FR2806421A1 - POROUS INTERMETALLIC ALLOY - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne l'élaboration d'alliages intermétalliques de type Ti-X ou Ti-X-X à macroporosité et microporosité ouvertes et contrôlées, à la fois en dimensions de pores et taux de porosité, destinés à la réalisation de divers applications industrielles dans les quelles soit la présence du titane est nécessaire telles prothèses, éléments filtrants, stockage d'hydrogène ou isotope d'hydrogène, soit la combinaison titane-X permet d'obtenir des éléments présentant tout ou partie des caractéristiques des alliages à mémoire de forme.The invention relates to the production of intermetallic alloys of the Ti-X or Ti-XX type with open and controlled macroporosity and microporosity, both in pore size and porosity rate, intended for the realization of various industrial applications in whether the presence of titanium is necessary such as prostheses, filter elements, storage of hydrogen or isotope of hydrogen, or the titanium-X combination makes it possible to obtain elements having all or part of the characteristics of shape memory alloys.
Description
L'intérêt du titane est bien connu pour la réalisation des prothèsesThe interest of titanium is well known for the production of prostheses
destinées à la chirurgie réparatrice ou en implantologie dentaire. Différentes configurations des dispositifs utilisés ont été mises en oeuvre pour augmenter la surface de titane susceptible d'être concernée par l'ostéogenèse. C'est ainsi que des reliefs ou des cavités sont créés par usinage pour à la fois augmenter la surface libre de titane et permettre une pénétration des ostéoblastes. L'augmentation de la rapidité de consolidation, l'amélioration de sa durabilité et de sa fiabilité peuvent être efficacement obtenues par intended for restorative surgery or dental implantology. Different configurations of the devices used have been implemented to increase the surface area of titanium likely to be affected by osteogenesis. This is how reliefs or cavities are created by machining to both increase the free surface of titanium and allow penetration of osteoblasts. Increasing the speed of consolidation, improving its durability and reliability can be effectively achieved by
l'adjonction d'éléments poreux.the addition of porous elements.
La consolidation des prothèses nécessite que les mécanismes d'ostéogenèse par formation et pénétration des ostéoblastes soit améliorés par la présence d'éléments à double porosité ouverte: une porosité macroscopique comprise entre 100 et 400 micromètres, et, une porosité microscopique inférieure à 10 micromètres, avec un taux de porosité globale compris entre 20 et 50 %. En outre la formation du tissu conjonctif The consolidation of prostheses requires that the osteogenesis mechanisms by formation and penetration of osteoblasts be improved by the presence of elements with open double porosity: a macroscopic porosity between 100 and 400 micrometers, and, a microscopic porosity less than 10 micrometers, with an overall porosity rate of between 20 and 50%. In addition the formation of connective tissue
intervient pour des pores de 50 micromètres. intervenes for pores of 50 micrometers.
De même l'intérêt du titane est bien connu dans le domaine industriel pour absorber l'hydrogène en quantité importante et à la désorber sous l'effet de la température ? L'augmentation des quantités d'hydrogène absorbé par un volume donné de titane est directement proportionnelle à la surface d'échange donc à la surface ouverte de titane, Likewise, the advantage of titanium is well known in the industrial field for absorbing hydrogen in large quantities and for desorbing it under the effect of temperature? The increase in the quantities of hydrogen absorbed by a given volume of titanium is directly proportional to the exchange surface, therefore to the open surface of titanium,
considérablement augmentée lorsque le matériau présente une porosité ouverte. considerably increased when the material has an open porosity.
L'invention a pour objet un procédé d'obtention et de mise en forme par frittage réactif d'un alliage intermétallique à porosité ouverte de type Ti-X ou Ti-X-X à partir de poudres élémentaires des différents constituant de l'alliage et susceptibles d'être liés à The subject of the invention is a process for obtaining and forming by reactive sintering of an intermetallic alloy with open porosity of the Ti-X or Ti-XX type from elementary powders of the various constituents of the alloy and capable of to be related to
des éléments massifs de même composition. massive elements of the same composition.
En fonction du matériau X retenu, les alliages peuvent en outre être du type à mémoire de forme et donc présenter tout ou partie des propriétés inhérentes à ces alliages comme la. mémoire de forme proprement dite, la superélasticité et l'amortissement des chocs et vibrations. Différents procédés d'élaboration de matériaux intermétalliques poreux par métallurgie des poudres sont actuellement bien utilisés. Citons: - la projection plasma qui ne permet pas une porosité ouverte, - la compression à froid et frittage avec des Depending on the material X selected, the alloys can also be of the shape memory type and therefore have all or part of the properties inherent in these alloys such as. actual shape memory, superelasticity and damping of shocks and vibrations. Various methods for developing porous intermetallic materials by powder metallurgy are currently well used. These include: - plasma projection which does not allow open porosity, - cold compression and sintering with
poudres préalliées qui ne permet pas d'obtenir la double porosité. pre-alloyed powders which do not allow double porosity to be obtained.
