Biyomedikal uygulamalar için magnezyum matrisli kompozitlerin toz metalurjisi ile üretimi ve karakterizasyonu
Production and characterization of magnesium matrix composites by powder metallurgy for biomedical applications
- Tez No: 1002194
- Danışmanlar: DOÇ. DR. ALPER İNCESU
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Metalurji Mühendisliği, Metallurgical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2026
- Dil: Türkçe
- Üniversite: Karabük Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Bu çalışmada, tantal (Ta) takviyesinin magnezyum–biyocam (Mg–BG) kompozit sisteminin mikroyapısal evrimi, mekanik performansı, tribolojik davranışı ve korozyon özellikleri üzerindeki etkisi sistematik olarak incelenmiştir. Önceki optimizasyon çalışmalarına dayanarak sabit %2,5 ağırlıkça biyocam (BG) içeren magnezyum esaslı bir kompozit temel malzeme olarak seçilmiş ve tantal ilavesinin etkisini net bir şekilde ortaya koymak amacıyla bu matrise farklı oranlarda Ta (%0, %0,5, %1,5, %3 ve %5 ağırlıkça) eklenmiştir. Ayrıca saf Mg ve Mg–2,5BG numuneleri referans malzeme olarak üretilmiştir. Tüm numuneler, hassas bileşim kontrolü ve takviyelerin homojen şekilde dağılımını sağlamak amacıyla mekanik karıştırmayı takiben sıcak presleme uygulanarak toz metalurjisi yöntemiyle üretilmiştir. Optik mikroskopi, taramalı elektron mikroskobu (SEM) ve enerji dağılımlı X-ışını spektroskopisi (EDS) ile gerçekleştirilen mikroyapısal karakterizasyon sonuçları, BG ve Ta parçacıklarının Mg matrisi içerisinde tercihen tane sınırları boyunca dağıldığını göstermiştir. X-ışını kırınımı (XRD) analizleri, tüm bileşimlerde baskın hekzagonal Mg fazının korunduğunu ve Mg ile Ta arasında yeni intermetalik faz oluşumuna rastlanmadığını ortaya koymuş, bu durum işlem sırasında faz kararlılığının sağlandığını ve kimyasal etkileşimin sınırlı olduğunu göstermiştir. Düşük ve orta Ta oranlarında nispeten homojen bir mikroyapı elde edilirken, yüksek Ta ilavesi (%5 ağırlıkça) yerel kümelenmelere ve mikroyapısal homojenliğin azalmasına yol açmıştır. Mekanik karakterizasyon sonuçları, BG ilavesinin sert bir seramik ikincil fazın varlığı nedeniyle saf Mg'nin sertliğini önemli ölçüde artırdığını göstermiştir. Ta ilavesi ise düşük ve orta konsantrasyonlarda sertlik değerlerini daha da yükseltmiş ve Mg–2,5BG–3Ta kompoziti saf Mg'ye kıyasla yaklaşık %18'lik sertlik artışı ile en yüksek sertlik değerini sergilemiştir. Bununla birlikte, aşırı Ta içeriği sertlikte hafif bir düşüşe neden olmuş; bu durum parçacık aglomerasyonu ve olası porozite artışı ile ilişkilendirilmiştir. Kuru kayma aşınma testleri ile değerlendirilen tribolojik performansın, sertlik eğilimleriyle güçlü bir korelasyon gösterdiği belirlenmiştir. Mg–2,5BG kompoziti saf Mg'ye kıyasla daha yüksek aşınma direnci sergilerken, %0,5–%3 ağırlıkça Ta ilavesi aşınma oranında belirgin bir azalmaya yol açmış ve en yüksek iyileşme Mg–2,5BG–0,5Ta bileşimi için yaklaşık %38 olarak elde edilmiştir. Aşınmış yüzeylerin SEM incelemeleri, aşınma mekanizmasının ağırlıklı olarak abrazif aşınma tarafından kontrol edildiğini ortaya koymuş; Ta takviyeli kompozitlerde daha sığ oluklar ve daha düşük malzeme kaybı gözlemlenmiştir. Buna karşılık, yüksek Ta içeriğinde mikroyapısal heterojenlik ve takviye kümelenmesi nedeniyle aşınma direncinde bir bozulma meydana gelmiştir. Elektrokimyasal korozyon testleri, BG ilavesinin Mg'nin korozyon direncini belirgin şekilde iyileştirdiğini ve bunun biyocam ile ilişkili koruyucu yüzey tabakalarının oluşumuna bağlanabileceğini göstermiştir. Buna karşın, Ta ilavesi Mg–BG sisteminin korozyon davranışını olumsuz etkilemiş ve Ta içeriğinin artmasıyla birlikte korozyon hızlarında kademeli bir artış gözlenmiştir. Bu bozulma, artan mikroyapısal ve bileşimsel heterojenliğin biyocam içeren matrisin sağladığı koruyucu etkiyi zayıflatması ve yerel galvanik aktiviteyi teşvik etmesiyle ilişkilendirilmiştir. Sonuç olarak, tantal takviyesinin Mg–BG kompozitlerinin sertliğini ve aşınma direncini uygun oranlarda ilave edildiğinde etkili bir şekilde artırabildiği ortaya konmuştur. Ancak Ta'nın korozyon davranışı üzerindeki olumsuz etkisi, mekanik performans ile biyobozunurluk özellikleri arasında hassas bir denge kurulabilmesi için bileşimin dikkatle optimize edilmesi gerektiğini göstermektedir. Bu bulgular, yük taşıyan biyomedikal implant uygulamalarında kullanılmak üzere tasarlanan magnezyum esaslı biyobozunur kompozitlerin geliştirilmesine yönelik; mekanik bütünlük, aşınma direnci ve korozyon davranışının eş zamanlı olarak kontrol edilmesine dair önemli çıkarımlar sunmaktadır.
