FR3037945B1 - Procede de fabrication d'un alliage titane zirconium et son mode de realisation par fabrication additive - Google Patents
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Abstract
La présente invention décrit un procédé de fabrication d'un matériau composite titane-zircone et son mode de réalisation par fabrication additive, lequel matériau se caractérise par un alliage composite à matrice métallique (CMM) titane avec une proportion en titane pur Ti ou d'un alliage de titane Ti6AIV4 supérieure à 60 % en volume et une proportion de zircone ou de dioxyde de zirconium ZrO2 inférieure à 30 % en volume mais supérieure à 0.5 % en volume. L'alliage composite à matrice métallique (CMM) titane avec une proportion en titane pur Ti ou d'un alliage de titane Ti6AIV4 supérieure à 99 % en volume et une proportion de zircone ou de dioxyde de zirconium ZrO2 à 1 % en volume mais supérieure ou égale à 0.04 % en volume, ledit matériau contient 0.1 à 0.3 % en volume d'oxygène. Le mélange des deux composants (métal/céramique) est réalisé selon un mode avantageux où les nanoparticules de zircone enveloppent les particules de titane, formant ainsi une couche de zircone avantageusement répartie sur la surface des particules de titane. Dans ce mode de réalisation et selon l'invention, le composant métallique à faible point de fusion entraine la fusion des nanoparticules de zircone. L'alliage se caractérise en ce que la granulométrie de la matrice métallique titane soit à une échelle micrométrique et la granulométrie de la zircone soit à une échelle nanométrique. Le mode de réalisation dudit mélange interactif Ti/ZrO2 est mis en oeuvre par fabrication additive et plus particulièrement la fusion laser sélective (SLM).
Description
Procédé de fabrication d'un alliage titane zirconium et son mode de réalisation par fabrication additive
Description
Le titane pur et ses alliages ont reçu une attention considérable dans de nombreuses applications, y compris l'industrie médicale, en raison de leur résistance accrue, la résistance à la corrosion, et, surtout, leur biocompatibilité et leur osé intégration.
Comme un alliage duplex TÎ6AI4V se compose de phases alpha et bêta, constitué de 6 pour cent d'aluminium et 4 pour cent de vanadium (Ti-64). Ce matériau a été considéré comme le plus approprié car il possède des propriétés mécaniques renforcées par rapport au titane pur.
Cependant, l'alliage Titane a une valeur de dureté faible et une mauvaise résistance à l'usure et à l'oxydation. En particulier, là où le comportement tribologique est connu, comme dans les vannes et des connexions des broches.
Quand il est placé dans un environnement appauvri en oxygène, typiquement dans des implants dentaires ou osseux, il est susceptible de libérer des ions d'aluminium et de vanadium, qui sont considérés comme dangereux pour les fluides corporels.
Pour surmonter les problèmes de diffusion d’ions d’aluminium et de vanadium, les techniques actuelles travaillent sur le changement de la nature de la surface de cet alliage de titane en utilisant différentes techniques de génie de surface, par exemple le dépôt d’une couche de céramique de type zirconium.
Ce sont généralement des silicates inorganiques poly cristallins, des oxydes et des carbures, ils sont de nature réfractaire, et possèdent une résistance élevée à la compression. Les Biocéramiques peuvent être subdivisées comme bio-inertes, bioactives, et en matériaux biodégradables.
La zircone qui se comporte comme la céramique, se décline en trois phases, monocliniques, cubes et tétragones, qui peuvent améliorer les propriétés finales des revêtements produits. Les céramiques bioinertes comme la zircone maintiennent leurs propriétés physiques et mécaniques, même dans les milieux biologiques et les milieux hautement corrosifs. La zircone est très résistante à l'usure et supporte bien le stress induit par le durcissement par transformation. L'application principale de la céramique de zircone dans le domaine médical est en prothèse totale de hanche (PTH), où elle est utilisée comme un alliage manteau duplex de la tête de l’implant en alliage titane type TÎ6AI4V. Une autre application de la céramique de zircone est dans le domaine spatial, comme bouclier thermique dans les réacteurs d’avions et de satellites
De nombreuses études ont été faites sur la modification de surface du titane ou d’un alliage titane pour améliorer leurs propriétés de surface ou bien faire un mélange Titane Zircone pressé à haute température, nous citons les publications suivantes : Y.Zhong et Al.« Characterization and thermal shock behavior of composite ceramic coating doped with ZrO2 particles on TC4 by micro arc oxidation”, Applied Surface Science, 311, 158-163 (2014), Dépôt de couche ZrO2 par micro-arc sur des pièces en titane (TA6V), l’objectif recherché était d’augmenter la dureté du titane.
