Investigation of Mechanical Properties of Ti6Al4V Alloy Foams produced by Powder Metallurgy Method

Abstract

In this study, it was aimed to production titanium alloy implants, which are widely used in the biomedical industry, as foamed materials under different mechanical alloying and sintering conditions using the powder metallurgy method Tİ6Al4V alloy is good mechanical properties, good biocompatibility properties and good corrosion resistance used as hard tissue replacements and implants. Similar mechanic properties with bone are expected from the implant to work coherently for long cycles of use and without any failure. Especially, elastic modulus of implant must be similar with bones, if not, some damages at bone surface and fallowing repeats of implant surgeries are reported. This situation has a destructive effect on health, finance, and comfort of the patient/user of the implant. In this study, powder metallurgy and space holder removal methods were used to produce porous Ti6Al4V specimens. Throughout the project study different space holder materials and binder agents were used. As weight percent, 20%, 30%, 40%, 60%, 70%, 80% porous specimens were pressed at uniaxial press machine, and sintered to the 850 ºC at argon atmosphere in furnace to reduce the oxidation to the level as low as possible. The E-Modulus values of the specimens reached the desired values with increasing porosity. It was obtained as 88 MPa in the specimen with 80% porosity, decreasing inversely proportionally, especially from the 60% porosity rate.

Keywords

• Foam
• Sintering
• Powder metallurgy
• Ti6Al4V
• Implant

Toz metalurjisi Yöntemi ile Üretilen Ti6Al4V Alaşımlı Köpüklerin Mekanik Özelliklerinin İncelenmesi

Abstract

Bu çalışmada biyomedikal endüstrisinde yaygın olarak kullanılan titanyum alaşımlı implantların toz metalurjisi yöntemi kullanılarak farklı mekanik alaşımlama ve sinterleme şartlarında köpüklü malzeme olarak üretilmesi amaçlanmıştır. Ti6Al4V iyi mekanik özellikleri, biyo-uyumluluğu ve iyi korozyon direnci gibi özellikleri sebebiyle sert doku implantları olarak kullanılmaktadır. Kemik dokusu ile çalışacak implant malzemesinin mekanik özelliklerinin kemiğe benzer olması, kemik ve implantın uyumlu ve uzun döngü süreleri boyunca kullanılabilmeleri için tercih edilmektedir. Bilhassa, implantın elastik modülünün kemiğin elastik modülüne yakın olmadığı takdirde, kemiğin zarar gördüğü ve ilişkili ortopedik ameliyat ve operasyonların tekrar edildiği rapor edilmiştir. Bu durum hem ekonomik olarak hem de implant kullanıcısının konforu ve sağlığı açısından yıkıcı etkilere sahip olabilmektedir. Bu çalışmada toz metalurjisi ve boşluk yaratıcı malzemelerin uçurulması prensipleri kullanılarak poroziteli Ti6Al4V numuneleri hazırlanmıştır. Farklı uçucu malzemeler ve bağlayıcılar denenmiştir. Ağırlıkça yüzde porozite miktarları %20, %30, %40, %60, %70, %80 değerlerinde üretilen numuneler tek eksenli sıkıştırma yöntemiyle presslenerek, oksidasyonu en az değere düşürmek amacıyla argon ortamında 850 ºC’ ye kadar sinterlenmiştir. Numunelerin E-Modül değerleri artan porozite ile birlikte istenilen değerlere ulaşmıştır. Özellikle %60 porozite oranından itibaren ters orantılı olarak azalarak %80 poroziteye sahip numunede 88 MPa olarak elde edilmiştir.

