Bêta-Bcc et alliages amorphes biocompatibles à base de titane pour les implants

beta-bcc and amorphous Ti-based biocompatible alloys for human body implants

• Auteur / Autrice : Yaofeng Guo
• Direction : Alain Reza Yavari, Konstantinos Georgarakis
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Matériaux, mécanique, génie civil, électrochimie
• Date : Soutenance le 07/04/2014
• Etablissement(s) : Grenoble
• 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, Isère, France ; 2007-....)
• Jury : Président / Présidente : A. Lindsay Greer
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Alain Reza Yavari, Konstantinos Georgarakis
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Gerard Le Caër, Walter Jose Botta

Mots clés

Mots clés contrôlés

Matériaux -- Propriétés mécaniques

Biocompatibilité

Mots clés libres

Implants métalliques

Alliages de titane

Biocompatibilité

Solidification rapide

Propriétés mécaniques

Formation du verre

Metallic implants

Titanium alloys

Biocompatibility

Rapid solidification

Mechanical properties

Glass formation

Résumé

Les implants de corps humain biocompatibles à base de Ti de faible module de Young et sans élèments toxiques sont développés dans deux régimes de matériaux, les alliags cristallins à base de Ti-Nb(-Sn) et les alliages amorphes à base de Ti -Fe -Si. Une série d'alliages à base de Ti-Nb(-Sn) a été synthétisée par une aspiration coulée par la moule de cuivre et soumis à différents traitements thermiques (refroidissement du four ou trempe à l'eau). La microstructure, les propriétés thermiques et mécaniques des échantillons traités telles que la coulée et la chaleur ont été étudiées. On montre que l'addition de Sn augmente la stabilité de la phase β. Les modules de Young de ces alliages ont été également mesurés avec des mesures par ultrasons. Les alliages Ti74Nb26 trempés à l'eau avaient le plus faible module de Young. L'addition de Sn a peu d'impact sur le module de Young des alliages Ti-Nb. Les alliages amorphes à base de Ti- Fe-Si ont été synthétisés par filage à l'état fondu. La capacité de formation des verres, les propriétés thermiques et les propriétés de corrosion des alliages à base de Ti- Fe-Si ont été étudiées. La composition vitreuse a été conçue en fonction de la règle de l'eutectique profond. On a constaté que la région la plus proche du point eutectique ternaire(Ti65Fe30Si5) est une région quasi-cristalline icosaédrique, tandis que le côté plus raide (Si côté riche) de ce point eutectique ternaire est la région de formation de verre. L'effet de L'addition élémentaire mineur (Ge, Pd, Zr) sur la capacité de formation de verre des alliages à base de Ti- Fe-Si a été également étudié. L'observation in situ d'amorphisation des alliages vitreux Ti40Zr10Cu34Pd14Sn2 en faisceau synchrotron a été effectuée. L'alliage a été vitrifié avec succès dans un appareil à sustentation aérodynamique.

The Ti-based biocompatible human body implants of low Young's modulus and without toxic elements are developed in two regime of materials, crystalline Ti-Nb(-Sn) based alloys and amorphous Ti-Fe-Si based alloys. A series of Ti-Nb(-Sn) alloys were synthesized by copper mould suction casting and subjected to different heat treatments (furnace cooling or water quenching). The microstructure, thermal and mechanical properties of the as-cast and heat treated samples were investigated. It is shown that the addition of Sn increases the stability of the β phase. The Young's moduli of these alloys were also measured by ultrasonic measurements. Water-quenched Ti74Nb26 alloy was found to exhibits the lowest Young's modulus. Sn addition has little impact on the Young's moduli of the TiNb alloys. The Ti-Fe-Si based amorphous alloys were synthesized by melt spinning. The glass forming ability, thermal properties and corrosion properties of Ti-Fe-Si based alloys were investigated. The glassy compositions were designed according to the deep eutectic rule. It was found that the region near ternary eutectic point (Ti65Fe30Si5) is an icosahedral quasicrystal forming region, whereas the steeper side (Si rich side) of this ternary eutectic point is the glass forming region. Effect of minor elemental addition (Ge, Pd, Zr) on glass forming ability of the Ti-Fe-Si based alloys was also studied. The in situ observation of amorphization of Ti40Zr10Cu34Pd14Sn2 glassy alloy in synchrotron beam was conducted. The alloy was successfully vitrified in an aerodynamic levitation apparatus.