Patrik Stenlund et al.« osseointegration Enhancement by Zr doping of Co-Cr-Mo Implants Fabricated by Electron Beam Melting » Hiroaki al, Science direct (2015); l’ajout de 0,04% de zircone augmente l’oséointegration. Y. Zhong et al.,” Characterization and thermal shock behavior of composite ceramic coating doped with ZrO2 particles on TC4 by micro-arc oxidation”, Applied Surface Science, 311, 158-163 (2014).
Keiichiro Tohgo et al., Shizuoka Univerdsity (Japon), “Fabrication of PSZ-Ti composites by spark plasma sintering and their mechanical properties”, Materials Science & Engineering, A621, 166-172 (2015). T.Fujii, K.Tohgo, H.Araki,K.Wakazono,M.lshikura , Y.Shimamura,J.SolidMech.Mater.Eng.41699-1710 (2010). N-R Park et al., “Fast low-temperature consolidation of a nanostructured 2Ti-ZrO2 composite for biomédical applications”, Ceramics international, 40, 6311-6317 (2014).
Proceedings: Tohgo et al.,” Progress of Composites” 2008 in Asia and Australasia - The 6th Asian-Australasian Conférence on Composite Materials, ACCM (2008).
Chien-Cheng Lin et al.,” Effect of Yttria on Interfacial Reactions Between Titanium Melt and Hot-Pressed Yttria/Zirconia Composites at 1700°C”, Université Chiao Tung (Taiwan), J.Am.Ceram.Soc.,91,2321 -2327 (2008). J. Cao et al., “Brazing ZrO2 ceramic to TÎ-6AI-4V alloy using NiCrSiB amorphous filler foil”: Interfacial microstructure and joint properties, Materials characterization 81, 85-91 (2013). L'état de la technique peut être défini par les brevets ; « Alliage binaire titane-zirconium pour implants chirurgicaux et procédé de production correspondant » déposé le 10 juin 1997 par l’institut Straumann AG sous le numéro WO1997029624A2, dans cette réalisation le mélange Titane Zircone se fait par forgeage à chaud. « Alliage a base d titane » déposé le 6 mai 2006 par Igor Vasilievich Al sous le numéro WO2006123968A2 «Poudre d'oxyde mixte de titane et de zirconium» déposé le 20 décembre 2005 par Degussa.Kai
Schumacher,Oswin Klotz.Uwe Diener sous le numéro W02006067129A2 « Les produits de base pour la fabrication de matériaux céramiques » déposé le 28 janvier 1987 par
Degussa Aktiengesellschaft sous le numéro EP0241647A2 « Le dioxyde de titane dopé » déposé le 29 mars 2000 par DEGUSSA AG sous le numéro EP1138632A1 « Titane coprécipités de dioxyde / dioxyde de silicium et de dioxyde de titane / zirconium coprécipités de dioxyde comme catalyseurs de polycondensation pour des polyesters et copolyesters » déposé le 2 janvier 1995 par AkzoNOBEL NV sous le numéro US5684116
Aucune de ces réalisations ne décrit un Procédé de fabrication d’un alliage titane zirconium avec son mode de réalisation par fabrication additive
La fabrication additive et pour certaines technologies additives précisément (SLM, EBM, SLA) présentent plusieurs possibilités de contrôle de la géométrie, de la porosité, de l’inter connectivité et l’architecture 3D par des changements dans les paramètres de fabrication, citons les principaux paramètres pour la technologie de fusion laser sélective: - la puissance des lasers - la vitesse de scan - le diamètre du spot - la stratégie de parcours du laser - le recouvrement entre deux points de fusion - l’épaisseur des couches de la poudre
Le procédé de fusion laser sélective de poudre métallique en terminologie anglaise « Sélective Laser Melting(SLM), SLM est un procédé utilisé pour la fabrication de composants complexes en trois dimensions à partir de poudres de métal, de céramique ou poudres polymère. La technologie est mature et déjà utilisée dans l’industrie aéronautique et le médical pour fabriquer des composants complexes présentant de hautes densités et homogénéité. Nous citons un des premiers brevets de l’institut Fraunhofer en Allemagne, déposé le 27 oct. 1997 sous le numéro WO1998024574A1, qui décrit le procédé SLM d’une façon plus précise. La dénomination SLM sera maintenue dans tout le texte du brevet.
