Amélioration des surfaces de prothèses métalliques de nouvelle génération par grenaillage ultrasonique

Le présent projet de thèse propose d’étudier les modifications de surface induites par grenaillage ultrasonique sur des prothèses médicales métalliques élaborées par fabrication additive. Dans un premier temps, des échantillons massifs, découpés dans des plaques en alliage de titane TA6V et en acier 316L seront utilisés afin de préétablir une gamme optimale de paramètres (nature/taille/quantité de billes, durée de traitement…) avant de procéder, dans un second temps, à des essais sur des échantillons lattice avec enveloppe provenant de fabrication additive.

D’autre part, il s’agira d’améliorer la chambre de grenaillage SMAT (Severe Mechanical Attrition Treatment) actuellement disponible au LEM3 afin de permettre des essais de modification contrôlée de chimie de surface à l’aide de métal d’apport (Cu, Zn…) sous diverses formes (paillette, poudre, clinquant…). Les modifications métallurgiques de sous-surface induites par la nouvelle chimie (phases, microstructures, texture, intermétalliques…) de même que la résistance en fatigue seront explorées. Les échantillons seront ensuite envoyés au LCPME (Laboratoire de Chimie Physique et Microbiologie pour les Matériaux et l’Environnement à Nancy) pour des essais de dépôt de nanoparticules de ZnO et de corrosion.

L’évaluation des gammes de paramètres se fera par l’étude des gradients de microstructure, des modifications de surface et de la tenue mécanique. L’étude des gradients s’appuiera principalement sur des filiations de dureté ainsi que des techniques plus poussées d’imagerie électronique (MEB) et de diffractions (EBSD, DRX). Les modifications de chimie de surface seront étudiées par spectroscopie à dispersion d’énergie (EDS) mais aussi par spectroscopie photoélectronique (XPS) donnant accès, par exemple, au taux d’oxydation. Les améliorations mécaniques attendues, notamment en termes de fatigue mécanique, seront quant à elles vérifiées par flexion rotative et/ou traction-compression.

Dans le cadre du projet ANR, les résultats obtenus par le doctorant seront corrélés à des mesures de polarisation potentiodynamique, de spectroscopie d’impédance électrochimique et de croissance de couche de ZnO (LCPME) ainsi qu’à des études biologiques (laboratoire Biomatériaux et Inflammation en site Osseux (BIOS) à Reims).