Transformations induites par la déformation dans les alliages métastables à base de Ti-Mo : étude des mécanismes de déformation et application d'un stent cardiovasculaire

Deformation induced transformations in Ti-Mo based metastable alloys : deformation mechanism study and cardiovascular stent application

• Auteur / Autrice : Bingnan Qian
• Direction : Philippe Vermaut
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie Physique
• Date : Soutenance le 11/10/2021
• Etablissement(s) : Université Paris sciences et lettres
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Chimie physique et chimie analytique de Paris Centre (Paris ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de recherche de chimie Paris - Institut de recherche de chimie Paris
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : École nationale supérieure de chimie (Paris)
• Jury : Président / Présidente : Armelle Ringuedé
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Thierry Gloriant, Fan Sun, Emmanuel Bertrand, Mathilde Brocq, Frédéric Prima
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Thierry Gloriant

Mots clés

Mots clés contrôlés

Transformations martensitiques

Biomatériaux

Titane -- Alliages

Mots clés libres

Alliage de titane

Effets TRIP/TWIP

Transformation martensitique

Ω phase

Déformation jumelage

Biomatériaux

Titanium alloy

TRIP/TWIP effects

Martensite transformation

Ω phase

Deformation twinning

Biomaterials

Résumé

Ce travail vise à développer une série d'alliages base titane β métastables pour la fabrication de stents cardiovasculaires. L'alliage Ti-12Mo (wt. %) a attiré notre attention en raison de sa grande résistance mécanique, sa grande ductilité et son écrouissage significatif. Afin de mieux comprendre les mécanismes de déformation de l'alliage Ti-12Mo au cours d’un essai de traction, plusieurs études de caractérisation in-situ, telles que la diffraction des électrons rétrodiffusés (EBSD) en traction, la microscopie électronique à transmission (TEM) en traction et en température, des mesures de résistivité électrique en température, etc., combinées par des calculs théoriques ont été employées. Celles-ci nous ont permis d’étudier les diverses séquences d'évolution de la microstructure au cours de la déformation : les transformations induites par la déformation (maclage {332}<113>β et la transformation martensitique βα″ induite sous contrainte), le mécanisme de sélection des différents modes de transformation, le processus de maclage de la martensite, le mécanisme de sélection des variantes cristallographiques de la martensite. Par ailleurs, un traitement thermique de durcissement court et à basse température (200℃ pendant 60~150s) a été réalisé pour améliorer les propriétés mécaniques en initiant la précipitation de la phase ωiso sans toutefois modifier la composition chimique. La transformation de phase ω et ses effets sur le comportement mécanique et les évolutions de la microstructure de l’alliage ont été soigneusement étudiés et discutés en détail.Deux séries d'alliages métastables transformables par déformation Ti-12Mo-xZr (x=3, 6, 10, wt. %) et Ti-W-Mo-Zr (W =14%~22%, Mo=3%~10%, Zr=0%~6.5%, wt. %) ont été conçues et fabriquées. Leurs propriétés mécaniques et leurs mécanismes de déformation ont été soigneusement étudiés. Parmi eux, les alliages Ti-12Mo-10Zr et Ti-22W-4.5W-6.5Zr combinent une résistance mécanique élevée, un taux d'écrouissage élevé, un excellent allongement plastique uniforme avec une radio-opacité améliorée. Les simulations par éléments finis (FEA) ont été réalisées sur un modèle d'endoprothèse cardiovasculaire en utilisant les caractéristiques des alliages Ti-12Mo-10Zr et Ti-22W-4.5W-6.5Zr, afin d’évaluer leur potentiel pour ce type d’application.

Abstract: This work aims to develop a kind of metastable β titanium alloys applied in cardiovascular stent. Ti-12Mo (wt. %) alloy attracted our attention due to its large strength, large ductility and significant work-hardening effect. In order to further understand the deformation mechanism of Ti-12Mo alloy during tensile process, several in-situ characterization investigations such as electron backscatter diffraction (EBSD) under tensile load, transmission electron microscopy (TEM) under tensile load and heating, isothermal electrical resistivity measurements, etc., combined with theoretical Schmid factor calculations were carried out. These techniques allowed to investigate in details the diverse pathways (deformation mechanism and microstructure evolution sequence) of the deformation-induced transformations ({332}<113>β twinning and stress-induced orthorhombic martensite α″), the selection mechanism of the transformation pathways, the martensite mechanical twinning process, the mechanism of martensite variants selection, and the ω phase transformation. Furthermore, short time and low temperature hardening heat treatment (200℃ for 60~150s) was performed to improve the mechanical properties through controlling the ωiso phase nucleation without detectable modification of the chemical compositions. ω phase transformations and their effects on the mechanical behaviors and microstructure evolutions were carefully investigated and discussed in detail.A set of strain transformable metastable Ti-12Mo-xZr (wt. %) alloys (x=3, 6, 10, wt. %) and Ti-W-Mo-Zr alloys (W =14%~22%, Mo=3%~10%, Zr=0%~6.5%, wt. %) alloys were designed and fabricated. Their mechanical properties and deformation mechanism were carefully studied. Among them, Ti-12Mo-10Zr and Ti-22W-4.5W-6.5Zr alloys were find to present combinations of high strength, high work-hardening rate, excellent uniform plastic elongation and improved radiocapacity. The finite element analysis (FEA) simulations are applied on the cardiovascular stent model of Ti-12Mo-10Zr and Ti-22W-4.5W-6.5Zr alloys, respectively, to evaluate their potential for cardiovascular stent applications.