La présente invention décrit un procédé de fabrication d’un alliage titane zirconium et son mode de réalisation par fabrication additive. L’alliage titane zirconium est composé d’un titane pur ou d'un alliage de titane de type TÎ6AI4V se composant de phases alpha et bêta, constitué de 6% d'aluminium et 4 % de vanadium. La zircone existe sous l’une des trois formes cristallines (formes allotropiques), monoclinique, quadratique, cubique avec des températures de fusion respectives 1100 °C, 2300 °C, 2700 °C.
Ces transformations s’accompagnent de variations de volume (dilatation de 3 à 5 % lors de la transformation quadratique-monoclinique). La température de frittage se situant vers 1450 °C, il est nécessaire de stabiliser la zircone dans l’une des structures haute température afin d’éviter une fragmentation lors du refroidissement. L’addition de quelques % de MgO, CaO, Y2O3 ou de CeC>2 conduit à ce résultat. Dans la présente invention Y2O3 est mise en œuvre pour stabiliser la zircone, Y-TZP : (zircone stabilisée sous forme quadratique par de l’oxyde d’Yttrium (Y2O3).
La fabrication additive de pièces bi-composant métal/céramique par SLM, implique d’importantes contraintes thermiques dues à un chauffage localisé par le laser et des changements de phase générant des microstructures hétérogènes. Les matériaux ductiles, à haute conductivité thermique et à haute ténacité se comportent beaucoup mieux avec le procédé SLM, les matériaux céramiques auront tendance à se fissurer si le refroidissement n’est pas maîtrisé L’addition d’un matériau métallique à faible point de fusion en tant que liant peut être utilisée pour la fabrication additive de céramique, dans ce cas seul le composant métallique entre en fusion constituant le réseau dense de la pièce, la céramique reste poreuse. Pour pallier au problème de porosité et selon l’invention, le matériau métallique à faible point de fusion est à une échelle micrométrique et la céramique est à une échelle nanométrique. Afin d’obtenir une pièce fonctionnelle et dense, il est nécessaire d’avoir la fusion totale des éléments métalliques et les éléments céramiques et pour ce faire, le mélange des deux composants (métal/céramique) est réalisé selon un mode avantageux où les nanoparticules de zircone viennent envelopper les particules de titane, formant ainsi une couche de zircone avantageusement répartie sur les particules de titane. Dans ce mode de réalisation et selon l’invention, le composant métallique à faible point de fusion entraîne la fusion des nanoparticules de zircone.
Selon l'invention, et pour atteindre une fusion totale d'un mélange de poudres métalliques et de poudres céramiques de type zircone Yttriée (YSZ), le mélange est fusionné par une concentration d’une source d’énergie.
Les poudres métalliques sont du titane pur ou un alliage de type TÎ6AIV4, les poudres céramiques sont de type zircone Zr /zircone stabilisée/zircone yttriée ZrCV Y2O3 avec une concentration de l’oxyde d’yttrium 11,8%<Υ2θ3 < 30% ;
Il est important que le mélange des poudres métalliques et des poudres céramiques selon l'invention soient fondus. En effet, l'utilisation de grains frittés, de grains co-précipités ou de grains fondus détermine les propriétés du matériau final.
