N° d’ordre : D 05 - 20 THESE présentée devant l’Institut National des Sciences Appliquées de Rennes En vue de l’obtention du Doctorat de Sciences des Matériaux – option Métallurgie Par Gwénaël TEXIER
Elaborations et caractérisations micro et nanostructurales d’alliages à base de titane à destination biomédicale. Directeurs de thèse : Thierry Gloriant Denis Ansel
Soutenue le 8 décembre 2005 devant le jury constitué de: Président du jury : A. L. Greer Professeur, Université de Cambridge Rapporteurs : E. Gautier Directeur de Recherche CNRS, Ecole des Mines de Nancy Y. Champion Chargé de Recherche CNRS, CECM Vitry sur Seine Examinateurs : F. Danoix Chargé de Recherche CNRS, Université de Rouen T. Gloriant Maître de Conférence, INSA de Rennes D. Ansel Professeur, INSA de Rennes
Travail effectué au sein du Groupe de Recherche en Chimie – Métallurgie Remerciements.
Ce travail de thèse a été effectué au sein du Groupe de Recherche en Chimie – Métallurgie de l’INSA de Rennes. Je tiens tout d’abord à remercier le Professeur Denis Ansel pour m’avoir accueilli, conseillé et encadré tout au long de ce travail au sein du laboratoire. Merci aussi a Thierry Gloriant pour m’avoir encadré et aidé avec constance et efficacité tout au long de mon séjour au laboratoire. Je remercie vivement le Professeur A. L. Greer pour avoir présidé le jury de ma thèse et pour l’intérêt qu’il a porté à mon travail. me rQue M E. Gautier et M Y. ...
N° d’ordre : D 05 - 20
THESE
présentée
devant l’Institut National des Sciences Appliquées de Rennes
En vue de l’obtention du
Doctorat de Sciences des Matériaux – option Métallurgie
Par Gwénaël TEXIER
Elaborations et caractérisations
micro et nanostructurales d’alliages à base de titane à
destination biomédicale.
Directeurs de thèse :
Thierry Gloriant
Denis Ansel
Soutenue le 8 décembre 2005 devant le jury constitué de:
Président du jury :
A. L. Greer Professeur, Université de Cambridge
Rapporteurs :
E. Gautier Directeur de Recherche CNRS, Ecole des Mines de Nancy
Y. Champion Chargé de Recherche CNRS, CECM Vitry sur Seine
Examinateurs :
F. Danoix Chargé de Recherche CNRS, Université de Rouen
T. Gloriant Maître de Conférence, INSA de Rennes
D. Ansel Professeur, INSA de Rennes
Travail effectué au sein du Groupe de Recherche en Chimie – Métallurgie
Remerciements.
Ce travail de thèse a été effectué au sein du Groupe de Recherche en
Chimie – Métallurgie de l’INSA de Rennes.
Je tiens tout d’abord à remercier le Professeur Denis Ansel pour m’avoir
accueilli, conseillé et encadré tout au long de ce travail au sein du laboratoire.
Merci aussi a Thierry Gloriant pour m’avoir encadré et aidé avec constance
et efficacité tout au long de mon séjour au laboratoire.
Je remercie vivement le Professeur A. L. Greer pour avoir présidé le jury de
ma thèse et pour l’intérêt qu’il a porté à mon travail.
me rQue M E. Gautier et M Y. Champion trouvent ici l’expression de ma
sincère gratitude pour avoir accepté d’être les rapporteurs de cette thèse, ainsi
rque M F. Danoix pour l’intérêt qu’ils ont porté à mon travail et pour avoir bien
voulu l’examiné.
Je voudrais aussi témoigner ma gratitude à Frédéric Prima (ENSCP) avec qui
collaborer a toujours été un réel plaisir, ainsi qu’à M. D. Nagel (UTC) pour son aide
concernant l’étude de biocompatibilité et J. L. Soubeyroux (CRETA - ILL) pour la
diffraction des neutrons en température.
Ce travail n’aurait pas pu être réalisé sans l’aide de nombreuses personnes
ingénieurs et techniciens, qui m’ont formé à toutes les techniques dont j’ai eu
besoin et qui m’ont fait partager leurs connaissances. Mais je tiens à témoigner ma
gratitude particulièrement à Elodie Sungauer et Denis Laillé pour l’aide qu’ils m’ont
apporté au cours de leurs stages.
Mes remerciements vont aussi à toutes les personnes du laboratoire (Doïna,
Isabelle, Sandrine, Annie, Josiane, Denis, Erwan, Michel, Laurent, Jean Pierre,
Alain, …) ainsi qu’aux stagiaires de passage au laboratoire qui ont contribué
pleinement par leur sympathie. Leur disponibilité à créer un cadre de travail
extrêmement agréable dont je garderai un excellent souvenir.
