Measurement of important tribocorrosion properties of titanium implant and assessment with digital image processing

Abstract

Titanium implants are mechanical systems where tribocorrosion is frequently observed at the interface between the implant and the abutment alloy. In this paper, important parameters in terms of tribocorrosion such as abrasion coefficient, abrasion volume loss and corrosion rate were determined experimentally in a laboratory environment by preparing a sufficient number of samples obtained from the field for this material (Titanium-Ti6Al4V), which is actively used in surgeries. Comprehensive analysis of these mechanical systems in body-like environments contributes to a better understanding of the material loss caused by abrasion and corrosion interactions occurring at the interface between the implant and the abutment alloy. The samples were subjected to dry sliding wear with the pin-on-disc system in accordance with the relevant standards for a certain number of cycles, during which abrasion volume loss and friction coefficient were measured simultaneously. The results of these experiments were examined to evaluate the degree to which titanium is resistant to material loss due to abrasion and corrosion in body implants. It was found that the abrasion coefficient decreased by 51% when 10 N load was applied by 22% when 20 N load was applied, and by 2% when 30 N load was applied. The samples screws were exposed to 15% more corrosive abrasion and it was found that they had 6% higher corrosion rate in electrochemical corrosion test. Additionally, the morphological features of the abraided and corroded surfaces of Ti6Al4V alloy were analyzed and interpreted using scanning electron microscopy (SEM) and digital image processing techniques.

Keywords

• Titanium
• Abrasion
• Corrosion
• Tribocorrosion
• Digital image processing
• Artificial body fluid.

Titanyum implantının önemli tribokorozyon parametrelerinin ölçümü ve sayısal görüntü işleme ile değerlendirilmesi

Öz

Titanyum implantlar, implant ile abutment alaşımı arasındaki arayüzde tribokorozyonun sıklıkla görüldüğü mekanik sistemlerdir. Bu çalışmada, cerrahide aktif olarak kullanılan bu malzeme (Titanyum-Ti6Al4V) için sahadan elde edilen yeterli sayıda numune hazırlanarak, aşınma katsayısı, aşınma hacim kaybı ve korozyon hızı gibi tribokorozyon açısından önemli parametreler laboratuvar ortamında deneysel olarak belirlenmiştir. Bu mekanik sistemlerin vücut benzeri ortamlarda kapsamlı analizi, implant ile abutment alaşımı arasındaki arayüzde oluşan aşınma ve korozyon etkileşimlerinin neden olduğu malzeme kaybının daha iyi anlaşılmasına katkıda bulunmaktadır. Numuneler, ilgili standartlara uygun olarak belirli sayıda çevrim boyunca pim-disk sistemi ile kuru kayma aşınmasına tabi tutulmuş ve bu esnada aşınma hacim kaybı ve sürtünme katsayısı eş zamanlı olarak ölçülmüştür. Bu deneylerin sonuçları, titanyumun vücut implantlarında aşınma ve korozyona bağlı malzeme kaybına karşı ne kadar dirençli olduğunu değerlendirmek için incelenmiştir. Aşınma katsayısının 10 N yük uygulandığında %51, 20 N yük uygulandığında %22 ve 30 N yük uygulandığında %2 azaldığı tespit edilmiştir. Numune vidalar %15 daha fazla korozif aşınmaya maruz kalmış ve elektrokimyasal korozyon testinde %6 daha yüksek korozyon oranına sahip oldukları tespit edilmiştir. Ek olarak, Ti6Al4V alaşımının aşınmış ve korozyona uğramış yüzeylerinin morfolojik özellikleri, taramalı elektron mikroskobu (SEM) ve dijital görüntü işleme teknikleri kullanılarak analiz edilmiş ve yorumlanmıştır.

Anahtar Kelimeler

• Titanyum
• Aşınma
• Korozyon
• Tribokorozyon
• Dijital görüntü işleme
• Yapay vücut sıvısı

