Alliages transformables à base de zirconium pour applications biomédicales et conditions extrêmes

par Junhui Tang

Projet de thèse en Sciences et génie des matériaux

Sous la direction de Philippe Vermaut.

Thèses en préparation à l'Université Paris sciences et lettres , dans le cadre de Ecole doctorale Ingénierie des Systèmes, Matériaux, Mécanique, Énergétique (Paris) , en partenariat avec Institut de Recherche de Chimie Paris (laboratoire) , Métallurgie Structurale (MS) (equipe de recherche) et de École nationale supérieure de chimie (Paris) (établissement opérateur d'inscription) depuis le 08-03-2021 .


  • Résumé

    L'intérêt pour les matériaux en zirconium n'a cessé d'augmenter en raison de leur combinaison de propriétés telles qu'une densité élevée, une faible susceptibilité magnétique, une excellente compatibilité bio- / hémo- / IRM et une résistance élevée à la corrosion. Cependant, parmi les alliages Zr appliqués pour l'industrie nucléaire, les inconvénients de faible ductilité, de manque d'écrouissage et de transformations martensitiques difficiles à contrôler, perturbent encore leurs emplois dans des applications biomédicales spéciales, à savoir les implants cardiovasculaires (stent), devant les aciers conventionnels et Alliages Co-Cr. La nouvelle génération de stents à expansion par ballonnet nécessite des matériaux transformables à base de Zr qui possèdent une ductilité supérieure, une trempabilité sous contrainte et une excellente ténacité à la fracture. Pour cette raison, les études sur les transformations de déformation dans les matériaux à base de Zr deviennent l'un des sujets les plus essentiels pour le développement de nouveaux matériaux, à focaliser sur le comportement plastique (TRIP / TWIP). La formation de phase martensitique, de l'austénite à la martensite en une ou plusieurs étapes, peut être activée par une contrainte ou une déformation mécanique après avoir atteint la contrainte de cisaillement résolue critique (CRSS) de la transformation martensitique. L'effet de mémoire de forme associé à la superélasticité présente un CRSS inférieur au matériau cédant une contrainte pour induire une déformation réversible de forme et de microstructure. Le contrôle de la transformation martensitique est un processus multifactoriel, influencé par la composition chimique, les défauts microstructuraux et l'histoire thermomécanique, encore mal compris pour une préparation industrielle appropriée en termes de fiabilité et de reproductibilité. La première étape du projet de doctorat se concentrera sur cette question pour clarifier le mécanisme de transformation basé sur l'alliage modèle de plasticité induite par jumelage (TWIP) basé sur Zr-Nb et pour transférer les connaissances pour la deuxième étape: le développement de nouveaux alliages Zr transformables en déformation. La stratégie dédiée à la 2ème étape sera basée sur la plasticité induite par la transformation (TRIP), c'est-à-dire CRSS> limite d'élasticité. L'optimisation attendue des propriétés mécaniques peut être obtenue en contrôlant la métastabilité de la matrice β grâce à sa composition chimique qui influence fortement la température Ms et le CRSS. Plusieurs transformations de phase induites par la déformation, c'est-à-dire la phase ω, la précipitation des phases α et α '', pourraient être activées dans différentes conditions de contrainte (vitesse de déformation, température, etc.) dans certains alliages Zr spécifiques. Ces mécanismes peuvent être activés dans des alliages conçus présentant un allongement uniforme important, une résistance élevée et un fort comportement d'écrouissage. Plusieurs preuves de concepts ont été préparées pour le projet de doctorat lors des recherches préliminaires du laboratoire. Dans ces résultats, des effets combinés TRIP et TWIP ont été observés activés dans l'alliage β métastable modèle Zr-Nb. Il a suggéré que le jumelage induit par la contrainte était responsable d'un effet d'écrouissage considérable, entraînant une vitesse d'écrouissage sans précédent. Par conséquent, la clé pour comprendre les performances exceptionnelles est l'évolution de la microstructure liée au jumelage mécanique et à la transformation martensitique. L'interface, l'auto-hébergement et l'effet de renforcement seront les principaux sujets scientifiques du projet de doctorat.

  • Titre traduit

    Zirconium based strain transformable alloys for biomedical applications and extreme conditions


  • Résumé

    The interest for zirconium materials has been continuously increasing due to their combination of properties such as high density, low magnetic susceptibility, excellent bio-/hemo-/MRI- compatibilities and high corrosion resistance. However, among the applied Zr alloys for nuclear industry, drawbacks of low ductility, lack of strain-hardening and difficult to control martensitic transformations, still trouble their employments in special biomedical applications, i.e. cardiovascular implants (stent), in front of conventional steels and Co-Cr alloys. The new generation of balloon-expanding stents requires Zr-based transformable materials which possess superior ductility, strain-hardenability and excellent fracture toughness. For this reason, the studies on strain-transformations in Zr-based materials become one of the most essential subjects for the new material development, to be focused on plastic behavior (TRIP/TWIP). The martensitic phase formation, from austenite to martensite in one-step or multi-step, can be activated by mechanical stress or strain after reaching the critical resolved shearing stress (CRSS) of the martensitic transformation. The shape memory effect associated with superelasticity exhibits a CRSS lower than material yielding stress to induce reversible deformation of shape and of microstructure. The control of the martensitic transformation is a multi-factor process, influenced by chemical composition, microstructural defects and thermal-mechanical history, still not being fully understood for appropriate industrial readiness in terms of reliability and reproducibility. The first stage of the PhD project will focus on this issue to clarify the transformation mechanism based on the Zr-Nb based twinning induced plasticity (TWIP) model alloy and to transfer the knowledge for second stage: development of new strain-transformable Zr alloys. The strategy dedicated to the 2nd stage will be based on transformation induced plasticity (TRIP), i.e. CRSS > yielding stress. The expected optimization of mechanical properties can be achieved when controlling the metastability of the β matrix through its chemical composition that strongly influences the Ms temperature and CRSS. Several deformation-induced phase transformations, i.e. ω phase, α and α'' phase precipitation, could be activated under different stress conditions (strain rate, temperature, etc.) in some specific Zr alloys. These mechanisms can be activated in designed alloys exhibiting large uniform elongation, high strength and strong strain hardening behavior. Several proof-of-concepts have been ready for the PhD project during the preliminary researches of the laboratory. In these findings, combined TRIP and TWIP effects were observed activated in the Zr-Nb model metastable β alloy. It suggested that the stress-induced twinning was responsible for considerable strain-hardening effect, resulting in unprecedented strain-hardening rate. Therefore, the key to understand the outstanding performance is mechanical twinning and martensitic transformation related microstructure evolution. The interface, self-accommodation and strengthening effect will be the main scientific subjects for the PhD project.