Nouvelles approches pour l'étude de la la corrosion localisée et la dégradation mécanique des alliages multiphasés – LoCoMecha

Le titane et ses alliages sont parmi les matériaux non biodégradables les plus utilisés comme implants dans le corps humain. Cependant, bien que ces matériaux présentent de bonnes performances ils se détériorent sous l’influence de plusieurs facteurs électrochimiques, mécaniques et biologiques. La résistance à la corrosion du titane est essentiellement attribuée à la présence d'une fine couche passive à sa surface, mais celle-ci se dégrade en présence d’espèces oxydantes produites lors d’épisodes inflammatoires, comme le peroxyde d’oxygène ou de radicaux qui altère le film passif, entrainant la corrosion du métal. D'un point de vue mécanique, l’alliage Ti6Al4V est un matériau d'implant populaire en raison de sa bonne résistance, de son faible module d'élasticité et du rapport favorable entre la résistance et le poids. Toutefois, cet alliage présente une microstructure duplex dont les propriétés mécaniques et la microstructure dépendent fortement du procédé de fabrication et du traitement thermique. Les relations entre la microstructure et les propriétés mécaniques du Ti6Al4V montrent que l'initiation de l'endommagement pourrait être liée au phénomène de fissuration par corrosion sous contrainte (SCC). Cependant, aucun lien clair n'a été établi entre l'environnement corrosif, la charge mécanique et la microstructure initiale de l'alliage Ti6Al4V, en particulier dans des conditions d'inflammation. Le premier objectif du projet LoCoMecha est de développer des méthodologies originales basées sur le couplage de techniques électrochimiques et mécaniques pour comprendre et caractériser la dégradation de ces alliages de titane à différentes échelles.
La plupart des implants sont fabriqués à partir de barres forgées ou coulées à l'aide de techniques d'usinage conventionnelles ou de méthodes plus avancées telles que la métallurgie des poudres par pressage isostatique à chaud ou le moulage par injection. La fabrication de composants implantables de formes complexes peut s'avérer difficile, les opérations d’usinage peuvent être longues et produire une quantité importante de déchets. La fabrication additive est devenue une alternative compétitive à ces procédés, avec une réduction des étapes de production et un haut niveau de flexibilité. Un avantage évident de la fabrication additive dans le domaine des implants biomédicaux est la fabrication sur mesure des dispositifs. La fusion laser sélective est particulièrement adaptée à la fabrication de pièces de petite taille avec une grande précision géométrique. De plus, une optimisation des propriétés mécaniques locales peut être réalisée via des traitements thermiques locaux, permettant par exemple de combiner des pièces à haute résistance et d'autres à haute ductilité au sein d'un même composant. La seconde originalité du présent projet est le couplage des modifications microstructurales/mécaniques locales pendant la fusion laser sélective.
Enfin, une approche prédictive sera développée à partir du modèle Digital Materials Representation qui peut être utilisé comme un outil puissant de prédiction de la fissuration par corrosion sous tension dans diverses morphologies de microstructures. En effet, ce modèle nécessite des informations locales très détaillées du niveau microstructural obtenues à partir d’analyses statistiques de la tomographie traitée des microstructures. Afin de limiter la durée et les coûts élevés de la fabrication et du processus d'imagerie réalisés sur un grand nombre d'échantillons, une modélisation stochastique paramétrique de la microstructure en 3D sera générée et ajustée aux données tomographiques pour créer une microstructure virtuelle avec des propriétés structurelles similaires à celles observées par tomographie. Une amélioration cruciale de l'approche de l'essai virtuel des matériaux est envisagée par la mise en œuvre d'un modèle de machine learning.