakum indüksiyon akımı yüklenerek ısıtılır ve eriyik duruma getirilir. Tam ergime sağlandıktan sonra, eriyiğin homojenliğini sağlamak için potada belli bir süre bekletilir ve uzun süreli potada bekletebilme bu yöntemin en önemli avantajıdır. Bu yöntemde, eriyiğin lüleden ilk akışı için, pota dibi merkezinde sekonder indüksiyon bobini tasarlanmış olup, eriyiğin lüle bölgesine yerleşmesini sağlar. Sıvı metal serbest akış ile damlacık halinde lüleden atomizasyon odasına doğru akıtılır. Bu odacıkta, yüksek basınçlı bir gaz üfleci ile yüksek basınçlı gaz oluşturularak ergimiş Ti küçük parçalara ayrılır. Soğutma kulesinde ise, partikül haline gelen ergiyik Ti katılaşır. TGA sürecinde toz partikülleri, küresel yapıya ve iyi serbest akışa sahiptir (ASM, 1998). TGA yöntemi, ticari saf Ti ve α/β ve β alaşımı tozlarını üretilmesinde yaygın olarak kullanılmaktadır. Bu yöntemle imal edilen tozların boyutu 20–300 µm arasındadır. Şekil 1.2.’ de görüldüğü gibi, tane şekli düzenli ve küresele yakındır.

Şekil 1.2. Gaz atomizasyonuyla üretilen Ti tozların partikül şekli ve boyutu (ASM, 1998)

1.1.2.2. Kimyasal Yöntemle Toz İmalatı

Kimyasal yöntemle toz imalatı, soljel, kimyasal çöktürme, kimyasal buhar biriktirme, redüksiyon, dekompozisyon, indirgeme ve elektroliz yöntemleri olarak sıralanabilir.

Genellikle, titanyum tozu indirgeme metoduyla 1100–1200 ^oC reaksiyon sıcaklığında tüp fırınlarda üretilmektedir. Çoğu durumda indirgenecek malzeme katı durumdadır.

Hidrojen indirgeme yöntemi ile, çok ince ve saf tozlar elde edilebilmektedir.

İndirgeme yöntemi ile tozun imalatı için, toz karakteristiğini etkileyen önemli parametreler aşağıda açıklanmıştır (ASM, 1998):

• İndirgeme süresi arttıkça daha büyük toz boyutu, düşük birim yüzey alanı ve kalıntı oksijen,

• Düşük indirgeme sıcaklığı toz boyutunun düşük olmasına ve birim yüzey alanın yüksek olmasına, kalıntı oksijen miktarının artmasına neden olur,

• Hidrojen akış hızının yüksek olması, yüksek indirgeme hızına ve düşük kalıntı oksijenle birlikte soğuma sırasında bir miktar oksitlenmeye neden olur.

Ti, Ta, W, V ve Nb gibi refrakter ve reaktif metal tozları, metale indirgeme yöntemi ile imal edilmektedirler. Bu işlem için tercih edilen indirgeme metalleri ise, Na, Ca ve Mg’ dur. Ti tozu imalatında, Ti tozlarının ilk kaynağı süngerimsi yapıya sahiptir.

Süngerimsi taneler Titanyum Tetraklorürden (TiCl4) den Ti köpüğünün imalatı sırasında düzensiz yapıdadır. Ti’ nin ticari üretimi doğal ya da sentetik üretilmiş minerallerin klorlanmasını gerektirir. Ti tozu üretimi, TiCl4 magnezyum kullanılarak veya TiO2, kalsiyum hidrür (CaH2) kullanılarak metalik titanyuma indirgenir.

TiCl4+2Mg Ti+2MgCl2

TiO2+2CaH2 Ti+2CaO+2H2

Bu yöntemle, Şekil 1.3.-a’ da görüldüğü gibi, 41 µm ortalama partikül boyutunda ve süngerimsi yapıya sahip Ti tozu üretilebilmektedir.

