Tribology of Ti-6AI-4V and DLC coating in fretting : applications to stem/neck contact of modular hip implant
Tribologie du Ti-6AI-4V et d'un revêtement DLC en fretting : applications au contact tige/col dans les prothèses de hanches modulaires
Résumé
The use of modular neck adapter when placing a total hip prosthesis introduces a new interface, between the femoral stem and the neck adapter, which is propitious to fretting damage during walking. Ti–6Al–4V alloy has been widely used in neck adapters and femoral stems. However, the Ti–6Al–4V / Ti–6Al–4V contacts present high friction and severe adhesive wear under fretting conditions. Diamond-like carbon (DLC) coatings have been widely used as protective coatings for metallic parts. Thus, they can be introduced into Ti–6Al–4V neck adapter / Ti–6Al–4V femoral stem contacts.The objective of this thesis is to investigate the tribological behaviors of DLC coating and Ti–6Al–4V alloy under fretting conditions for application to neck adapter / femoral stem contact. Fretting tests are conducted with a cylinder / flat contact under different values of displacement amplitude (±20 µm, ±40 µm, and ±70 µm) and normal force (between 200 N and 1 200 N). Furthermore, the effects of different DLC coatings (DLC A and DLC B), different surface roughness (smooth and rough), different coating positions (coating on the flat, on the cylinder, and on both surfaces), different environments (laboratory air and calf serum) are analyzed. Besides, the origin of low friction of Ti–6Al–4V / DLC coating contact is explored. The mechanical properties of tribofilm formed on the rubbed Ti–6Al–4V surface is studied.For fretting tests without coating (Ti–6Al–4V / Ti–6Al–4V contact) under laboratory air condition, the friction coefficient is high, between 0.8 and 1.2. The wear volume increases with the displacement amplitude. For fretting tests with coating, Ti–6Al–4V can be well protected under relatively low load conditions. The friction coefficient is low (around 0.2) and the wear volume is small. Under high load conditions, the coating is almost totally removed. The friction and wear volume are similar to tests without coating. The harder coating (DLC A) has better tribological property than DLC B. The coating on the smooth surface exhibits better fretting performance than on the rough surface. Coating on a cylindrical surface shows better tribological performance than on a flat surface. The DLC coating is damaged more severely when it slides against a DLC coating than against the uncoated Ti–6Al–4V alloy. The coating performs better under the serum condition than under the laboratory air condition. A tribofilm is formed on the rubbed Ti–6Al–4V surface when sliding against a DLC coating under low load conditions. The tribofilm shows higher hardness, higher Young’s modulus, higher compression modulus, higher yield strength than the Ti–6Al–4V alloy. A tribological model is proposed for tribofilm formation and explanation of origin of low friction, by in-depth analysis of contact surfaces, on mechanical and chemical points of view.
L’utilisation d’un col modulaire lors de la pose d’une prothèse totale de hanche introduit une nouvelle interface, entre la tige et le col, qui est susceptible de s’endommager par fretting lors de la marche. L’alliage Ti–6Al–4V est très largement utilisé pour les tiges et les cols. Cependant, les contacts Ti–6Al–4V / Ti–6Al–4V présentent un frottement élevé et une forte usure adhésive dans les conditions de fretting. Les revêtements DLC (diamond-like carbon) ont été largement utilisés comme revêtements protecteurs pour les pièces métalliques. Ainsi, ils peuvent être introduits dans les contacts entre la tige en Ti–6Al–4V et le col en Ti–6Al–4V. L’objectif de cette thèse est d’étudier les comportements tribologiques du revêtement DLC et de l’alliage Ti–6Al–4V dans les conditions de fretting pour application au contact entre la tige et le col. Les essais de fretting sont menés avec un contact cylindre sur plan sous différentes valeurs d’amplitude de déplacement (± 20 μm, ± 40 μm, et ± 70 μm) et de force normale (entre 200 N et 1 200 N). En outre, les effets de différents revêtements (DLC A et DLC B), différentes rugosités de surface (lisse et rugueuse), différentes positions de revêtement (revêtement sur le plan, sur le cylindre et sur les deux surfaces), différents environnements (dans l’air et dans le sérum de veau) sont analysés. Par ailleurs, l'origine du faible frottement du contact entre Ti–6Al–4V et revêtement DLC est explorée. Les propriétés mécaniques du tribofilm formé sur la surface de Ti–6Al–4V frottée sont également étudiées.Pour les tests de fretting sans revêtement (contact Ti–6Al–4V / Ti–6Al–4V) dans l’air, le coefficient de frottement est élevé, entre 0.8 et 1.2. Le volume d’usure croît avec l’amplitude de déplacement. Pour les tests avec revêtement, le Ti–6Al–4V peut être bien protégé, sous des charges relativement faibles. Le coefficient de frottement (d’environ 0,2) et le volume usé sont faibles. Sous fortes charges, le revêtement est presque totalement éliminé. Le frottement et le volume d'usure sont similaires à ceux des essais sans revêtement. Le revêtement plus dur (DLC A) a de meilleures propriétés tribologiques que le DLC B. Le revêtement sur la surface lisse présente une meilleure performance en fretting que sur la surface rugueuse. Le revêtement sur une surface cylindrique présente une meilleure performance tribologique que sur une surface plane. Le revêtement DLC est plus endommagé lorsqu'il glisse contre un revêtement DLC que contre du Ti–6Al–4V non revêtu. Le revêtement fonctionne mieux en présence de sérum que dans l’air. Un tribofilm est formé sur la surface de Ti–6Al–4V frottée lorsqu'il glisse contre un revêtement DLC sous de faibles charges. Le tribofilm présente une dureté plus élevée, un module de Young plus élevé, un module de compression plus élevé, une limite d'élasticité plus élevé que l’alliage Ti–6Al–4V. Un modèle tribologique est proposé pour la formation du tribofilm et l'explication de l'origine du faible frottement, par une analyse approfondie des surfaces de contact, sur les points de vue mécaniques et chimiques.
Origine : Version validée par le jury (STAR)
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