Physico-chimie du brasage zircone / titane par l'or pur : mouillage et réactivité interfaciale

Physico-chemistry of zirconia to titanium brazing using pure gold : wetting and interfacial reactivity

• Auteur / Autrice : Marie Fischer
• Direction : Fiqiri Hodaj
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Matériaux, mécanique, génie civil, électrochimie
• Date : Soutenance le 25/03/2022
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ingénierie - matériaux mécanique énergétique environnement procédés production (Grenoble ; 2008-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Science et ingénierie des matériaux et procédés (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : Jean-Michel Missiaen
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Christophe Girardeaux
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Marie-Laurence Giorgi, Luis Filippe Malheiros

Mots clés

Mots clés contrôlés

Réactivité de surface

Mouillage (chimie des surfaces)

Brasage

Mots clés libres

Brasage céramique / métal

Mouillage

Réactivité interfaciale

Ceramic-To-Metal brazing

Wetting

Interfacial reactivity

Résumé

Dans ce travail, nous avons étudié les aspects physico-chimiques de l'assemblage ZrO2 / Ti par brasage pour une application biomédicale (implants cochléaires), avec l'appui de la caractérisation fine (MEB, MEB-FEG, TEM) pour analyser les produits réactionnels.Dans une première partie, nous avons réalisé une étude expérimentale du mouillage et de la réactivité interfaciale des substrats zircone et titane, en mettant en œuvre les techniques de la «goutte posée» et de la «goutte déposée». Tout d'abord, nous avons investigué le mouillage de la zircone par des alliages de brasage réactifs et biocompatibles (Ag-A, Au-Sn-A et Au-A, A étant l'élément actif Ti ou Zr) entre 1066°C et 1270°C. Tous ces alliages permettent un bon mouillage de la zircone. Une étude approfondie a été effectuée avec les alliages Au-xTi (0,6 < x < 4 % massique) puisqu'ils sont les meilleurs candidats pour le brasage zircone / titane en terme de réactivité interfaciale. En effet, la couche réactionnelle TixOy mouillable formée à l'interface zircone / alliage est homogène, continue et fine (0.3 - 4 µm). Ensuite, le mouillage du titane par l'or pur a été étudié entre 1077°C et 1125°C. L'étalement non réactif de l'or sur le titane, observé durant les 10 premières millisecondes, est suivi d'un étalement réactif (dissolution et formation d'un produit réactif à l'interface) beaucoup plus long. Un très bon mouillage est obtenu quel que soit l'état de surface du substrat de Ti (avec ou sans oxyde natif).Dans une seconde partie, le brasage ZrO2 / Ti avec l'or pur a été investigué. Le joint ZrO2 / Au / Ti est créé grâce à la formation de produits réactionnels aux deux interfaces. A l'interface Ti / Au, quatre intermétalliques Ti-Au (Ti3Au, TiAu, TiAu2 and TiAu4) et la solution solide δ-Au sont observés. La dissolution du Ti du substrat et la diffusion de Ti dans Au liquide, conduisent à la formation d'un oxyde TixOy mouillable à l'interface ZrO2 / Au. L'oxygène est fourni par la zircone qui devient sous-stœchiométrique proche du joint. L'effet de plusieurs facteurs tels que l'épaisseur de la brasure, la température de brasage, le temps de maintien et la pression partielle d'oxygène, a été étudié dans le but de proposer des paramètres de brasage optimaux. Cette étude a été complétée par des essais de traction qui ont conduit à une contrainte à rupture moyenne de l'ordre de 56 MPa. Une relation entre la pression partielle d'oxygène dans le four de brasage et le comportement mécanique du joint a été établie expérimentalement pour la première fois.

This work deals with physico-chemical aspects of zirconia-to-titanium joining by brazing for a biomedical application (cochlear implant), mainly supported by microscopy analyses (SEM, FEG-SEM, TEM) of interfacial reaction products.In a first section, we performed an experimental study of wetting and interfacial reactivity of zirconia and titanium substrates, using the «sessile drop» and «dispensed drop» methods. First, wetting of zirconia by the biocompatible active brazing alloys (Ag-A, Au-Sn-A and Au-A, A being Ti or Zr active element) was studied, in the temperature range 1066°C - 1270°C. Zirconia is well wetted by all these selected alloys. A comprehensive study was conducted with the Au-xTi (0.6 < x < 4 wt%) alloys, as they are the best candidates for zirconia-to-titanium brazing in terms of interfacial reactivity. Indeed, the wettable TixOy reaction product layer formed at the ZrO2 / alloy interface is homogeneous, continuous and thin (0.3 - 4 µm). Then, wetting study of titanium substrate with pure gold was performed in the temperature range 1077 - 1125°C. The non-reactive wetting of Au on Ti, observed during the first ten milliseconds, is followed by a much longer reactive spreading stage occurring by dissolution and formation of a reaction product layer at the interface. Good wetting of Ti is obtained, whatever the surface state of the substrate (with or without native oxide).In a second section, ZrO2 / Ti brazing with pure gold was investigated. The joint is created thanks to the formation of reaction products at both interfaces. At Ti / Au interface, four Ti-Au intermetallic compounds (Ti3Au, TiAu, TiAu2 and TiAu4) and the δ-Au solid solution are observed. Ti dissolution and diffusion into liquid Au lead to the formation of a wettable TixOy layer at the ZrO2 / Au interface. Oxygen is provided by zirconia, becoming sub-stoichiometric near the joint. The impact of several factors such as filler metal thickness, brazing temperature, holding time and oxygen partial pressure was investigated in order to propose optimum brazing parameters. This brazing study was supported by tensile tests, leading to an average rupture stress of about 56 MPa. For the first time, a relation between the oxygen partial pressure in the brazing furnace and the mechanical properties of the joint was experimentally established.