(a) (b)

Şekil 1.3. a) İndirgeme ve b) hidrür yöntemiyle üretilen Ti tozlarının tane şekli (ASM, 1998)

1.1.2.3. Hidrür/Hidrit Metot

Ti’ un hidrojen ile tersinir bir reaksiyona girmesi ile Ti tozu üretme tekniğidir. Ti hidrojen için oldukça yüksek kimyasal kararlılığa sahiptir ve hidrojen atmosferinde ısınan Ti kolayca hidrojenize olabilir Hidrojenle reaksiyona giren Ti, oldukça kırılgan ve çok küçük partiküllere kolayca parçalanabilir. Hidrojen dinamik vakumda ısınan Ti tozları tarafından kolayca atılabilir. Ticari saf Ti’ nin minimum hidrojenize sıcaklığı 400^oC ve 0.007 MPa pozitif hidrojen basıncında yapılmaktadır. Şekil 1.3., b' de görüldüğü gibi, bu yöntemle üretilen Ti tozlarının tane şekli köşeli yapıya sahiptir ve ortalama 80–110 µm mertebesindedir. Hidrür/Hidrit (hydride/dehydride) yöntemle üretilen saf Ti tozları, HIP-CIP yöntemleriyle Ti-6Al-4V ve Ti-6Al-6V-2Sn alaşımının imal edilmesinde kullanılmaktadır (ASM, 1998).

1.1.2.4. Plazma-Döner Elektrot Yöntemi (PDEY)

PDEY yöntemi, Starmet tarafından geliştirilen santrafüj atomizasyon yöntemi olarak tanımlanmaktadır. Bu yöntemde, tozu elde edilecek Ti’ dan imal edilmiş bir elektrot (anot) ile ergimeyen tungsten elektrot (katot) arasında bir ark oluşturulur. Helyum plazma Ti elektrotunu ergitmek için kullanılır. Ergiyen Ti elektrotu, helyum atmosferi altında hızla döndürülerek ve dönmenin etkisiyle eriyik Ti toz halinde etrafa saçılır. Plazma döner elektrot yöntemi Şekil 1.4.’ de verilmiştir.

Şekil 1.4. Döner plazma elektrot sistemi (German, 1989)

Küresel tane

Toz toplama ünitesi Tungsten

katot İlerleme

Titanyum elektrot (anot) Vakum-gaz

Hareket sistemi

Motor Yatak Hız kontrol

Anot

Eriyik film

Küresel taneler

Ergitme ve atomizasyon, yaklaşık 2440 mm çapındaki paslanmaz çelik tank içerisinde muhafaza edilir. Elektrotlar 60–65 mm çapında ve 15000 dev/dak. hızla döndürülür. Şekil 1.5., a’ da görüldüğü gibi, PDEY Ti tozları genelde küreseldir ve iyi akış karakteristiği gösterirler (ASM, 1998).

(a) (b)

Şekil 1.5. a) PDEY yöntemiyle üretilen Ti-6Al-4V tozlarının şekli b) Ti-6Al-4V ile gözenekli kaplama (ASM, 1998)

Toz partikül boyutu, dönme hızına ve süresine, elektrot çapına bağlıdır. Bu yöntemle üretilen Ti-6Al-4V tozların boyutları 100–300 µm aralığındadır. Gaz atomizasyon ile karşılaştırıldığında daha kaba taneli tozlar üretilir. Bu metotla imal edilen Ti tozları, genellikle kalça protezlerinin porozlu kaplaması için kullanılmaktadır (Şekil 1.5., b).

1.1.3. Tozların Fiziksel ve Kimyasal Özellikleri

TM yöntemiyle imal edilen parçaların temel özellikleri, parçayı oluşturan tozların fiziksel ve kimyasal özelliklerine ve uygulanan sıkıştırma basıncı, sinterleme işlemlerine bağlıdır. Toz taneleri tek bir taneden oluşur. Taneler düzenli yapıda olabildikleri gibi amorf yapıda da olabilir. Taneler tek kristalli olabildiği gibi çok kristalli yapıya da sahip olabilirler. Hatta toz taneleri ikincil taneler oluşturabilirler.

Bu yapıya aglomerasyon denir (ASM, 1998). Aglomerasyon, birden çok partikülün katı halde tek yapıda bir arada bulunması ve kontrol edilemeyen toz üretim süreçlerinde istem dışı oluşmaktadır.

Toz tanelerin şekli ve yüzeysel yapıları tozun sıkıştırılabilme özelliğini önemli oranda etkilemektedir. Şekil 1.6.’ da muhtemel toz tane şekilleri verilmiş ve toz genelde düzensiz şekilli, çubuksu, dentritik, lifsi, açılı, kütle halinde ve küresel

yapıya sahip toz taneciklerinden ibarettir. Çizelge 1.1.’ de ise üretim metotlarına göre bazı toz karakterizasyonları verilmiştir.