Table des matières
Introduction générale ____________________________________________ 1
Chapitre I : Le titane et ses alliages _________________________________ 7
I.1. Introduction _______________________________________________________ 9
I.2. Le titane et ses alliages ______________________________________________ 9
I.2.1. Le titane pur ___________________________________________________ 9
I.2.2. Les alliages de titane 11
I.2.2.1. Les alliages « alpha » _________________________________________ 13
I.2.2.2. Les alliages « alpha/beta » _____________________________________ 14
I.2.2.3. Les alliages « beta » __________________________________________ 14
I.2.3. Les différentes phases dans les alliages de titane ______________________ 15
I.2.3.1. Les phases ω ________________________________________________ 15
I.2.3.2. La phase ω athermique (ω ) ___________________________________ 16 ath
I.2.3.3. La ω isotherme (ω )_____________________________________ 17 iso
I.3. Les biomatériaux__________________________________________________ 19
I.3.1. Définition____________________________________________________19
I.3.2. La notion de biocompatibilité _____________________________________ 20
I.3.2.1. La biocompatibilté structurale 20
I.3.2.2. patibilité des surfaces_________________________________ 22
I.3.2.3. Les biomatériaux métalliques. 26
I.3.2.3.1. Les aciers austénitiques 26
I.3.2.3.2. Les alliages cobalt-chrome__________________________________27
I.3.2.3.3. Les alliages à base nickel ___________________________________ 27
I.3.2.3.4. Les alliages à base titane____________________________________ 27
I.3.2.3.5. Les métaux nobles (Ta, Pd, Pt, Au, Ag, Ir, Nb…) ________________ 28
I.4. Références bibliographiques. ________________________________________ 29
Chapitre II : Les techniques expérimentales. _________________________ 33
II.1. Elaborations. _____________________________________________________ 35
II.1.1. Métaux purs.__________________________________________________35
II.1.2. Fusions.______________________________________________________
II.1.3. Homogénéisation.______________________________________________36
II.1.4. Trempe.
II.1.5. Traitements thermiques._________________________________________37
II.2. Caractérisations thermiques. ________________________________________ 37
II.2.1. Microcalorimétrie différentielle à balayage Setaram DSC-111.___________ 37
II.2.2. Mesures de résistivité électrique. __________________________________ 38
II.2.2.1. Principe de la mesure. _______________________________________ 38
II.2.2.2. Montage expérimental.______________________________________40
II.3. Caractérisations structurales. 41
II.3.1. Microscopies._________________________________________________41
II.3.1.1. Microscopie optique.
II.3.1.2. Microscopie électronique à balayage. ___________________________ 41
II.3.1.3. Microscopie électronique en transmission. _______________________ 41
II.3.1.3.1. Champ clair et champ sombre _______________________________ 42
II.3.1.3.2. Préparation des échantillons.________________________________44
II.3.2. Diffraction des rayons X et des neutrons. ____________________________ 44
II.3.2.1. Diffractions des rayons X.____________________________________ 45
II.3.2.2. Diffraction des neutrons._____________________________________45
II.3.2.2.1. Montage expérimental.
II.3.2.2.2. Préparations des échantillons. _______________________________ 46
II.4. Caractérisations mécaniques.________________________________________ 47
II.4.1. La microdureté.________________________________________________47
II.4.2. La compression
II.5. Références bibliographiques. 47
Chapitre III : Elaboration et caractérisation de l’état β-métastable._______ 49
III.1. Introduction. ___________________________________________________ 51
III.2. Compositions étudiées____________________________________________ 51
III.2.1. Compositions nominales.________________________________________52
III.2.2. Analyse chimique de la phase bêta. ________________________________ 53
III.3. Micrographies.__________________________________________________ 54
III.4. Diffraction des rayons X. _________________________________________ 55
III.4.1. Diagrammes de diffraction des rayons X.____________________________ 56
III.4.2. Paramètres de maille.___________________________________________57
III.5. Ebsd __________________________________________________________ 57
III.6. Analyse sub-micronique de la microstructure.________________________ 58
III.7. Conclusion._____________________________________________________ 62
III.8. Références bibliographiques. ______________________________________ 63
Chapitre IV : Transformations microstructurales et nanostructurales. ____ 65
IV.1. Introduction. ___________________________________________________ 67
IV.2. Comparaisons DSC et Résistivité électrique. _________________________ 67
IV.2.1. Examen qualitatif des courbes de résistivité. 67
IV.2.2. Détermination des domaines d’apparition des différentes phases. _________ 68
IV.2.2.1. Etude du domaine 1 ou domaine β + ω .________________________ 69 ath
IV.2.2.2. Domaine 2 ou domaine β + ω . _______________________________ 73 iso
IV.2.2.2.1. Etude en DSC et résistivité électrique. 73
IV.2.2.2.2. Etude en diffraction et MET. 76
IV.2.2.3. Domaine 3 ou domaine d’existence des phases β, ω et α.____________ 80
IV.2.2.3.1. fraction des rayons X et en MET.__________________ 83
IV.2.2.3.2. Synthèse sur l’évolution structurale dans le domaine 3. __________ 87
IV.2.2.4. Domaine 4 ou domaine α+ β. __________________________________ 91
IV.3. Influence du laminage sur les transformations de phases et la texture dans le
® LCB (Ti 6,8 Mo 4,5Fe 1,5Al). _____________________________________________ 94
IV.3.1. Résultats._____________________________________________________95
IV.3.1.1. Etude des transformations de phases par résistivité électrique. _______ 95
® IV.3.1.2. Recristallisation du LCB . ___________________________________ 96
IV.4. Conclusion. 99
IV.5. Références bibliographiques. _____________________________________ 101
Chapitre V : Etudes complémentaires sur la précipitation de la phase
alpha. _______________________________________________________ 103
V.1. Introduction. ____________________________________________________ 105
V.2. Molybdène équivalent. ____________________________________________ 105
V.3. Calcul d’énergie d’activation et cinétique. ____________________________ 110
V.3.1. Energies d’activation par le méthode de Kissinger. ___________________ 110
V.3.1.1. Rappel des équations. ______________________________________ 110
V.3.1.2. Résultats.________________________________________________111
V.3.1.3. Discussion.______________________________________________113
V.3.2. Calculs de cinétiques par la méthode JMAK. ________________________ 114
V.3.2.1. Rappels sur les équations de type Johnson Mehl Avrami. __________ 114
V.3.2.2. Détermination des coefficients JMA. __________________________ 116
V.3.2.3. Discussion.118
V.4. Diffraction des neutrons. __________________________________________ 118
V.4.1. Diagrammes de diffractions des neutrons en température (3°C/min