L'élaboration des matériaux intermétalliques massifs peut avantageusement être obtenue par métallurgie des poudres et frittage réactif comme décrit par Yves BIGAY dans le brevet N 95 07283 " Procédé de mise en forme par frittage réactif de matériaux intermétalliques ". Il convient par contre de noter que le procédé décrit conduit à des matériaux dont le taux de porosité est inférieur à 10 % et donc assimilables à des produits massifs ce qui les rend inutilisables en ostéosynthèse. Le procédé ainsi décrit The production of solid intermetallic materials can advantageously be obtained by powder metallurgy and reactive sintering as described by Yves BIGAY in patent N 95 07283 "Process for reactive sintering of intermetallic materials". On the other hand, it should be noted that the process described leads to materials whose porosity rate is less than 10% and therefore comparable to massive products which makes them unusable in osteosynthesis. The process thus described
repose sur six étapes bien identifiées: 1 - mélange des poudres élémentaires, 2 - is based on six clearly identified stages: 1 - mixing of the elementary powders, 2 -
compression du mélange pour obtenir un compacté de poudres, 3 - mise en place de compression of the mixture to obtain a compacted powders, 3 - placement of
l'élément obtenu dans une gaine épaisse résistant à la pression et à la chaleur, 4 - the element obtained in a thick sheath resistant to pressure and heat, 4 -
frittage réactif pour obtenir le composé intermétallique, 5 densification à chaud, 6 - reactive sintering to obtain the intermetallic compound, 5 hot densification, 6 -
élimination de la gaine.sheath removal.
Le PCT déposé par Victor GJUNTER et publié le 15 juillet 1999 sous le numéro WO 99/34845 précise les conditions nécessaires au déclenchement de la réaction de frittage réactif, ce qui est par ailleurs connu, mais ne donne aucune indication sur les The PCT filed by Victor GJUNTER and published on July 15, 1999 under the number WO 99/34845 specifies the conditions necessary for initiating the reactive sintering reaction, which is moreover known, but gives no indication of the
dispositions à prendre pour obtenir un alliage dont la porosité peut être contrôlée. measures to be taken to obtain an alloy whose porosity can be controlled.
L'objectif de la présente invention est de fournir un procédé de frittage réactif pour obtenir des matériaux intermétalliques à macroporosité et microporosité ouvertes et dont on peut contrôler les caractéristiques de porosité. Pour les applications dans le domaine médical, les matériaux ainsi obtenus doivent en outre présenter des caractéristiques mécaniques et de biocompatibilité telles que leur emploi dans la réalisation de prothèse puissent apporter aux patients des garanties d'intégration et de The objective of the present invention is to provide a reactive sintering process for obtaining intermetallic materials with open macroporosity and microporosity and the porosity characteristics of which can be controlled. For applications in the medical field, the materials thus obtained must also have mechanical and biocompatibility characteristics such that their use in the production of prostheses can provide patients with guarantees of integration and
durabilité supérieures à celles obtenues avec les matériaux poreux actuellement connus. durability superior to those obtained with currently known porous materials.
Ces objectifs sont obtenus conformément au procédé décrit ci-dessous: a) choix des poudres quant à la nature des matériaux de base (Ti, Ni, AI,.... ) et quant à leur granulométrie, b) préparation du mélange des poudres métalliques élémentaires dans les proportions voulues pour les caractéristiques de l'alliage désiré, c) compression du mélange de poudre pour obtenir un " compacté " de poudres élémentaires susceptibles d'une mise en forme, d) opération de frittage réactif après mise en place du " compacté " dans une gaine métallique (acier, titane, et leurs alliages) résistant à la température et à la pression dont les dimensions intérieures ont été définies pour permettre l'expansion de l'alliage lors de la dite opération, These objectives are obtained in accordance with the process described below: a) choice of powders as to the nature of the base materials (Ti, Ni, AI, etc.) and as to their particle size, b) preparation of the mixture of powders elementary metal in the proportions desired for the characteristics of the desired alloy, c) compression of the powder mixture to obtain a "compact" of elementary powders capable of being shaped, d) reactive sintering operation after placement of the "compacted" in a metal sheath (steel, titanium, and their alloys) resistant to temperature and pressure, the internal dimensions of which have been defined to allow the alloy to expand during the said operation,
e) élimination du gainage.e) elimination of cladding.
Lors de la réalisation du " compacté " des éléments massifs d'alliage de même nature peuvent y être intégrés de façon à, soit améliorer la tenue mécanique du dispositif poreux ainsi réalisé, soit, permettre ensuite de le solidariser mécaniquement avec d'autres composants structuraux ou fonctionnels de la pièce poreuse. Un traitement thermique complémentaire appliqué entre les étapes d et e ci-dessus à une température supérieure à celle du frittage réactif assurera la diffusion entre l'élément poreux et When producing the "compacted", massive alloying elements of the same kind can be integrated therein so as either to improve the mechanical strength of the porous device thus produced, or then to allow it to be mechanically secured with other structural components. or functional of the porous part. An additional heat treatment applied between steps d and e above at a temperature higher than that of reactive sintering will ensure diffusion between the porous element and
l'élément massif.the massive element.