Les mélanges, selon l'invention, peuvent encore comporter une ou plusieurs des caractéristiques optionnelles suivantes : - de préférence, la teneur en titane Ti ou d’un alliage TÎ6AIV4 est supérieure à 40%, de préférence supérieure à 60 % et/ou, de préférence, inférieure à 99,50%, de préférence inférieure à 95,5 %.
Une poudre de titane pur ou d’un alliage TÎ6AIV4 selon l'invention, peut encore comporter une ou plusieurs des caractéristiques optionnelles suivantes :
Une granulométrie inférieure à 70 pm, de préférence inférieure à 45 pm ; de préférence inférieure à 30 pm, de préférence inférieure à 10 pm, de préférence supérieure à 5 pm.
Dans un premier mode de réalisation particulier, la poudre de Zircone yttriée présente une granulométrie inférieure à 250 nm, de préférence inférieure à 130 nm, et/ou une taille médiane comprise entre 65 nm et 85 nm, et/ou une taille minimale supérieure à 30 nm ; - dans un deuxième mode de réalisation particulier, la poudre de Zircone yttriée présente une granulométrie inférieure à 75 nm, de préférence inférieure à 70 nm, et/ou une taille médiane comprise entre 35 nm et 50 nm, et/ou une taille minimale supérieure à 15 nm, de préférence supérieure à 20 nm ; - dans un troisième mode de réalisation particulier, la poudre de Zircone yttriée présente une granulométrie inférieure à 40 nm, de préférence inférieure à 35 nm, et/ou une taille médiane comprise entre 10 nm et 25 nm, et/ou une taille minimale supérieure à 3 nm, de préférence supérieure à 5 nm. - dans un quatrième mode de réalisation particulier, la poudre de Zircone yttriée présente une granulométrie inférieure à 15 nm, de préférence inférieure à 10 nm, et/ou une taille médiane inférieure à 5 nm. de préférence, la teneur en ZrÛ2/ Y2O3 est supérieure à 0,4%, de préférence supérieure à 13,5% et/ou, de préférence, inférieure à 30,0%, de préférence inférieure à 60 % ; de préférence la teneur en Y2O3 est inférieure à 1,7%, de préférence inférieure à 1,6%, de référence inférieure à 1,5%, de préférence inférieure à 1,4%, de préférence inférieure à 1,3%, de préférence inférieure à 1,2%, de préférence inférieure à 1,1%, de préférence inférieure à 1,0%, de préférence inférieure à 0,9%, de préférence inférieure à 0,8%» de préférence inférieure à 0,5%, voire inférieure à 0,4% et/ou de préférence supérieure à 0,1% ; - de préférence, la teneur en dioxyde de titane T1O2 issu de la réaction du titane avec l’oxygène apporté par Yttrium Y2O3 est inférieure à 0,4%, de préférence inférieure à 0,3%, de préférence encore inférieure à 0,2%, et/ou de préférence supérieure à 0,01%, de préférence supérieure à 0,1% ; - de préférence, la teneur en Y2O3 est comprise entre 0,1 % et 0,5% et la teneur en T1O2 est comprise entre 0,1% et 0,2%, - de préférence, la teneur en « autres oxydes » est inférieure à 1,5%, de préférence inférieure à 1 %, de préférence inférieure à 0,7%, de préférence inférieure à 0,5%, de préférence inférieure à 0,3%, de préférence inférieure à 0,2%, voire inférieure à 0,1%, les propriétés d’oxydation en sont avantageusement améliorées ; - de préférence, les « autres oxydes » sont des impuretés ; - de préférence, la teneur en HfCte est inférieure à 2,0 %, inférieure à 1 ,8 %, inférieure à 1,6 %, voire inférieure à 1,4 % ;
Dans un autre mode de réalisation, la teneur en Y2O3 est supérieure à 0,1%, supérieure à 0,2 %, supérieure à 0,3 %, supérieure à 0,4 %, voire supérieure à 0,5 %, supérieure à 0,6 %, ou supérieure à 0,7 %.
