Ti-Nb-(Zr,Ta) superelastic alloys for medical implants : thermomechanical processing, structure, phase transformations and functional properties

Résumé

Le but de ce projet est de développer une nouvelle classe de matériaux d'implants orthopédiques, qui combinerait une excellente biocompatibilité du titane pur avec une compatibilité biomécanique exceptionnelle d'alliages à mémoire de forme Ti-Ni. Les candidats les plus appropriés pour un tel rôle sont les alliages à mémoire de forme Ti-Nb-Zr et Ti-Nb-Ta de type beta métastable. Cette classe de matériaux a été développée tout récemment et l'influence du traitement thermomécanique sur leur structure et leurs propriétés fonctionnelles ne faisaient pas encore objet d'aucune étude approfondie. Par conséquent, ce projet est axé sur les relations entre la composition, la microstructure et les propriétés fonctionnelles des alliages superélastiques Ti-Nb-Zr et Ti-Nb-Ta pour applications biomédicales. L'objectif principal est d'améliorer les propriétés fonctionnelles de ces alliages, plus particulièrement les propriétés superélastiques et la résistance à la fatigue, grâce à l'optimisation de la composition des alliages et de leur traitement thermomécanique. Premièrement, cette thèse prouve que la structure et les propriétés fonctionnelles des alliages à mémoire de forme à base de Ti-Nb peuvent être efficacement contrôlées par un traitement thermomécanique, y compris par la déformation à froid suivie de traitement thermique de recuit et de vieillissement. Il est également démontré que la formation d’une structure nano sous-granulaire mène à une amélioration significative de la superélasticité et de la résistance à la fatigue de ces alliages. L'influence du vieillissement sur la cinétique de précipitation de la phase ω et, par conséquent, sur les propriétés fonctionnelles des alliages Ti-Nb-Zr et Ti-Nb-Ta est également observée. Basant sur les résultats obtenus, les régimes du traitement thermomécanique optimisé résultant en une meilleure combinaison des propriétés fonctionnelles sont recommandés pour chaque alliage, d’un point de vue de matériau pour implants orthopédiques. Deuxièmement, un dispositif de traction miniature pour une étude in situ à basse température dans la chambre d’un diffractomètre à rayons X a été développé et utilisé. Une étude comparative sur les caractéristiques des transformations et de l'évolution du réseau cristallin dans des conditions du contrôle de déformation et de balayage en température entre -150 et +100oC a été réalisée in situ. Les paramètres de la maille cristalline des phases β et α” ont été calculés dans une plage de température étudiée, ce que nous a permis de conclure que plus la température est élevée, plus la déformation qui accompagne la transformation des phases α”→β est faible. On a également constaté que le chargement à basse température mène à la formation additionnelle et la réorientation de la phase α”, tandis que l'application de la charge lors du chauffage modifie la séquence des transformations. L’élargissement et le rétrécissement réversible des pics de la phase β qui sont observées lors du balayage en température sont le résultat direct de l’apparition et de la disparition des micro-contraintes causées par la transformation martensitique thermoélastique réversible.

Date	10 déc. 2013
langue originale	Anglais américain
Établissement diplômant	École de technologie supérieure
Superviseur	Vladimir Brailovski (Directeur(-trice)) & Sergey D. Prokoshkin (Codirecteur(-trice))