Cu-Ag nano parçacıklar ile mekanik alaşımlandırılmış NiTi alaşımlarının karakterizasyonu

Bu çalışma, biyomedikal uygulamalar için hem mekanik hem de biyolojik açıdan üstün özellikler taşıyan yeni nesil NiTi alaşımlarının geliştirilmesine odaklanmıştır. Günümüzde implant malzemelerinde aranan başlıca özellikler arasında yüksek mekanik dayanım, şekil hafıza etkisi, biyouyumluluk ve uzun ömür yer almaktadır. Bu doğrultuda NiTi alaşımlarına nano parçacık boyutunda element katkıları yapılarak performanslarının artırılması hedeflenmiştir. Ön alaşımlı ve mekanik alaşımlama yöntemiyle üretilen NiTi ve NiTiCuAg alaşımlarında Cu ve Ag nanopartikül katkılarının mikroyapısal, mekanik ve yüzey özelliklerine etkileri incelenmiştir. Toz numuneler, hidrolik pres ile oda sıcaklığında yüksek basınçta sıkıştırma yöntemiyle disk ve silindirik formlara getirilmiş, ardından sinterleme uygulanmıştır. Sinterleme sonrası yoğunluk ölçümlerinde, ön alaşımlı NiTi’de %80, NiTiCuAg disklerde %79; mekanik alaşımlı NiTi’de %81, NiTiCuAg disklerde %76 doluluk oranı elde edilmiştir. FESEM ve EDS analizleri, uygulanan her iki üretim yönteminde de mekanik alaşımlamanın en önemli avantajı olan soğuk kaynağın başarılı gerçekleştiğini ve Cu ile Ag katkılarının homojen dağıldığını göstermiştir. Basma testlerinde NiTiCu₂.₅Ag₁ numunelerin basma gerilmesinin saf küresel NiTi’ye yakın olduğu, ağırlıkça Ag oranının %2,5’e çıkarılmasıyla basma gerilmesi dayanımında %14 azalma olduğu belirlenmiştir. Bulgular incelendiğinde mekanik özellikler ve antibakteriyel etki gözetilerek %1,0 Ag katkısı optimum oran seçilmiştir. DSC analizleri, NiTiCu₂.₅Ag₁ numunelerde 51 °C’de faz dönüşümüne işaret edecek ısıl göstergeler olduğunu ve şekil hafıza potansiyeli taşıdığını ortaya koymuştur. Elektrospin yöntemiyle üretilen PCL+Kolajen nanofiber kaplamalar, NiTi’de ortalama 183 nm, NiTiCuAg’de 199 nm fiber çapına sahip olmuş; FTIR analizleri literatürle uyumlu bulunmuştur. Temas açısı testlerinde NiTiCuAg numuneler daha düşük temas açısı ile implant uygulamalarında avantajlı olan hidrofilik özellik göstermiş, şişme testinde ise kaplanmış disk numunelerde 6 saat sonunda %2,5 oranında hacim artışı gözlenmiştir. Sonuçlar incelendiğinde, %2,5 Cu + %1 Ag katkılı NiTi alaşımının yüksek yoğunluk, dengeli mekanik özellikler, iyi yüzey biyouyumluluğu ve şekil hafıza potansiyeli ile biyomedikal implantlar için güçlü bir aday olduğu görülmüştür.

This study focuses on the development of next-generation NiTi alloys with superior mechanical and biological properties for biomedical applications. Modern implant materials are expected to exhibit high strength, shape memory effect, biocompatibility, and long service life. To enhance these properties, nanoparticle-sized elemental additions were introduced into NiTi alloys. The effects of Cu and Ag nanoparticle additions on the microstructural, mechanical, and surface characteristics of NiTi and NiTiCuAg alloys produced by pre-alloying and mechanical alloying methods were investigated. Powder samples were compacted into disc and cylindrical forms under high pressure at room temperature using a hydraulic press, followed by sintering. Post-sintering density measurements revealed relative densities of 80% for pre-alloyed NiTi, 79% for NiTiCuAg discs, 81% for mechanically alloyed NiTi, and 76% for mechanically alloyed NiTiCuAg discs. FESEM and EDS analyses confirmed the successful occurrence of cold welding, the main advantage of mechanical alloying, and demonstrated homogeneous distribution of Cu and Ag. Compression tests showed that the compressive strength of NiTiCu₂.₅Ag₁ was close to that of pure spherical NiTi, while increasing the Ag content to 2.5 wt.% led to a 14% decrease in compressive strength. Based on the balance between mechanical performance and antibacterial effect, 1.0 wt.% Ag was identified as the optimum content. DSC results further indicated thermal signatures of phase transformation at 51 °C in NiTiCu₂.₅Ag₁, suggesting shape memory potential. As a result of the findings, the NiTi alloy containing 2.5% Cu and 1% Ag exhibited high densification, balanced mechanical properties, favorable surface biocompatibility, and shape memory potential, demonstrating its strong potential as a candidate for biomedical implant applications.