Le mixage des poudres de titane pur Ti ou d’un alliage TÎ6AI4V avec des poudres nanométriques de ZrÛ2/ Y2O3 est réalisé selon un mode de mélange particulièrement avantageux, sous gaz inerte de type argon ou sous vide jusqu’à obtention d’un mélange homogène avec formation de pellicules dragéifiant les particules de titane avec ZrCh/ Y2O3. L’ajout de la zircone dans le titane permet d’augmenter la dureté du matériau et la résistance à l’usure, Pour réaliser la fusion il est important de comprendre l’interaction entre un alliage de titane et un matériau réfractaire de type céramique (Zircone). L’interaction du couple Ti/ZrO2 est un processus multivarié, étroitement couplé, instable, non linéaire et non-équilibré. Le tableau suivant décrit tous les paramètres thermo-physiques du titane et de la zircone.
Paramètres thermo-physiques du titane et la zircone
Dans un tel procédé, le transfert de quantité d’énergie, le transfert de chaleur, le transfert de masse et la réaction chimique interagissent les uns avec les autres de manière intensive. Par conséquent, il est nécessaire de bien comprendre la réaction du mélange interactif Ti/ZrÛ2 pour la mise en œuvre d’un tel procédé. Ceci se traduit par la maîtrise de la température de fusion du mélange interactif Ti/ZrO2, le transfert de chaleur et de masse entre le titane en fusion et la zircone fondue. Une telle réaction est réactive, instable et variant avec le temps d’exposition à la fusion. En outre, la réaction chimique du mélange interactif Ti/ZrC>2 affecte la température du mélange et la concentration en oxygène.
Lorsque la concentration en zircone Zr augmente, le titane Ti réagit avec l’oxygène O et la zircone devient déficitaire en oxygène. La chaleur de la réaction élève la température du mélange et accélère la diffusion de Ti, O, Zr, ce qui augmente la concentration de Ti, O, Zr et accélère la réaction du mélange interactif Ti/ZrO2 de nouveau, et formant ainsi une interaction intense entre le transfert de chaleur, le transfert de masse et la réaction chimique.
Les réactions chimiques entre Ti et ZrO2 ne sont pas thermodynamiquement favorables, parce que les fonctions d’enthalpie libre G de Gibbs des équations suivantes sont positives ou légèrement négatives à la température de fusion de 1700°C.
Selon les réactions chimiques suivantes, le titane ne peut pas être un agent réducteur pour l'oxyde de zirconium. Par contre le titane peut réduire l'oxyde de zirconium à des températures élevées. L'existence des sous-oxydes de titane (Ti2O, Ti3O) et la déficiente en oxygène de la zircone (ZrO2.x) conduit à la réduction totale de la zircone par le titane lors de la solidification.
Selon l'invention, le mélange composites titane zirconium est fusionné par une concentration d'une source d'énergie de type laser fibre ytterbium, CO2ou plasma.
Dans un mode de réalisation avantageux, la teneur en oxygène lors de la fusion du mélange interactif Ti/ZrO2 est pratiquement nulle au cours de la première seconde de la fusion laser. Après 5 secondes, il y a une augmentation rapide de la teneur en oxygène, formant ainsi du dioxyde de titane TiO2 en réagissant avec le titane.
En effet, la température de fusion du mélange interactif Ti/ZrO2 (Titane en phase liquide) augmente à mesure que le temps d'exposition au laser est maintenu, ce qui conduit à l’activation du Zr et O et à l'augmentation de gradient de concentration. Pendant ce temps, en augmentant la température, les taux de Zr et O augmentent, ce qui induit à la diffusion de Ti, Zr et des oxydes de titane (Ti2O, T13O).
Par conséquent, en raison de la présence d'oxygène supplémentaire et Zr disponibles pour la réaction avec le titane, la réaction du mélange interactif Ti/ZrO2 devient plus intensive, rappelons que la réaction du mélange interactif Ti/ZrO2 n'est pas iso-thermique.
