Elaboration and characterization of biocompatible Ti-Ta-Nb alloys exhibiting superelasticity and shape memory effect
Elaboration et caractérisation d'alliages biocompatibles Ti-Ta-Nb présentant des propriétés superélastiques et à mémoire de forme
Résumé
Titanium alloys have always overtopped by their excellent biocompatibility. Nowadays, Ti-6Al-4V alloy (Ti 64) is widely used as a bone substitute (hip or knee prosthesis) and the amazing properties of Ni-Ti alloys (superelastic or shape memory effect) are used to design functional devices (stents, orthodontic wires, shape memory clips, etc.) Yet, Ti64's modulus of elasticity is too high compared to bone, that limits osseointegration and decreases service life of prosthesis. Moreover, the additive elements, such as aluminum, vanadium and nickel, are known to be cytotoxic. Metastable beta titanium alloys can be elaborated with biocompatible elements only (tantalum, niobium) and can exhibit a low modulus of elasticity and superelasticity or shape memory effect. Six compositions based on the Ti 25-xNb scheme were elaborated, using the cold crucible levitation technique. The aim of this thesis consisted in establishing a relationship between the microstructures and the mechanical properties of these alloys. Depending on the niobium content, these alloys exhibit an alpha'' martensitic microstructure (associated with a shape memory effect) or a beta grain microstructure (associated with a superelastic effect). All these properties were characterized by numerous techniques including microscopy, X-ray diffraction, tensile tests and dynamic mechanical analysis. The plastic deformation mechanisms that explain their excellent cold-workability were studied by electron backscatterering diffraction and transmission electron microscopy. Two twinning systems, {112}<111> and {332}<113>, were highlighted and the competition between them was assessed, based on a Schmid factor analysis.
Les alliages de titane se sont toujours distingués par leur excellente biocompatibilité. De nos jours, l'alliage Ti 6Al 4V est très utilisé comme substitut osseux (prothèses de hanches, de genou, etc.) et les propriétés exceptionnelles des alliages Ni-Ti (effets superélastique ou mémoire de forme) servent à fabriquer de nombreux dispositifs fonctionnels (stents, fils orthodontiques, agrafes à mémoire de forme, etc.). Cependant, le module d'élasticité du Ti 6Al 4V est trop élevé en comparaison à celui de l'os, ce qui réduit l'ostéointégration et limite la durée de vie des prothèses. De plus, les éléments d'addition utilisés (aluminium, vanadium, nickel) sont reconnus comme étant cytotoxiques. Les alliages de titane beta métastables offrent la possibilité d'élaborer uniquement à partir d'éléments biocompatibles (tantale, niobium) des alliages à bas module d'élasticité et présentant des propriétés superélastiques à mémoire de forme. Six compositions du type Ti 25Ta xNb (mass%) ont été élaborées à l'aide d'un four à induction en semi-lévitation magnétique. Le travail de cette thèse a consisté à établir une relation entre les microstructures obtenues et les propriétés mécaniques de ces alliages. Selon la teneur en niobium, ces alliages passent d'une microstructure composée de martensite alpha'' (avec un effet mémoire de forme) à une microstructure composée de grains beta (avec un effet superélastique). Toutes ces propriétés ont été caractérisées par de nombreuses techniques : microscopie, diffraction des rayons X, essais de traction, analyse mécanique dynamique, etc. Les mécanismes de déformation plastique qui expliquent leur très bonne capacité à être travaillés à froid (glissement, maclage) ont été étudiés par diffraction des électrons rétrodiffusés et microscopie en transmission. Deux systèmes de maclage, {112}<111> et {332}<113>, ont été mis en évidence et un analyse basée sur le critère de Schmid a permis d'évaluer la compétition entre ces deux systèmes.
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