WO2001070436A1 - Alliage intermetallique poreux - Google Patents

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WO2001070436A1
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porous
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Marie-Thérèse Daumas
Jacques Jouin
L'hocine Yahia
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    • B22F7/002—Manufacture of composite layers, workpieces, or articles, comprising metallic powder, by sintering the powder, with or without compacting wherein at least one part is obtained by sintering or compression of porous nature
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    • B22F2998/00—Supplementary information concerning processes or compositions relating to powder metallurgy

Definitions

  • TECHNICAL FIELD The interest of titanium is well known for the production of prostheses intended for restorative surgery or in dental implantology. Different configurations of the devices used have been implemented to increase the surface area of titanium likely to be affected by osteogenesis. Thus, 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 the addition of porous elements.
  • 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 comprised between 100 and 400 micrometers, and, a microscopic porosity less than 10 micrometers, with an overall porosity rate of between 20 and 50%.
  • the formation of connective tissue occurs for pores of 50 micrometers.
  • 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, considerably increased when the material has an open porosity.
  • the subject of the invention is a process for obtaining and shaping 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 linked to massive elements of the same composition.
  • the alloys may also be of the shape memory type and therefore have all or part of the properties inherent in these alloys such as shape memory itself, superelasticity and shock and vibration damping.
  • the process thus described is based on six clearly identified stages: 1 - mixing of the elementary powders, 2 - compression of the mixture to obtain a compact of powders, 3 - placing of the element obtained in a thick sheath resistant to pressure and to heat, 4 - reactive sintering to obtain the intermetallic compound, 5 - hot densification, 6 - elimination of the sheath.
  • 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 arrangements to be made for obtain an alloy whose porosity can be controlled.
  • 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.
  • 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 durability superior to those obtained with the materials. currently known porous.
  • 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 porosity rate and in pore size.
  • the sheath can be sealed in order to have an atmosphere defined by the nature of the materials treated.
  • 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 will be possible to create a vacuum inside it.
  • 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:
  • Example 2 Preparation of a solid TiNi rod covered with 1000 g of porous TiNi: 1. Weighing of elementary titanium and nickel powders,

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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 diverses applications industrielles dans lesquelles 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.

Description

ALLIAGE INTERMETTALLIOUE POREUX
DESCRIPTION
DOMAINE TECHNIQUE L'intérêt du titane est bien connu pour la réalisation des prothèses destinées à la chirurgie réparatrice ou en implantologie dentaire. Différentes configurations des dispositifs utilisés ont été mises en œuvre pour augmenter la surface de titane susceptible d'être concernée par l'osteogenese. 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 l'adjonction d'éléments poreux.
La consolidation des prothèses nécessite que les mécanismes d'osteogenese 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 intervient pour des pores de 50 micromètres. 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, considérablement augmentée lorsque le matériau présente une porosité ouverte . 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 des éléments massifs de même 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 poudres préalliées qui ne permet pas d'obtenir la double porosité.
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 repose sur six étapes bien identifiées : 1 - mélange des poudres élémentaires, 2 - compression du mélange pour obtenir un compacté de poudres, 3 - mise en place de l'élément obtenu dans une gaine épaisse résistant à la pression et à la chaleur, 4 - frittage réactif pour obtenir le composé intermétallique, 5 - densification à chaud, 6 - élimination de la gaine. 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 dispositions à prendre pour obtenir un alliage dont la porosité peut être contrôlée.
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 durabilité supérieures à celles obtenues avec les matériaux poreux actuellement connus. Ces objectifs sont obtenus conformément au procédé décrit ci-dessous : a) choix des poudres quant à la nature des matériaux de base (Ti, Ni, Al, ) 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, e) élimination du gainage.
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 l'élément massif .
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 porosité et en dimension de pores. La gaine peut être rendue étanche afin d'avoir une atmosphère définie par la nature des matériaux traités. 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 sera possible de faire le vide à l'intérieur de celle-ci.
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 ° C pendant 2 heures afin d'obtenir la réaction Ti + Ni
= TiNi,
6. Enlèvement de la gaine par tournage puis décapage chimique.
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 irai 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 ° 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 ° C.
7. Enlèvement de la gaine par tournage puis décapage chimique.

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé d'élaboration par frittage réactif de matériaux intermétalliques poreux de type Ti-Ni ou Ti-Ni-X comprenant la succession des étapes suivantes : choix des poudres et préparation du mélange des poudres élémentaires dans les proportions adéquates, compression du mélange pour obtenir un élément compacté, - gainage de l'élément compacté, traitement du produit gainé par frittage réactif dans des conditions permettant l'obtention d'un alliage intermétallique, à porosité ouverte supérieure à entre 20 %, - élimination de la gaine.
2. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que les poudres élémentaires sont choisies de telle façon que l'alliage obtenu soit biocompatible pour les applications médicales, ou, quelconques pour les autres domaines d'applications,
3. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que la granulométrie des poudres élémentaires, leur état de compaction et le jeu entre la gaine et
1 ' élément compacté permettent 1 ' obtention de la porosité recherchée en taux de porosité et en dimensions de pores,
4. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'une barrière de diffusion compressible ou non est intercalée entre l'élément compacté et la gaine,
5. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que la gaine peut être rendue étanche afin d'avoir une atmosphère définie par la nature des matériaux traités,
6. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que 1 ' élément compacté et gainé est placé dans un four permettant d'atteindre, en fonction des matériaux constitutifs, les températures nécessaires au frittage réactif,
7. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que la gaine est éliminée par usinage et/ou attaque chimique,
8. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'un élément massif de même nature que l'élément poreux réalisé par un quelconque procédé, est incorporé à l'élément poreux lors du compactage,
9. Procédé selon la revendication 8 caractérisé en ce qu'un traitement thermique complémentaire à une température supérieure à celle du frittage réactif est appliqué avant retrait de la gaine pour augmenter la diffusion entre l'élément massif et l'élément poreux,
10. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que les poudres utilisées sont quelconques dès lors qu'elles sont choisies pour permettre d'aboutir à la réalisation d'un matériau intermétallique poreux destiné à des applications n'exigeant pas la biocompatibilité.
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