La chaleur libérée par la réaction augmente également la température localement et accélère la diffusion de l'oxygène. D'autre part, la diffusion de l'oxygène est accélérée à cause de son rayon atomique plus petit.
La température de fusion est un paramètre important qui influe sur la diffusion de l’oxygène. Afin d'améliorer la fluidité du titane lors de la réaction, il est nécessaire de préchauffer la chambre de réaction avant la fusion.
Lors du processus de fabrication, une partie des atomes d'oxygène réagit avec le titane Ti pour former de l'oxyde de titane (TiO2), contribuant avantageusement à l'amélioration de la dureté de la phase Ti et par conséquent à l'amélioration des propriétés mécaniques des composites.
Les propriétés mécaniques du matériau composite Ti/ZrO2 sont très affectées par la formation d'oxyde de titane dans la matrice de Titane.
La dureté augmente considérablement avec l'augmentation de la teneur en ZrO2 jusqu'à 1 vol. % global, la résistance à la compression du composite Ti/ZrO2 augmente de façon similaire à la dureté. Même une très faible quantité de ZrO2 contribue à la formation d'oxyde de titane, ce qui conduit à une amélioration de la dureté ainsi que la fragilité du matériau composite Ti/ZrO2 au-delà d'une certaine quantité. L'invention concerne aussi un procédé de fabrication d'une poudre selon l'invention comportant les étapes successives suivantes : A) préparation d’un fichier numérique d’une forme géométrique à réaliser, le dit fichier numérique est tranché virtuellement de (1) à (n) selon des épaisseurs appropriées par rapport à l’axe de construction Z. B) préparation d’un mélange de titane pur ou d’un alliage de titane, zircone, oxyde d’yttrium (Ti/ ZrO2/ Y2O3) C) mise sous argon d’une chambre de fusion laser
D) mise en chauffe d’un substrat ou plaque en titane température minimale 200°C température maximale 1500°C E) dépôt d’une première couche du mélange Ti/ ZrCh/ Y2O3 sur un substrat ou une plaque en titane selon l’étape C), l’épaisseur du lit de poudre est inférieure à 50pm et supérieure à 5pm F) Une source d’énergie focalisée vient fusionner sélectivement une partie du lit de poudre selon le tranchage décrit en étape A) G) Les étapes E) et F) sont exécutées « n » fois où (n) représente le nombre de couches de la forme à réaliser. Définitions
On appelle classiquement « composite », un matériau contenant à la fois une phase céramique et une phase métallique avec une matrice de base, ladite matrice est soit métallique et là on parle de CMM (Composite à Matrice Métallique), soit céramique et là on parle de CMC (Composite à Matrice Céramique).
Un produit est classiquement dit « fondu » lorsqu'il est obtenu par un procédé mettant en œuvre une phase de fusion de matières premières et une phase de solidification par refroidissement.
Un précurseur de ZrÛ2, de AI2O3, de T1O2 ou de Y2O3 est un composé capable de conduire à la formation de ces oxydes par un procédé comportant une fusion, puis une solidification par refroidissement. « ZrO2», « oxyde de zirconium » et «zircone» sont des synonymes. Lorsqu'il est fait référence à « ZrC>2», à l'oxyde de zirconium ou à la zircone, il y a lieu de comprendre (ZrO2+ HfCb). En effet, un peu de HfC>2, chimiquement indissociable du ZrC>2 et présentant des propriétés semblables, est toujours naturellement présent dans les sources de zircone à des teneurs généralement inférieures à 2%. Autrement dit, «
ZrC>2+ HfO2 » signifie ZrC>2 et les traces de HfC>2 naturellement présentes dans les sources de zircone.
Le « Point de fusion » indique une zone ou bassin sur le lit de poudre où le laser vient fondre la matière, on parle de « melting pool » dans la littérature anglaise.
