Caractérisation à l'échelle locale des propriétés superélastiques d'alliages de titane massifs et sous forme de revêtements

Local scale characterisation of the superelastic properties of titanium alloys (bulk and coatings)

• Auteur / Autrice : Hamza Jabir
• Direction : Thierry Gloriant
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences des Matériaux
• Date : Soutenance le 16/11/2018
• Etablissement(s) : Rennes, INSA
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Matière, Molécules Matériaux et Géosciences (Le Mans)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des Sciences Chimiques de Rennes - Institut des Sciences Chimiques de Rennes
• Partenaire(s) de recherche : Comue : Université Bretagne Loire (2016-2019)
• Jury : Président / Présidente : Muriel Vayssade
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Thierry Gloriant, Muriel Vayssade, Grégory Abadias, Philippe Vermaut, Alex Montagne, Amélie Fillon
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Grégory Abadias, Philippe Vermaut

Mots clés

Mots clés contrôlés

Nanoindentation

Propriétés mécaniques

Transformations martensitiques

Revêtements

Titane -- Alliages

Mots clés libres

Superélasticité

Titanium alloys

Coating

Superelasticity

Martensitic transformations

Mechanical properties

Résumé

La superélasticité (SE) est la capacité d'un alliage à recouvrer sa forme initiale après une importante déformation. Cet effet, dû à une transformation martensitique réversible, est très convoité pour de nombreuses applications biomédicales. Les alliages nickel-titane sont les alliages les plus utilisés dans les applications fonctionnelles nécessitant de la SE. Cependant, l'utilisation de cet alliage dans les dispositifs biomédicaux est controversée par la présence du nickel, considéré comme élément cytotoxique et allergène. De ce fait, ces dernières années, une attention accrue a été portée aux alliages de titane [3-métastable pouvant constituer une alternative pour des applications biomédicales. En effet, ils ont l'avantage d'être élaborés à partir d'éléments biocompatibles et de présenter un comportement SE. L'objectif de cette thèse réside ainsi dans l'étude de la réponse SE des alliages de titane [3-métastable à différentes échelles dans leur forme massive et sous forme de revêtements. Deux alliages [3-métastable ont été élaborés: le Ti-27Nb {% at) et le Ti-24Nb-4Zr-4Sn (% mass). Les propriétés SE de ces alliages à l'état massif ont été caractérisées à l'échelle macroscopique et à l'échelle submicrométrique et comparées à celles du NiTi superélastique et du CP-Ti élasto-plastique. La nanoindentation a d'abord été utilisée pour sonder l'effet SE dans ces alliages massifs à l'échelle locale, et dans un deuxième temps, pour étudier l'effet de l'orientation cristallographique sur la réponse SE et mécanique à l'échelle du grain. Enfin, les propriétés mécaniques et SE de ces alliages sous forme de revêtements ont été évaluées avec ce même procédé de nanoindentation.

The superelasticity is the ability of an alloy to recover its original shape after significant deformation. This effect, due to a reversible stress-induced martensitic transformation, is highly sought after for many biomedical applications. Nickel-titanium alloys that have a very large strain recovery (in bulk and thin film state), are the alloys currently used for functional applications requiring superelasticity. However, the use of this alloy in biomedical devices is controversial by the presence of nickel, considered as allergen and presumed cytotoxic for the body. As a result, in recent years, increased attention has been given to metastable f3 titanium alloys, which may be an alternative for biomedical applications. Indeed, they have the advantage of being elaborated from biocompatible elements and exhibit a superelastic behavior. The objective of this thesis lies in the study of the superelastic response of metastable f3 titanium alloys at different scales in bulk and thin film state. Two metastable f3 titanium alloys were elaborated: Ti-27Nb (at%) alloy and Ti-24Nb-4Zr-8Sn (wt %) alloy. The superelastic properties of these two bulk alloys were characterized at macroscopic and sub-micrometric scale and compared to superelastic NiTi and elastoplastic CP-Ti. The nanoindentation was first used to evaluate the superelastic effect of various bulk titanium alloys at local scale, and in a second time, to study the effect of crystallographic orientations on the superelastic and mechanical responses at the grain scale. Finally, the mechanical and superelastic properties of metastable f3 titanium coatings were evaluated with this same nanoindentation process.