Şekil 1.6. Muhtemel toz tane şekilleri

Çizelge 1.1. Toz imalat türüne göre toz özellikleri

Toz Özellikleri Yöntem Düzensiz

Gözenekli Düzensiz

Yoğun Kitlesel

Yoğun Küresel

Gözenekli Küresel Yoğun

Öğütme X X

Kimyasal X X X X X

Fiziko-kimyasal X X X X X

Atomizasyon X

Atomizasyon yöntemi ile elde edilen veya bir gaz fazından itibaren hazırlanan tozların şekilleri genellikle küreseldir. İndirgeme metoduyla üretilen tozlar ise, iğne şeklinde olup süngerimsi yapıya sahiptir. Metalsel bir tozun partikül morfolojisinin yanı sıra tane boyutları da birbirinden farklıdır ve imal edilecek parçanın özelliklerine direkt olarak etki etmektedir. Küresel şekilli tozların paketlenmesi ve yüksek ham yoğunluk elde edilmesi zordur. Genellikle, yüksek yoğunluklu yapısal parçaların imal edilebilmesi için, küresel tozlar ile köşeli tozların karıştırılması önerilmektedir (Duran, 2006, sözlü görüşme). Toz dağılımını tayin etmek için toz tanelerinin ortalama büyüklüğüne göre elek analizi, mikroskobik muayene gibi farklı usuller tatbik edilir. Birim alanda mevcut delik sayısı eleği karakterize eder ve standart bir ölçü tavsiye edilmektedir. Bunun için 100 g. toz belirli bir zaman sarsılır.

Muhtelif eleklerde toplanan tozlar tartılarak toz dağılım elde edilir. 50 mikrondan küçük tanelerin büyüklük ve dağılımını veren ve direkt metot olan mikroskobik

Küresel yoğun Düzensiz yoğun Düzensiz gözenekli Kitlesel

Dentritik Çubuksu Lifsi

analiz sayesinde tanelerin gerçek boyutları, belirli bir miktar toz içindeki tane sayısı tespit edilmektedir. Tane büyüklüğünün yanı sıra önemli bir parametre olan görünür yoğunluk (g/cm³), kalıp tasarımında ve istenilen yoğunluğa ulaşmak için uygulanan sıkıştırma yükünün hesaplanmasında kullanılır. Sıkıştırma öncesi, toz kütlesinin serbest düşüş sonrası tozun kapladığı hacme bölünmesiyle elde edilir. Bir başka anlamda, hacmi sabit silindirik bir kabı serbest düşüş ile dolduran tozların kütlesi tespit edilir ve kapladığı hacme bölünür. Sıkıştırma sonrası yoğunluk değeri ham yoğunluk, sinterleme sonrası yoğunluk ise sinterlenmiş yoğunluk olarak nitelendirilmektedir. Görünür yoğunluk (Gy), ham yoğunluk (Hy) ve sinterlenmiş yoğunluk ise (Sy) aşağıdaki formüllerle ifade edilmektedir:

Tozların kalıp içerisinde serbest olarak akma özelliğinin belirlenmesinde kullanılan önemli bir parametre de toz akıcılığı veya akış hızı (gr/s)dır. Prensip olarak, sabit ağırlıkta (50 g) tozun, konik bir kap içerisinden ne kadar sürede (sn) geçtiği belirlenerek hesaplanır. Toz akış hızını belirlemede, ISO 4490 standardından yararlanılmaktadır. Tozların sıkıştırılabilmesi tozun fiziksel özelliklerine bağlıdır.

Tozun sıkıştırma esnasındaki hareketi, şekil verilebilme özelliğine (yani sıkıştırma ile elde edilen parçanın şekil ve kenarlarının kararlılığına) ve sıkıştırma indisi’ne (yani bir basınç tatbikiyle elde edilen numunenin yoğunluğuna) bağlıdır. Küresel tozların sıkıştırılabilme kabiliyetleri, köşeli yapıya sahip tozlarınkinden daha düşük olduğu bilinmektedir (Froes vd., 1985). Şekil 1.7.’ de hidrojen indirgeme yöntemiyle imal edilmiş köşeli tozlar ile atomizasyon yöntemiyle elde edilmiş küresel tozların sıkıştırma-ham mukavemet ilişkisi verilmiştir.