References

1. [1] Ünal E, Karaca F. “Ti-6AI-4V alaşımının dik işlem merkezli CNC tezgahında işlenebilirliğinin araştırılması”. Fırat Üniversitesi Doğu Araştırmaları Dergisi, 6(1), 135-139, 2007.
2. [2] Taş AC. “Synthesis of biomimetic Ca-hydroxyapatite powders at 37 °C in synthetic body fluids”. Biomaterials, 21(14), 1429-1438, 2000.
3. [3] Kazancıoğlu H, Kılıç S, Ak G. "Titanyum dental implantlarda korozyon". Atatürk Üniversitesi Diş Hekimliği Fakültesi Dergisi, 24(8), 82-87, 2015.
4. [4] Luo Y, Jiang H, Cheng G, Liu H. “Effect of carburization on the mechanical properties of biomedical grade titanium alloys”. Journal of Bionic Engineering, 8, 86-89, 2011.
5. [5] Irmak E, Uğurlu B, İncesu A. “Investigation of tribocorrosion properties of titanium implant used in orthopedics”. 2022 Medical Technologies Congress (TIPTEKNO), Antalya, Türkiye, 31 October-02 November 2022.
6. [6] Rosenfeld A. Picture Processing by Computer. 1st ed. New York, Academic Press, 1969.
7. [7] Şap B, Şap E, Kırık İ. “Titanyum ve alaşımlarının biyomalzeme olarak kullanılması”. III. Uluslararası Battalgazi Bilimsel Çalışmalar Kongresi, Malatya, Türkiye, 21-23 Eylül 2019.
8. [8] Urtekin L, Keleş Ö. “Biyomedikal Uygulamalar İçin TiN Kaplı Ti6Al4V Alaşımının Mekanik Özelliklerinin Araştırılması”, Savunma Bilimleri Dergisi, 18(36), 91-108, 2019.

9. [9] Gökdemir Y. Saf Titanyum ve Ti6AL4V Alaşımının Yüksek Sıcaklıkta Oksidasyon Davranışı. Yüksek Lisans Tezi, İstanbul Teknik Üniversitesi, İstanbul, Türkiye, 2005.
10. [10] Vurat MT. Titanyum İmplant Uygulamalarına Yönelik Osteojenik Yüzey Nanokaplamalarının Geliştirilmesi, Yüksek Lisans Tezi, Ankara Üniversitesi, Ankara, Türkiye, 2016.
11. [11] Yıldız H. Biyomedikal uygulamalarda kullanılan Ti6Al4V alaşımının yüzey modifikasyonu ve in vitro biyoaktivitesinin incelenmesi, Yüksek Lisans Tezi, Yıldız Teknik Üniversitesi, İstanbul, Türkiye, 2010.
12. [12] Memu F. Katmanlı İmalat Yöntemiyle Ti-6AI-4V Alaşımının Mekanik Özelliklerinin İncelenmesi, Yüksek Lisans Tezi, TOBB Ekonomi ve Teknoloji Üniversitesi, Ankara, Türkiye, 2019.
13. [13] Özkan O. Saf Titanyum (CP-Ti) ve Titanyum Alaşımının (Ti-6AI-4V) Yüzey Özelliklerinin Geliştirilmesi, Yüksek Lisans Tezi, Bilecik Şeyh Edebali Üniversitesi, Bilecik, Türkiye, 2019.
14. [14] Arslan Ş. Ti6al4v Titanyum Alaşımının Lazer Kaynak Kabiliyeti ve Biyoaktivite Özelliklerinin İncelenmesi, Yüksek Lisans Tezi, Karabük Üniversitesi, Karabük, Türkiye, 2020.
15. [15] Ateş G. Ti6Al4V Titanyum Alaşımının İç Yapısı ve Yüzey Özellikleri Üzerine Termokimyasal İşlem Parametrelerinin Etkisi, Yüksek Lisans Tezi, Süleyman Demirel Üniversitesi, Isparta, Türkiye, 2018.
16. [16] Kaplan Y. İmplant Yapımında Kullanılan Ti6Al4V Titanyum Alaşımının Mekanik Özelliklerine ve Biyouyumluluğuna Borlama İşleminin Etkisi, Doktora Tezi, Pamukkale Üniversitesi, Denizli, Türkiye, 2017.
17. [17] Turan ME, Aydin F. “Wear and corrosion properties of low-cost eggshell-reinforced green AZ91 matrix composites”. Canadian Metallurgical Quarterly, 61(2), 155-171, 2022.
18. [18] Uçurum M, Güneşsu E, Şirin TB, Kaynak Y. “Farklı kesme parametreleriyle işlenmiş 316LVM paslanmaz çelik malzemesinin talaşlı imalat-yüzey bütünlüğü-aşınma direnci arasındaki ilişkinin incelenmesi”. Pamukkale Üniversitesi Mühendislik Bilimleri Dergisi, 27(4), 449-457, 2021.
19. [19] Ünlü BS, Köksal S, Atik E, Meriç C. “CuSn10 yatak malzemesinin tribolojik özelliklerinin incelenmesi”. Pamukkale Üniversitesi Mühendislik Bilimleri Dergisi, 11(1), 41-45, 2005.
20. [20] Irmak E, Erçelebi E, Ertaş AH. “Brain tumor detection using monomodal intensity based medical image registration and MATLAB”. Turkish Journal of Electrical Engineering and Computer Sciences, 24(4), 2730-2746, 2016.
21. [21] Candemir D, Karacif K, Kartal L. “Investigation of the corrosion properties of AA5754 aluminum alloy coated with graphene oxide by the electrophoretic deposition method”. Pamukkale Üniversitesi Mühendislik Bilimleri Dergisi, 30(1), 10-16, 2024