Özet (Çeviri)
In this study, the influence of tantalum (Ta) reinforcement on the microstructural evolution, mechanical performance, tribological behavior, and corrosion characteristics of a magnesium–bioglass (Mg–BG) composite system was systematically investigated. A magnesium-based composite containing a fixed 2.5 wt.% bioactive glass (BG) was selected as the base material, following prior optimization studies, and reinforced with varying Ta contents (0, 0.5, 1.5, 3, and 5 wt.%) in order to isolate and clarify the role of tantalum addition. Pure Mg and Mg–2.5BG samples were also fabricated as reference materials. All specimens were produced via powder metallurgy using mechanical mixing followed by hot pressing, enabling precise compositional control and uniform reinforcement incorporation. Microstructural characterization conducted using optical microscopy, scanning electron microscopy (SEM), and energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDS) revealed that BG and Ta particles were preferentially distributed along the grain boundaries of the Mg matrix. X-ray diffraction (XRD) analysis confirmed that the primary hexagonal Mg phase was preserved across all compositions, with no detectable formation of intermetallic phases between Mg and Ta, indicating phase stability and limited chemical interaction during processing. At low and intermediate Ta contents, a relatively homogeneous microstructure was obtained, whereas higher Ta addition (5 wt.%) resulted in localized clustering and reduced microstructural uniformity. Mechanical characterization demonstrated that the incorporation of BG significantly increased the hardness of pure Mg due to the presence of a hard ceramic secondary phase. The addition of Ta further enhanced hardness values at low and intermediate concentrations, with the Mg–2.5BG–3Ta composite exhibiting the highest hardness, corresponding to an approximately 18% improvement compared to pure Mg. However, excessive Ta content led to a slight hardness reduction, attributed to particle agglomeration and potential porosity effects. Tribological performance, evaluated through dry sliding wear tests, showed a strong correlation with hardness trends. The Mg–2.5BG composite displayed improved wear resistance relative to pure Mg, while the introduction of Ta at 0.5–3 wt.% resulted in a pronounced reduction in wear rate, reaching a maximum improvement of approximately 38% for the Mg–2.5BG–0.5Ta composition. SEM observations of worn surfaces indicated that abrasive wear dominated the wear mechanism, with shallower grooves and reduced material removal observed in Ta-reinforced composites. At higher Ta content, wear resistance deteriorated due to microstructural heterogeneity and reinforcement clustering. Electrochemical corrosion testing revealed that BG addition significantly improved the corrosion resistance of Mg, likely due to the formation of protective surface layers associated with bioactive glass. In contrast, Ta incorporation adversely affected the corrosion behavior of the Mg–BG system, with corrosion rates increasing progressively as Ta content increased. This deterioration was attributed to increased microstructural and compositional heterogeneity, which disrupted the protective effect of the BG-containing matrix and promoted localized galvanic activity. Overall, the results demonstrate that tantalum reinforcement can effectively enhance the hardness and wear resistance of Mg–BG composites when added at optimized levels. However, the negative impact of Ta on corrosion behavior highlights the need for careful compositional optimization to balance mechanical performance and biodegradation characteristics. These findings provide valuable insights for the design of magnesium-based biodegradable composites intended for load-bearing biomedical implant applications, where simultaneous control of mechanical integrity, wear resistance, and corrosion behavior is critical.
Benzer Tezler
- Karbon nanotüp takviyeli magnezyum matrisli kompozitlerin üretimi ve karakterizasyonu
Fabrication and characterization of carbon nanotube reinforced magnesium matrix composites
ARİFE EFE
Yüksek Lisans
Türkçe
2015
Mühendislik BilimleriAtatürk ÜniversitesiNanobilim ve Nanomühendislik Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. HARUN MİNDİVAN
- Manufacturing, mechanical and microstructural characterization of AZ91D magnesium alloy for biomedical applications
Biyomedikal uygulamalar için AZ91D magnezyum alaşımının imalatı, mekanik ve mikroyapısal karakterizasyonu
SAİD MURAT KAYHAN
Yüksek Lisans
İngilizce
2015
Mühendislik BilimleriOrta Doğu Teknik ÜniversitesiMühendislik Bilimleri Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ZAFER EVİS
PROF. DR. MUAMMER KOÇ
- Biyomedikal uygulamalar için üretilen alaşımların yüzey özelliklerinin geliştirilmesi
Development of the surface properties of alloys that produced for biomedical applications
ÖZGE ÖZEN
Yüksek Lisans
Türkçe
2019
Mühendislik BilimleriDokuz Eylül ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ ESRA DOKUMACI
- Magnezyum alaşımlarından imal edilen vücut içi implantlar için polimer esaslı kaplamaların geliştirilmesi
Development of polymer-based coatings for the implants made of magnesium alloys
SERHAT ACAR
Yüksek Lisans
Türkçe
2016
Polimer Bilim ve TeknolojisiYıldız Teknik ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. CEM AKÇA
DR. SERAP DERMAN
- Design of functional materials via emulsion templating: Energy and biomedical applications
Emulsiyon kalıplama yöntemiyle fonksiyonel malzeme tasarımı: Enerji ve biyomedikal uygulamalar
DERYA AYDIN
Doktora
İngilizce
2017
BiyomühendislikKoç ÜniversitesiKimya ve Biyoloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. SEDA KIZILEL