) m (c Hacim ş ı m l ı r ı t ş ı k ı S

) g ( ğırlığı A : Toz

Sy ₃

(1.1)

(1.2)

(1.3)

3) m (c Hacim Düşüş Serbest

) g ( ğırlığı A : Toz

Gy

3) m (c Hacim ş ı m l ı r ı t ş ı k ı S

) g ( ğırlığı A : Toz

Hy

Şekil 1.7. Hidrojenize ve atomizasyon tozlarının sıkıştırma basıncı ile ham mukavemet ilişkisi (ASM, 1998)

Metal esaslı tozlar ile mukavemetli alaşımların imal edilebilmesi için, diğer bir unsur da kimyasal özellikleri ve saflıklarıdır. Saflık, kimyasal analizle tayin edilebilir ve sinterlenmiş cisimlerin mekanik ve fiziksel özellikleri birinci derecede etkilemektedir (Godfrey vd., 1999). Metal esaslı tozların saflığı büyük ölçüde alaşım elemanlarının saflığına bağlıdır. Mesela, kendi oksitlerinin hidrojenle redüklenmesiyle elde edilen volfram, kobalt ve demir tozlarının saflığı, pratik olarak kullanılan oksidin saflığına bağlıdır. Oksijen ve karbon gibi elementlerin malzeme içinde ne şekilde bulundukları da önemlidir. Oksitlerin redüklenmesi ile hazırlanan metalsel tozlar genellikle muntazam oksit kalıntıları ihtiva ederler.

Elektroliz veya atomizasyonla elde edilen tozlarda oksijen genellikle oksit kalıntı, karbon grafit, karbür veya katı solüsyon hallerinde bulunur. Bu durum ise, imal edilen TM parçanın ham yoğunluğunu ve sonraki mukavemet değerlerini önemli oranda etkilemektedir (Şekil 1.8.)

Şekil 1.8. Tozlar içerisinde karbon içeriğinin ham yoğunluk ve mukavemet değerine etkisi (ASM, 1998)

Karbon İçeriği, % Oksijen İçeriği; %

Sıkıştırma Basıncı, MPa

Ham mukavemet, MPa Hidrojen indirgeme

% 1 Zn-S ilaveli

Atomize tozlar

Ham Yoğunluk, g/cm 3 Ham Yoğunluk, g/cm 3 Sıkıştırma Basıncı, MPa

1.1.4. Toz Karıştırma

TM teknolojisinin toz imalatından sonraki önemli bir aşaması, homojen bir şekilde karıştırılmasıdır. Metalik tozlar, yağlayıcılar ve isteğe bağlı alaşım elementleriyle homojen bir karışım elde etmek için karıştırılır. Karışım, imalatı yapılacak parçanın ağırlığına göre, % olarak karışım elementlerinin ağırlığı belirlenerek oluşturulur.

Karışım içerisine, genellikle % 0.5-1.5 arası yağlayıcı ilave edilmektedir. Yağlayıcı olarak çinko stearat, stearik asit, metalik stearatlar ve parafin en çok kullanılanlarıdır. Özellikle küresel tozların paketlenmesinde, parafin, polivinil alkol (PVA) gibi bağlayıcılar sıklıkla kullanılmaktadır. Yağlayıcın temel amacı, toz taneleriyle takım yüzeyleri ve kalıp duvarları arasındaki sürtünmeyi azaltmak, tozların sıkıştırma sırasında kolay kaymalarını sağlamaktır (Hale, 2003). Karıştırma işlemi, Şekil 1.9.’ da verilen prizmatik, V şekilli ve çift taraflı konik kaplar tarafından gerçekleştirilir.

Şekil 1.9. Toz karıştırmada kullanılan bazı karıştırıcı tipleri (a. Silindirik şekilli, b.

Kübik, c. Çift taraflı konik, d. V şekilli)

Karıştırma işleminde karıştırıcı doluluk oranı, minimum % 30-40 oranında olması tavsiye edilmektedir (German, 1989). Karıştırma devri 20-30 dev/dak hızda (Şekil 1.7.-a), 20-30 dakika süreyle yapılmaktadır. Optimum karıştırma işlemi, ham yoğunluğu ve daha sinterleme sonrası yoğunluğu etkilemektedir. Eğer ki, uygun karıştırma yapılmazsa, partiküller arasında mekanik kilitlenme meydana gelerek sinterleme sonrası daha büyük gözenekli yapı meydana gelir ve bu ise mekanik özelliklerin kötüleşmesine neden olmaktadır. Yüksek hızda karıştırma homojenliği ortadan kaldırır ve toz tanelerinde plastik deformasyon meydana getirebilmektedir.

