Caractérisations microstructurales et propriétés mécaniques de nouveaux alliages de titane β-métastables fabriqués par fusion laser sur lit de poudre "in-situ" pour des applications biomédicales - TEL - Thèses en ligne Access content directly
Theses Year : 2022

Microstructural characterizations and mechanical properties of new metastable β titanium alloys manufactured by “in-situ” laser powder bed fusion technique

Caractérisations microstructurales et propriétés mécaniques de nouveaux alliages de titane β-métastables fabriqués par fusion laser sur lit de poudre "in-situ" pour des applications biomédicales

Hugo Schaal
  • Function : Author
  • PersonId : 1365621
  • IdRef : 276530152

Abstract

Additive manufacturing technologies, like powder bed fusion for example, are promising for medical applications because they allow the manufacture of complex devices, and therefore the possibility of developing “tailor-made” medical devices from the morphological data of patients. For medical devices, the Ti-6Al-4V ELI grade is the reference alloy currently used. However, this alloy presents some drawbacks (high elastic modulus, questionable biocompatibility) and new titanium-based alloys are being developed to overcome these problems.  titanium alloys, especially the metastable  ones, are low modulus alloys that can be elaborated from perfectly biocompatible elements (Zr, Nb, Ta…). These alloys can also present a stress-induced martensitic transformation leading to a super-elastic behaviour which is required for some devices. Nevertheless, the lack of availability of pre alloyed powders with “exotic” compositions makes the attempts to produce new alloys by powder bed fusion complex and expensive. In this thesis work, the “in-situ” method consisting in using a blend of elemental powders and to perform the alloy under the laser beam during the fabrication was used. This method is more suitable to a prospective work, granting flexibility in the quantity and the compositions of the studied alloys. Thus, in this work, three metastable  titanium alloy compositions Ti-22Zr-11Nb-2Sn (%at), Ti-22Zr-9Nb-2Sn (%at) and Ti-22Zr-7Nb-2Sn (%at), were elaborated by powder bed fusion and characterized from a microstructural and mechanical point of view. The characteristics of these alloys were compared to the Ti- 6Al-4V ELI elaborated with the same conditions and an elastic modulus twice lower was obtained with these new alloys. The relationships between the microstructures of the different alloys and their mechanical tensile properties were analysed and discussed. In particular, the study of the microstructures after deformation until rupture through X-ray diffraction (XRD), scanning electron microscopy (SEM-EBSD) and transmission electron microscopy (TEM) analyses allowed to highlight a stress-induced martensitic transformation. On the other hand, effect of thermal treatments allowed an optimization of the mechanical properties and a significant strain-hardening by TRIP effect (Transformation Induced Plasticity) was evidenced.
Les technologies additives, comme la fusion laser sur lit de poudre, sont prometteuses pour le domaine médical car elles permettent la fabrication de formes très complexes, et donc la possibilité d’élaborer des dispositifs médicaux « sur-mesure » à partir des données morphologiques des patients. Pour les dispositifs médicaux, la nuance Ti-6Al-4V ELI est actuellement l’alliage de titane de référence utilisé. Cependant, cet alliage présente quelques inconvénients (module d’élasticité élevé, biocompatibilité discutable) et de nouveaux alliages à base de titane sont actuellement développés pour palier à ces problèmes. Les alliages de titane , et plus particulièrement les - métastables, sont des alliages à bas modules qui peuvent être élaborés à partir d’éléments parfaitement biocompatibles (Zr, Nb, Ta…). Ces alliages peuvent également présenter une transformation martensitique sous contrainte, permettant d’obtenir un comportement superélastique qui est requis pour certains dispositifs. Cependant, le manque de disponibilité de poudres pré-alliées de compositions « exotiques » rend les tentatives d’élaboration de nouvelles compositions d’alliages par fusion laser sur lit de poudre coûteuses et complexes. Dans ce travail de thèse, la méthode de fabrication « in-situ » qui consiste à utiliser un mélange de poudres élémentaires et à réaliser l’alliage sous le faisceau laser lors de la fabrication, a été employée. Cette méthode, plus adaptée à un travail de prospection, permet une grande liberté dans les volumes à préparer, et les compositions à étudier. Ainsi, lors de ce travail, trois alliages de titane - métastables de compositions Ti-22Zr-11Nb-2Sn (%at), Ti- 22Zr-9Nb-2Sn (%at) et Ti-22Zr-7Nb-2Sn (%at) ont été élaborés par fusion laser sur lit de poudre et caractérisés d’un point de vue microstructural et mécanique. Les caractéristiques de ces alliages ont été comparées à l’alliage Ti-6Al-4V ELI fabriqué dans les mêmes conditions et un module d’élasticité deux fois moindre a été obtenu avec ces nouveaux alliages. Les relations entre les microstructures des différents alliages et leurs propriétés mécaniques en traction ont fait l’objet d’analyses et de discussions. Notamment, l’étude des microstructures après déformation jusqu’à la rupture par le biais d’analyses par diffraction des rayons X (DRX), par microscopie électronique à balayage (MEB-EBSD) et par microscopie électronique en transmission (MET) a permis de mettre en évidence une transformation martensitique sous contrainte. De même, l’effet des traitements thermiques réalisés a permis d’optimiser significativement les propriétés mécaniques, et un important écrouissage par effet TRIP (Transformation Induced Plasticity) a été mis en évidence.
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tel-04513263 , version 1 (20-03-2024)

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  • HAL Id : tel-04513263 , version 1

Cite

Hugo Schaal. Caractérisations microstructurales et propriétés mécaniques de nouveaux alliages de titane β-métastables fabriqués par fusion laser sur lit de poudre "in-situ" pour des applications biomédicales. Mécanique des matériaux [physics.class-ph]. INSA de Rennes, 2022. Français. ⟨NNT : 2022ISAR0027⟩. ⟨tel-04513263⟩
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