La granulométrie des poudres élémentaires, leur état de compaction et le jeu entre la gaine et l'élément compacté permettent l'obtention de la porosité recherchée en taux de The granulometry of the elementary powders, their state of compaction and the clearance between the sheath and the compacted element allow the desired porosity to be obtained in terms of
porosité et en dimension de pores.porosity and pore size.
La gaine peut être rendue étanche afin d'avoir une atmosphère définie par la nature des The sheath can be made waterproof in order to have an atmosphere defined by the nature of the
matériaux traités.treated materials.
Lors de l'étape d, pour éviter toute diffusion entre le " compacté " et la gaine lors du frittage réactif, une barrière, compressible ou non, pourra être placée entre le " compacté " et la gaine. Sa conception sera telle qu'elle permette l'expansion du " compacté " lors du frittage réactif. De même pour éviter l'oxydation de l'alliage, il During step d, to avoid any diffusion between the "compacted" and the sheath during reactive sintering, a barrier, compressible or not, can be placed between the "compacted" and the sheath. Its design will be such that it allows the expansion of the "compacted" during reactive sintering. Similarly to avoid oxidation of the alloy, it
sera possible de faire le vide à l'intérieur de celle-ci. it will be possible to create a vacuum inside it.
Exemple 1: La préparation d'un lopin de matériau intermétallique Ti-Ni poreux d'un poids de 1000 g à usage médico-chirurgical dans lequel seront ensuite réalisés des éléments prothétiques se déroulera de la façon suivante: 1. Pesée des poudres élémentaires de titane et de nickel, 2. Mélange au turbulat pendant 1 heure, 3. Compression uniaxiale dans un moule cylindrique de 50 mm de diamètre intérieur et 200 mm de long, 4. Gainage du " compacté " par de l'acier doux avec un diamètre intérieur de 50 + X mm et 200 + Y mm de long revêtu intérieurement d'une couche d'alumine, 5. Frittage réactif en portant l'ensemble à 1000 o C pendant 2 heures afin d'obtenir la réaction Ti + Ni = TiNi, Example 1: The preparation of a piece of porous Ti-Ni intermetallic material weighing 1000 g for medical and surgical use in which prosthetic elements will then be produced will proceed as follows: 1. Weighing of the elementary powders of titanium and nickel, 2. Turbulent mixture for 1 hour, 3. Uniaxial compression in a cylindrical mold with an inside diameter of 50 mm and a length of 200 mm, 4. Sheathing of the "compacted" with mild steel with a diameter inside 50 + X mm and 200 + Y mm long internally coated with a layer of alumina, 5. Reactive sintering by bringing the assembly to 1000 ° C. for 2 hours in order to obtain the reaction Ti + Ni = TiNi ,
6. Enlèvement de la gaine par tournage puis décapage chimique. 6. Removal of the sheath by turning then chemical pickling.
Exemple 2: Préparation d'une tige de TiNi massif recouverte de 1000 g de TiNi poreux: 1. Pesée des poudres élémentaires de titane et de nickel, 2. Mélange au turbulat pendant 1 heures, 3. Compression uniaxiale autour d'une tige de TiNi massif de 2 mm de diamètre dans un moule cylindrique de 6 mm de diamètre intérieur et 10 mm de long, 4. Gainage des " compactés " par de l'acier doux avec un diamètre intérieur de 10 + X mm et 200 + Y mm de long chacun des éléments étant revêtu intérieurement d'une couche d'alumine, 5. Frittage réactif en portant l'ensemble à 1000 o C pendant 2 heures afin d'obtenir la réaction Ti + Ni = TiNi, 6. Traitement thermique de diffusion entre le TiNi poreux et la tige de TiNi massif à une température supérieure à celle du frittage réactif telle que 1200 o C. Example 2: Preparation of a solid TiNi rod covered with 1000 g of porous TiNi: 1. Weighing of elementary powders of titanium and nickel, 2. Turbulent mixing for 1 hour, 3. Uniaxial compression around a rod of Solid TiNi of 2 mm in diameter in a cylindrical mold with 6 mm inside diameter and 10 mm long, 4. Sheathing of the "compacted" with mild steel with an inside diameter of 10 + X mm and 200 + Y mm long each of the elements being coated internally with a layer of alumina, 5. Reactive sintering by bringing the assembly to 1000 o C for 2 hours in order to obtain the reaction Ti + Ni = TiNi, 6. Heat diffusion treatment between the porous TiNi and the solid TiNi rod at a temperature higher than that of reactive sintering such as 1200 o C.
7. Enlèvement de la gaine par tournage puis décapage chimique. 7. Removal of the sheath by turning then chemical pickling.
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