Keywords

• Metal Köpük
• Sinterleme
• Toz metalurjisi
• Ti6Al4V
• İmplant

References

1. [1] A. Michael, F. Jones and R.H. David, “Engineering Materials 2” Oxford Pergamon Press. ISBN 0-08-032532-7. Pp.564.1992.
2. [2] İ. Topcu and E. Karaman, "Çok Duvarlı Karbon Nanotüp Takviyeli Düzenli/ Düzensiz Şekilli Ti-6Al-4V Kompozitlerin Aşınma Davranışlarının İncelenmesi", Düzce Üniversitesi Bilim ve Teknoloji Dergisi, c.7, s.3, ss.249-1260, 2019.
3. [3] İ.Topcu and M Ceylan, “Wear behavior of irregular shape Ti6Al4V powder reinforced with carbon nanotubes”, Journal of Ceramic Processing Research, vol.21, no.5, pp.539-546,2020.
4. [4] M. R. Usal , M. Taşlıdere and M. F. Saraç, "Titanyum Karbür (TiC) Takviyeli Epoksi ile Güçlendirilmiş Hibrit Kompozitlerin Çarpma Davranışının Deneysel ve Sayısal İncelenmesi," Düzce Üniversitesi Bilim ve Teknoloji Dergisi, c.8, s.1, ss.18-32, 2020.
5. [5] M. Niinomi and M. Nakai, “Titanium-Based Biomaterials for Preventing Stress Shielding between Implant Devices and Bone”, International Journal of Biomaterials, vol. 2011, no.836587, 2011. doi. 10.1155/2011/836587
6. [6] İ.Topcu, “Karbon Nanotüp Takviyeli Alüminyum Matriksli AlMg/KNT Kompozitlerinin Mekanik Davranışlarının İncelenmesi”, Çanakkale Onsekiz Mart Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Dergisi, sayı 4, no 1, 99-109.2018. https://doi.org/10.28979/comufbed.359796
7. [7] İ.Mutlu, “Sinter-coating method for the production of TiN-coated titanium foam for biomedical implant applications”, Surface and Coating Technology, vol.232, no.15, pp. 396-402, 2013. doi.org/10.1016/j.surfcoat.2013.05.041
8. [8] İ.Topcu and M Ceylan, “Wear behavior of irregular shape Ti6Al4V powder reinforced with carbon nanotubes”, Journal of Ceramic Processing Research, vol.21, no.5, pp.539-546,2020.

9. [9] M. Ashby, A. Evans, N. Fleck, L. Gibson, J. Hutchinson and H. Wadley, “Metal Foams: A Design Guide”, eBook ISBN: 9780080511467, Elsevier Science, Boston, MA, 2000.
10. [10] K. S. Won, J. Hyun-Do, K. Min-Ho, K. Hyoun-Ee, K. Young-Hag and Y. Estrin, “Fabrication of porous titanium scaffold with controlled porous structure and net-shape using magnesium as spacer”, Materials Science and Engineering C, vol. 33, n.5 pp. 2808–281,2013.
11. [11] I. Topcu, “Determination of the mechanical properties of al/mwcnt composites obtained with the reinforcement of cu-coated multiwall carbon nanotubes (MWCNTs)”, Materiali in Tehnologije, vol.54, n.5, pp.689-695,2020.
12. [12] C. Oldani and A. Dominguez, “Titanium as a Biomaterial for Implants,” ISSN. 978-953-307-990-5. pp.628, 2012. doi.10.5772/27413
13. [13] İ. Topcu,B. N. Çetiner, A. N. Güllüoğlu and G. Özkan, “Investigation of Creep Behavior of CNT Reinforced Ti6Al4V Under Dynamic Loads”,J.Chem.Soc.Pak., vol.42, n.1, pp.70-80, 2020.
14. [14] İ.Topcu, M Ceylan and E, B Yilmaz, “Experimental investigation on mechanical properties of Multi Wall Carbon Nanotubes (MWCNT) reinforced aluminium metal matrix composites”, Journal of Ceramic Processing Research, vol.21,n.5, pp.596-601,2021.
15. [15] M. Y. Zakaria, A.B. Sulong, M. I. Ramli and M. R. Raza, “Determination of Critical Powder Loading of Titanium-Hydroxyapatite with Powder Space Holder for Powder Injection Molding Feedstocks”, Journal of Mechanical Engineering,vol. n.1, pp.11-21, 2017.
16. [16] O. Bazaka, K. Bazaka, P. Kingshott, R. J. Crawford and E. P. Ivanova, “Metallic-implant biomaterials”, Materials-Science-and-Engineering-Reports., ch1, pp.98, 2015.
17. [17] A. Mansourighasri, N. Muhamad and A. Sulong."Processing titanium foams using tapioca starch as a space holder" Journal of Materials Processing Technology, vol.212, n.1, pp.83-89,2012
18. [18] İ.Topcu “Investigation of Wear Behavior of Particle Reinforced AL/B4C Composites under Different Sintering Conditions” Journal of Technical Glasnic, vol. 14, n.1, pp. 7-14,2020.
19. [19] M. R. Usal, M. Taşlıdere and M. F. Saraç , "Titanyum Karbür (TiC) Takviyeli Epoksi ile Güçlendirilmiş Hibrit Kompozitlerin Çarpma Davranışının Deneysel ve Sayısal İncelenmesi," Düzce Üniversitesi Bilim ve Teknoloji Dergisi, c.8, s.1, ss.18-32, 2020. doi:10.29130/dubited.606515
20. [20] İ.Topcu “Examination of wear properties of Al/B4C composites reinforced with irregularly shaped B4C” Journal of Ceramic Processing Research vol 22 no 3, pp. 276-282, 2021.