Sauf indications contraires et sans limitations, toutes les teneurs en oxyde de zirconium selon l'invention sont des pourcentages volumiques exprimés sur la base des oxydes. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront encore à la lecture de la description qui va suivre et à l'examen des dessins annexés dans lesquels
La figure 1 représente schématiquement le passage de l’énergie de la fusion laser d’une épaisseur de 10 pm sur le lit de poudre selon l'invention.
La figure 2 représente schématiquement en coupe les points de fusion laser et leur recouvrement selon l'invention.
La figure 3 représente la courbe de concentration de l’oxygène dans l’alliage Ti/ZrC>2 à différentes températures.
La figure 4 représente la diffusion temporelle de l’oxygène dans l’alliage Ti/ZrO2 selon l'invention.
La figure 5 représente la corrélation entre la faction volumique de ZrO2 et la dureté de l’alliage Ti/ZrO2 selon l'invention
Description détaillée d'un mode de réalisation de l'invention
Lors du processus de fusion, une partie des atomes d'oxygène réagit avec le titane pour former de l'oxyde de titane T1O2, qui peut contribuer à l'amélioration de la dureté de la phase du titane comme indiqué dans la courbe en (fig. 5). En effet, la dureté augmente considérablement avec l'augmentation de la teneur en ZrCh jusqu'à 1 vol. %. La résistance à la compression des composites peut augmenter de façon similaire à la dureté. Même une très faible quantité de ZrÜ2 contribue à la formation d'oxyde de titane, ce qui conduit à une amélioration de la dureté de l’alliage interactif Ti/ZrO2.
Afin de limiter la concentration en oxygène lors de la fusion, le temps d’exposition du spot du laser dans la zone de fusion (titane en phase liquide) ne dépasse pas les 5 secondes, avantageusement le temps d’exposition soit inférieur à 1 seconde comme indiqué dans la courbe en (fig-4).
La concentration d’oxygène reste faible jusqu’à 9.5 pm de profondeur du spot laser comme indiqué dans la courbe en (fig-3), le point d’inflexion est à 10 pm du spot du laser, au-delà de cette épaisseur du lit de poudre l’augmentation du taux d’oxygène est exponentielle.
La profondeur du spot laser (1-1) correspond à l’épaisseur du lit de poudre (1-4) où la fusion des matériaux mis en réaction est totale. Le rayonnement de l’énergie focalisée (1-2) sur un point de fusion est absorbé en grande partie par les matériaux en réaction (titane, zircone) (1-3). Du fait que la poudre de titane est à l’échelle micrométrique enrobée de poudre de zircone à une échelle nanométrique, le passage du grain de titane de la phase solide à la phase liquide entraîne la fusion des grains de la zircone en sa surface. (1-3).
La fusion et la cohésion entre les points de fusions (2-3) dépend du spot et de la puissance du laser, dans un mode de réalisation avantageux le spot du laser (2-1) est compris entre 0.1mm et 0.2 mm et une puissance du laser de 400 W et encore avantageusement 1000W. La cohésion des points de fusion (2-3) dépend en grande partie de l’état (liquide, solide ou semi-solide) dans lequel se trouve le point de fusion lors du passe du laser en mode direct ou en mode croisé. Les modes de passage du laser dépendent de la stratégie du parcours mise en œuvre pour scanner les surfaces.
La fusion titane-zircone est avantageusement réalisée avec un temps d’exposition du point de fusion unitaire inférieur à 1 seconde comme indiqué dans la courbe en (fig-4)et sur une épaisseur de couche du lit de poudre inférieure à 10pm comme indiqué dans la courbe en (fig-3)
Les propriétés mécaniques des matériaux composites Ti/ZrO2 sont très affectées par la formation d'oxyde de titane dans la matrice de titane.
Le lit de poudre est maintenu à une température de 200 °C (2-6) dans ce mode de réalisation ou avantageusement 400°C, le préchauffage est assuré par une résistance électrique placée au niveau inférieur du substrat (2-4) du plateau de réalisation, avec un temps de détention de 50 secondes ou avantageusement 100 secondes, et la température de fusion sélectionnée est 1700 0 C, ou avantageusement 1750 °C, ou avantageusement 1800 °C. La variation de la teneur en oxygène dans le mélange interactif Ti/ZrO2 et l'épaisseur de la couche réactive sont deux paramètres étroitement liés.