İlave edilen yağlayıcının miktarı arttıkça, ham yoğunluk değerlerinin düştüğü (Şekil

1.10.) ve ham biriketlerin sıyırma sırasında daha çok deformasyona uğradığı tespit edilmiştir (German, 1989).

Şekil 1.10. Çinko-Stearat oranının ham yoğunluğa etkisi (German, 1989)

1.1.5. Sıkıştırma

Toz metalürjisindeki en önemli ve üçüncü işlem basamağı sıkıştırmadır. Metal tozlar, özel olarak hazırlanmış kalıp içersinde basınç etkisiyle briket hale getirilir.

Sıkıştırmanın (sıkıştırma) temel amacı, toz partiküllerin istenilen şekle dönüştürülmesi için, yapıya kendi ağırlığını taşıyabilecek kadar yoğunluk kazandırılmasıdır. Sıkıştırma, eksenel, izostatik ve hacim deformasyonu olarak üç farklı yöntemde gerçekleştirilir. Eksenel sıkıştırma; tek ve çift etkili olabildiği gibi soğuk, sıcak ve ılık sıkıştırma şeklinde de olabilmektedir. İzostatik sıkıştırma soğuk ve sıcak olmak üzere iki farklı şekilde uygulanabilir. Hacimsel deformasyon işlemleri ise, toz dövme, toz extrüzyon ve toz haddeleme olarak uygulanmaktadır (ASM, 1998). Şekillendirme ve sıkıştırma yöntemine karar verilirken aşağıdaki parametreler dikkate alınır:

• Kullanılacak tozun tipi (küresel, sünger, pul) ve toz imalat yöntemi

• Bağlayıcı ve yağlayıcı kullanımı

• Rijit kalıp kullanımı

• Üretilecek malzemeden istenilen özellikler

Genellikle endüstriyel uygulamalarda, Şekil 1.11.‘ de sistematik olarak gösterilmiş olan çift etkili sıkıştırma işlemi kullanılmaktadır.

Çinko Stearat, %

Ham yoğunluk, g/cm3 Sıkıştırma Basıncı, MPa

Şekil 1.11.Toz metal parçaların sıkıştırma basamakları (Türk TM Derneği, 2006) Çift etkili sıkıştırmada, zımbaların her ikisi de hareketlidir. Şekil 1.11., a ilk aşamadır ve imal edilecek parçanın kalıbı daha önceden tasarlanmış olup, bu aşamada kalıp prese montajlanır. Şekil 1.11., b ikinci aşamada, toz partikülleri kalıp doldurma pabucundan kalıba serbest akış durumunda doldurulur. Üçüncü aşamada, kalıp boşluğuna doldurulan toz, sistemin titreşim mekanizmasıyla sıkıştırma öncesi titreşimli yoğunluk kazandırma işlemi yapılarak doldurulan tozun kalıpta düzgün bir şekilde yerleşmesi sağlanır. Bu sırada da, ıstampa ile kalıp yüzeyinde artan tozlar diğer toz haznesine itilir ve üst zımba sıkıştırmak için dişi kalıp boşluğuna yerleşir (Şekil 1.11., c). Dördüncü aşamada, sıkıştırma işlemi gerçekleştirilir. Bu aşamada, toz taneleri sıkıştırmanın etkisiyle belli bir değerde yoğunluk ve mukavemet kazanarak briket hale gelmektedir. Beşinci aşamada ise mukavemet ve yoğunluk kazandırılmış ham briket, belli bir sıyırma kuvvetiyle alt zımba tarafından kalıp boşluğundan çıkartılır. Altıncı ve son aşamada (Şekil 1.11., f), kalıp boşluğundan çıkarılan ham briket toz doldurma pabucu tarafından itilir ve ikinci parçanın preslenmesi için toz doldurma işlemi gerçekleştirilir. Şekil 1.12.’ de görüldüğü gibi, sıkıştırma işlemi metalürjik açıdan üç aşamada ele alınabilir (German, 1989; Kurt, 2004):

