Etude de la transformation martensitique et des propriétés superélastiques d'alliages de titane du systèmes Ti-NB-X (X=O,N,Si)

Study of martensitic transformation and superelastic properties of Ti Nb-X (X= O, N, Si) titanium alloys

• Auteur / Autrice : Andry Ramarolahy
• Direction : Thierry Gloriant, Philippe Castany
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Discipline Informatique
• Date : Soutenance en 2012
• Etablissement(s) : Rennes, INSA
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la matière (Rennes ; 1996-2016)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Titane -- Alliages

Métaux

Résumé

De nos jours, les alliages de titane sont très utilisés dans le domaine des biomatériaux à cause de leur excellente résistance à la corrosion ainsi que leur bon rapport densité propriétés mécaniques. Par exemple, l’alliage Ti 6Al-4V est l’alliage le plus utilisé pour la réalisation de prothèses orthopédiques, d’une part et les alliages Ti-Ni sont utilisés pour la fabrication de nombreux dispositifs fonctionnels (stents, fils orthodontiques, agrafes d’ostéosynthèses etc…), d’autre part. Cependant, l’utilisation à long terme de ces deux types d’alliages est remise en question à cause de la présence de certains éléments (Al, V et Ni) considérés comme cytotoxiques et/ou allergènes. De plus, le module d’élasticité de l’alliage Ti 6Al-4V (110 MPa), habituellement utilisé comme substitut osseux, est très élevé par rapport à celui de l’os (20 à 30 MPa). Cette différence de raideur peut réduire l’ostéointégration et limiter la durée de vie des implants en service. Des études récentes ont montré que les alliages de titane  métastables à base de Ti-Nb peuvent présenter les mêmes propriétés spécifiques que les alliages Ti-Ni, à savoir la superélasticité et l’effet mémoire de forme. De plus, les éléments qui composent cette famille d’alliage sont parfaitement biocompatibles. Il a aussi été rapporté que ces propriétés mécaniques spécifiques sont modulables en fonction de la composition chimique. Cinq compositions d’alliages du système Ti-Nb-X (Ti 24Nb, Ti 27Nb, Ti-24Nb-0,5N, Ti-24Nb-0,5O et Ti 24Nb-0,5Si) ont été élaborées par fusion en semi lévitation magnétique lors de ce travail de thèse. L’objectif a consisté à étudier l’effet de l’ajout d’éléments d’addition (O, N ou Si) sur les propriétés mécaniques spécifiques des alliages binaires Ti-Nb. La transformation martensitique entre la phase mère  (austénite) et la phase fille ’’ (martensite), responsable de ces propriétés spécifiques, a fait l’objet d’une étude approfondie dans ce travail de thèse. Les températures caractéristiques de cette transformation ont été notamment déterminées lors des analyses mécaniques dynamiques réalisées sur les cinq compositions. De plus, des essais de traction in situ sous rayonnement X synchrotron ont été réalisés pour étudier finement la transformation martensitique sous contrainte des alliages à propriétés superélastiques.

Nowadays, titanium alloys are extensively used as biomaterials because of their excellent corrosion resistance and their interesting density-mechanical properties ratio. For instance, Ti 6Al 4V is the most used alloy for orthopedic prostheses and Ti-Ni is used for many functional devices like stents, orthodontic wires, osteosynthesis staples etc… However, Al, V and Ni alloying elements are considered to be cytotoxic and/or allergen for a long-term use. Moreover, Ti-6Al-4V alloy is usually used as osseous substitute but its elastic modulus (110 MPa) remains very high compared to the bones one (20 to 30 MPa). This difference in stiffness can drastically reduce osteointegration and implants service life. Recent studies have shown that Ti-Nb based metastable titaniumalloys can display the same specific properties than Ti-Ni alloys, namely superelasticity and shape memory effect. Moreover, these alloying elements are proved to be perfectly biocompatible. It has also been reported that these specific mechanical properties can be adjusted through chemical composition choice. In the framework of this PhD thesis, five alloys compositions among the Ti-Nb-X system (Ti-24Nb, Ti-27Nb, Ti-24Nb-0,5N, Ti-24Nb-0,5O and Ti-24Nb-0,5Si) have been synthetized by means of cold crucible levitation melting technique. The aim of this work was to study the alloying effect of three elements (O, N or Si) on specific mechanical properties of Ti-Nb binary alloys. Martensitic transformation between the parent phase (austenite) and the ’’ product phase (martensite), responsible for these specific properties, has been extensively studied during this work. Characteristic temperatures of this transformation have notably been assessed by dynamic mechanical analysis on these five compositions. Moreover, in situ tensile tests under X-ray synchrotron diffraction have been performed to characterize precisely the stress-induced martensitic transformation of superelastic alloys.