Les épaisseurs de couches réactives varient avec le temps de maintien à des températures de fusion différentes de 1700°C, 1750°C ou 1800°C, la température de préchauffage étant fixée à 200 °C.
Avec l’augmentation du temps de fusion, l’oxygène diffuse dans le matériau en fusion et réagit avec le titane, de sorte que l'épaisseur de la couche réactive sur la face de Ti augmente progressivement.
La variation de l'épaisseur de la couche réactive peut être divisée en trois étapes: inoculation (0-1 s), augmentation linéaire (1-5 s) et augmentation parabolique (au bout de 5 s) (fig-3). Ceci parce que la réaction chimique entre Ti en phase liquide et ZrÛ2 a lieu sous l'action globale de la température et de la concentration.
La plus haute température de fusion conduit à une teneur en oxygène plus élevée et une plus grande épaisseur de la couche réactive. La teneur en O augmente avec l'augmentation du temps de maintien du spot laser sur une zone de réaction. L'évolution de l'épaisseur de la couche réactive peut être divisée en trois étapes: inoculation (0-1 s), augmentation linéaire (1-5 s) et augmentation parabolique (au bout de 5 s)·
Matériaux composites titane-zircone contenant les deux composants titane et zircone, caractérisé en ce que cet alliage (i) est un alliage composite à matrice métallique (CMM) titane avec une proportion supérieure à 60 % en volume et une proportion de zircone inférieure à 30 % en volume mais supérieure à 0.5 % en volume, (ii) est un alliage composite à matrice métallique (CMM) titane avec une proportion supérieure à 99 % en volume et une proportion de zircone inférieure à 1 % en volume mais supérieure ou égale à 0.04 % en volume, (iii) Contient 0.1 à 0.3 % en volume d’oxygène
Procédé pour fabriquer l’alliage composite titane-zircone selon la revendication 6, caractérisé en ce l’opération de fabrication est effectuée à des températures supérieures à 1650°C.
Procédé pour fabriquer l’alliage composite titane-zircone, caractérisé en ce que l’opération de fabrication est effectuée par une source d’énergie focalisée qui vient fusionner sélectivement une partie du lit de poudre.
Claims (8)
- Revendications :1- Procédé de fabrication d’un matériau composite en alliage titane et zircone, comprenant les étapes de : préparation d’un mélange de poudre de titane et de poudre de zircone, la granulométrie de la poudre de titane étant micrométrique et la granulométrie de la poudre de zircone étant nanométrique, la proportion de poudre de titane étant supérieure à 60% en volume et la proportion de zircone étant comprise entre 0.5 et 30% en volume, l’exposition dudit mélange à une source d'énergie focalisée qui vient fusionner sélectivement une partie d’un lit dudit mélange de poudre.
- 2- Procédé selon la revendication 1, dans lequel la granulométrie de la poudre de titane est comprise entre 5 et 50 microns et la granulométrie de la poudre de zircone est comprise entre 5 et 250 nm
- 3- Procédé selon la revendication 1 ou 2, dans lequel la source d'énergie focalisée est un spot laser et le temps d’exposition au spot laser est compris entre 1 et 5 secondes
- 4- Procédé selon l’une des revendications précédentes, dans lequel le temps d'exposition d’une zone de fusion est inférieur à 5 secondes
- 5- Procédé selon l’une des revendications précédentes, dans lequel l’épaisseur du lit de poudre est comprise entre 5 et 50 microns
- 6- Procédé selon l’une des revendications précédentes, dans lequel la température de fusion est supérieure à 1650°C
- 7- Matériau composite obtenu selon le procédé de l’une des revendications précédentes.
- 8- Implant dentaire ou chirurgical constitué du matériau composite selon la revendication précédente.
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