Şekil 1.12. Metalürjik açıdan sıkıştırma işlemi (German, 1989)

Sıkıştırma basıncının artması Üst zımba

Alt zımba

Toz doldurma pabucu (ıstampa)

a b c d e f

Kalıp boşluğu

• İlk aşamada, sıkıştırma basıncının uygulamasından sonra, toz tanelerinin yer değiştirmesi ve yeniden pozisyon belirlemesi sağlanır. Bu aşamada, plastik şekillendirme yoktur, ancak bir kısım toz tanelerinde kırılma olabilir. Partikül boyutu, şekli, toz boyut dağılımı ve taneler arası sürtünme önemli rol oynar.

• İkinci aşamada elastisite ve plastik deformasyon faktörleri baskındır. Partiküller arası soğuk şekillendirmeye bağlı olarak bağlar oluşabilir. Ayrıca, tanelerin mekaniksel kilitlenmeleri ve tane-tane etkileşimleri bu aşamada gerçekleşir.

• Sıkıştırma basıncının arttığı ve sıkıştırmanın son aşamasında, toz tanelerinin kırılması, boşlukların dolması ve toz taneleri arasında soğuk kaynaklanma oluşmakta ve ham yoğunluk kazandırılmış olur.

Toz sıkıştırmada temel problem tozlar ile kalıp cidarları arasındaki sürtünmedir.

Sürtünme kuvveti uygulanan kuvvetin alt bölgede azalmasına neden olmaktadır. Toz kompaktlarda basınç-yoğunluk ve mukavemet arasındaki ilişki, kalıp malzemesinin pekleşme oranı, yüzey sürtünme katsayısı ve toz taneleri ile kimyasal reaksiyon eğilimine bağlıdır. Ayrıca, sıkıştırılabilme toz şekli ve büyüklüğü, yağlayıcı durumu ve sıkıştırma oranı ile ilişkilidir. Şekil 1.13.’ de H yüksekliğine ve D çapına sahip silindirik toz kompakt model verilmiştir.

Şekil 1.13. Sıkıştırma sırasında kalıp kuvvetlerin dengelenmesi (German, 1989)

dH yüksekliğinin ince bir kesiti analiz edildiğinde uygulanan kuvvet elementin en üst bölgesindeki P basıncı, Pb ise elementin en alt bölgesinde iletilen basınç değeri olarak nitelendirilmektedir. Matematiksel olarak kuvvetler dengelendiğinde;

Uygulanan yük

İletilen yük

n b) uF P

P ( A O

F= = × − +

∑

olur. Burada, Fn normal kuvvet, u, kalıp cidarı ile tozlar arasındaki sürtünme katsayısı ve A ise kesit alandır. Normal kuvvet oransal z sabiti ile uygulanan basıncın bir fonksiyonu olarak verilmektedir. z faktörü Eksenel ve radyal kuvvetlerin oranını ifade eder. Böylece Fn;

şeklinde ifade edilmektedir. Sürtünme kuvveti Ff, sürtünme katsayısı ve normal kuvvetlerden aşağıdaki formül ile ifade edilmektedir:

dP toz elementinin en üst ve alt bölgesindeki sıkıştırma basınç farkı ise;

Kompakt yüksekliği ile sıkıştırma basıncı integrasyonu zımba etkisindeki her hangi bir basıncı gösterir ve bu durum;

şeklinde ifade edilmektedir. Bu ifade tek etkili sıkıştırma için kullanılmaktadır.

Böylece tek eksenli sıkıştırma için ortalama sıkıştırma gerilmesi;

formülü ile, çift etkili sıkıştırma gerilme ise;

formülasyonu ile ifade edilmektedir (German, 1989).

zPDdH u

F_f = π

D / uzPDdH 4

A / F P

P

dP= − _b =− _f =−

[

]

exp P /

P_x = −

(

)

P −

= σ

(1.6)

(1.7)

(1.8)

(1.9)

(

)

P −

=

σ (1.10)

zPDdH

F_n =π (1.5)

Tek eksenli sıkıştırmada toz kompaktın alt bölgesi ile üst bölgesi arasında yoğunluk farklılığı oluşmaktadır. Bu farklılık, Şekil 1.14.’ de görüldüğü gibi çift etkili sıkıştırma ile dengelenebilmekte ve bu sayede sinterleme sonrası özellikler iyileştirilebilmektedir.

Şekil 1.14. Çift ve tek etkili sıkıştırmada radyüs ve yükseklik (g/cm³) ilişkisi (German, 1989)

Teorik ve uygulamalı araştırmalar sonrası geliştirilen, basınç ile toz yoğunluğu arasındaki ilişkiyi veren ve metal tozları için kabul gören Heckel eşitliği de mevcuttur.

Bu denklemde, A kesit alan, D sıkıştırma yoğunluğu, P uygulanan kuvvet, k ve b değerleri tozların özelliklerine göre sabit katsayılardır. In (1/1-D)’nin P ile ilişkisi grafik olarak nitelendirildiğinde, k sabiti elde edilir. Şekil 1.15.’ de Ti-6Al-4V toz karışımına uygulanan sıkıştırma basıncı arttıkça ham yoğunluk değerinin belli bir değere kadar arttığı görülmektedir.

Şekil 1.15. Sinterleme sonrası Ti-6Al-4V briketlerin ham yoğunluk değerleri (5 ve 7.

eğriler köşeli yapıya sahip toz karışımı) (Froes vd., 1985).

Kalıplama Basıncı, MPa

Ham Yoğunluk, (%)

Tek etkili Çift etkili

Yükseklik, H

Radyüs, D/2

A P k D) 1 ( 1

In = × +

− (1.11)

1.1.6. Sinterleme

TM teknolojisinin diğer önemli bir adımı da sinterleme ısıl işlemidir. Sinterleme işlemi, gözenekli yapıda şekil kazandırılmış tozların, özgül yüzey alanının küçülmesi, partikül temas alanının büyümesi ve buna bağlı olarak gözenek hacminin küçülmesine neden olan ısıl olarak aktive edilmiş malzeme taşınımı olarak tanımlanabilir. Tek bileşenli sistemlerde genellikle sinterleme sıcaklığı olarak metalin mutlak ergime sıcaklığının 2/3 veya 4/5 i alınır. Ti-6Al-4V, Ti-6Al-7Nb gibi çok bileşenli sistemlerde sinterleme sıcaklığı, bu alaşımların sinterleme sıcaklığının ergime sıcaklığına oranı (T/TE) 0,75’ in üzerinde seçilmesi önerilmektedir (Archbold, 1999). Bazı gözenekli bronzlar ve bronzlara benzeyen alaşımlar 600ºC-800ºC arasında, demir grubu metallerin alaşımları ise 1000ºC-1300ºC arasında, sert alaşımlar 1400ºC-1600ºC arasında, refrakter metaller (molibden, volfram, tantal) 2000ºC-2900 ºC sıcaklık mertebesinde ve Ti6Al4V ise 1100 ºC-1350 ºC sıcaklık arasında iki saat süreyle vakum veya argon koruyucu gaz ortamında sinterlenmesi tavsiye edilmektedir (Schatt ve Wieters, 1997; ASM, 1998). Preslenmiş toz parçalarının arasındaki bağlantı, mekanik kilitlenme, yapışma ve benzeri türden zayıf bağlar olup, kristal kafes sistemi içerisindeki bağ dayanımına nazaran zayıftır.

Sıkıştırılmış toz taneleri birbirine temas veya nüfuz etmiş durumda olsa bile, her bir tane diğerinden bağımsızdır. Sinterleme ile, tane temas noktalarının büyümesi sonucu özgül yüzey alanının küçülmesine, gözenek hacminin azalması veya küreselleşmesi, yapıda oluşabilecek atom boşlukları, dislokasyon gibi kristal hataların azaltılması sağlanır. Bu sayede, atomlar ve iyonlar arasında fiziksel bir bağ oluşmaktadır. Oluşan bu bağ, kristal kafes sistemindeki bağla benzeştir.

1.1.6.1. Sinterleme Mekanizmaları

Metalürjik anlamda sinterleme işlemi, altı adımda gerçekleşir. Bunlar, başlangıç toz tane bağların oluşması, taneler arası boyun olarak adlandırılan köprü bağlarının oluşması, gözeneklerin küresel hale gelmesi, gözenek kanallarının kapanması, gözeneklerin daralması ile hacmin küçülmesi ve yoğunluk artışının sağlanması şeklinde sıralanabilir. Ancak, malzeme transfer mekanizması için, yüzey difüzyonu,

hacim difüzyonu, buharlaşma-yoğunlaşma ve tane sınırı difüzyonu gereklidir (German, 1996). Sinterleme işlemini, sinterleme sıcaklığı ve süresi direkt olarak, partikül boyutu ve tipi, sıkıştırma sonraki gözenek miktarı, önalaşımlandırma ise endirekt olarak etkiler (ASM, 1998). Genellikle katı hal sinterlenmesi için kabul gören sinterleme mekanizmaları üç temel grupta incelenmektedir (Kurt, 2004). Bu durum Şekil 1.16.’ da verilmektedir.

Şekil 1.16. Laplace gerilmesi a) boyun bölgesinde b) gözenekler çerçevesinde, c) boyun bölgesinde muhtemel sinter mekanizmaları (Archbold, 1999; Kurt, 2004)

• 1. Aşama: Partiküller arası temas boyun olarak adlandırılan sinter köprülerine dönüşür. Bu aşamada toz taneleri halen birbirinden bağımsız ve sıkıştırmanın etkisiyle oluşan durumdadır. Ancak, iki tane arasındaki temas yüzeylerinde tane sınırı oluşmaya başlar. Partiküllerin merkezleri çok küçük miktarda birbirine yaklaşır ve hacimsel daralmanın başlangıcını teşkil eder (Yüzey difüzyonu). Yüzey difüzyonu iki tane arasındaki temas için yüzey difüzyonu aşağıdaki ampirik formül ile nitelendirilmektedir (Archbold, 1999).

K= (1/ρ – 1/r) + 2/R

Burada, ρ, sinter boyun eğrisinin radyüsü, r, sinter boyun yarıçapı ve R ise sinter toz tanelerinin yarıçapıdır.

• 2. Aşama: İki toz tane arasında mukavemetli boyun bölgesinin oluşumundan sonra, r/R oranı belli bir değerin üzerine çıkacak olursa, müstakil tane şekli ortadan kalkar. Düzenli bir boşluk ağı oluşur ve tane büyümesi olarak adlandırılan yeni

(c) r

ρ R

r R

(1.12)

mikroyapı oluşur. Bu aşamada, toz karışım içerisine katılan bağlayıcı ve yağlayıcıların büyük çoğunluğu buharlaşır ve hacimsel daralmanın en fazla gözlemlendiği aşamadır (Buharlaşma ve yoğunlaşma). Bu aşama, sinter boyun gelişimi olarak değerlendirilmekte ve bu ifadeyi veren bir ampirik formül mevcuttur (Archbold, 1999):

rⁿ= F_(S) x t

Burada, r, sinter boyun radyüsü, t, sinterleme süresi, F(S), sıcaklık üzerine bağımlı fonksiyon ve partikül büyüklük geometrisi, n, malzeme transfer mekanizması değeridir ve bazı bilimsel çalışmalara göre yüzey difüzyon değeri 6.5-7.5 arasında, tane sınırı difüzyon 6, hacim difüzyon değeri 4-5 olarak kabul görmektedir (Archbold, 1999).

• 3.Aşama: Kapalı gözenek oranı hızla azalır. Birbirinden izole edilen gözenekler, küresel forma dönüşür. Gözenekler içerisinde, yağlayıcı ve bağlayıcı elementlerin atılması sırasında oluşan gaz ve gaz basıncı ile yüzey geriniminden doğan basınç denge durumunu aldığında, sinterlenmiş yapıda istenilen teorik yoğunluğa ulaşılamaz. Vakumla sinterleme ile, gözeneklerde herhangi bir gaz yok ise veya gaz ana yapıdan kolayca difüze edilebiliyorsa yoğunluk artışı devam ederek % 90- 99 teorik yoğunluğa ulaşılabilmektedir (Kütle ve tane sınır difüzyonu). Tüm bu aşamalar sonrası taneler arası bağ oluşumu (sinter neck), yoğunlaşmış ve yoğunlaşmamış yapılar Şekil 1.17.’ de görülmektedir.

Şekil 1.17. Sinterleme sırasında taneler arası bağların gelişimi (German, 1989) (1.13.)

Nokta Teması Başlangıç Gelişme Son durum

Gözenekler Tane sınırı

Tane sınırı

Gözenek

Yoğunlaşmış yapı Yoğunlaşmamış yapı