ETUDE ÉLECTROCHIMIQUE COMPARATIVE D’UN ALLIAGE (TiNi) ÉLABORÉ

Élaboration des alliages Ti-Ni

Matériaux étudiés L’élaboration d’alliages titane-nickel demande de relever plusieurs défis technologiques. Elle a été réalisée en plusieurs étapes à partir des métaux commercialement purs. Grâce à l’affinité du titane pour l’oxygène (à cause de son caractère très réducteur), on doit prendre des précautions très particulières. De ce fait, la fusion devra se faire nécessairement sous atmosphère inerte ou sous vide secondaire pour éviter une oxydation ou une nitruration de l’alliage. Dans le présent travail, le choix de la composition de notre matériau, a été fait dans un but précis, en fonction de propriétés recherchées. Les poudres de Ti et Ni commerciales de départ ayant une pureté de 99% ont été utilisées pour élaborer l’alliage TiNi. Dans le but de vérifier et d’étudier l’influence de la teneur en Ni sur la formation de la structure et les propriétés mécaniques, ainsi que le comportement tribologique et électrochimique de l’alliage TiNi, nous avons étudiée plusieurs compositions, où la teneur en Ni était de 40,50 et 60%. L’alliage TA6V4 biomédical (sous la forme d’une barre cylindrique, fournie par l’ENSAM Lille, France) a été utilisé à titre de comparaison. C’est un alliage de type α + β. L’ajout d’aluminium augmente la dureté de l’alliage et sa résistance à l’oxydation mais sert aussi à stabiliser la phase α. Le vanadium est, quant à lui un élément bétagène qui sert à stabiliser la phase β et à abaisser la température de transus β.

Fusion et homogénéisation de l’alliage

Les alliages Ti-Ni ont été réalisés à partir de métaux purs commerciaux (pureté de 99%). La première étape de l’élaboration des alliages implique la préparation des différents constituants purs. 

Séchage

Pour éliminer l’humidité contenue dans les poudres sous forme de molécules adsorbées en surface, nous avons effectué un séchage dans une armoire chauffante à 80°C, pendant 2 heures. b. Mélange et agglomération Après dosage, des mélanges de poudres effectuées selon le pourcentage massique de chaque élément et la composition ciblée, les poudres ont été homogénéisés dans un mélangeur à billes pendant 10–15 minutes. Ensuite, le mélange des poudres a été aggloméré dans une matrice en carbure de tungstène sous une charge de 3 tonnes. Le cycle d’élaboration de l’alliage est présenté par la Figure 2.1. 

Fusion à induction

Les matériaux utilisés dans cette étude sont préparés par la méthode de fusion à induction sous vide à partir de poudres de Ti et Ni. Les compositions ciblées sont : Ti60Ni40 Ti50-Ni50, Ti40Ni60. Sachant que la fusion par induction sous vide pose le problème de contamination par le creuset utilisé, généralement en graphite, l’élaboration a nécessité l’utilisation d’un creuset en alumine Al2O3 afin d’éviter le problème de contamination et d’éviter l’incorporation des impuretés tels que, le carbone et l’oxygène. Ces éléments entrainent la formation respectivement des précipités de carbure (TiC) et des oxydes lors de la fusion de l’alliage. Cela augmente la concentration de Ni dans l’alliage TiNi, et dans notre cas, on a des teneurs en Ni de composition Ti Ni Mélange et homogénéisation Compactage à froid Fusion dans un four à induction Traitement d’homogénéisation de départ élevée. Avant d’utiliser le creuset, ce dernier a été recouvert par la poudre d’alumine et chauffé jusqu’à 500°C afin d’éviter la sensibilité au craquage thermique pendant le processus de fusion. Par la suite, l’alliage sous forme de comprimé de poudre est introduit dans le creuset. Enfin, le creuset est placé dans un tube en quartez, comme l’illustre la Figure 2.2. L’alliage a été fusionné sous vide primaire (10-3Mbar) et une atmosphère inerte d’argon. Pendant le processus d’élaboration, les spires du four à induction induisent un champ magnétique alternatif de haute fréquence, ce qui permet d’établir des courants de Foucault dans les composés, induisant par effet Joule de la chaleur qui fond l’alliage. La température augmente progressivement lors de la fusion, permettant aux métaux de se mélanger. L’homogénéité de l’alliage est atteinte par brassage électromagnétique (forces de Laplace). Cette fusion est réalisée sous vide pour éliminer les problèmes d’oxydation. Le refroidissement est assuré par un système de circulation d’eau. La température en surface du métal est mesurée par un pyromètre optique. Chaque alliage est fondu une deuxième fois dans le creuset pendant trois à quatre minutes pour assurer une bonne homogénéisation au sein de l’alliage. La vitesse de refroidissement dépend des échanges thermiques entre l’alliage liquide et le creuset en alumine, c.-à-d. des phénomènes de conduction et de convection, ce qui permet de maintenir une phase hors équilibre et d’éviter la cristallisation. Figure 2.2 : Photo du montage expérimental utilisé pour l’élaboration des alliages TiNi 

Traitement d’homogénéisation

Les traitements thermiques ont été réalisés en four tubulaire dans un tube en quartz sous vide primaire. Étant donné qu’après l’élaboration de ces alliages, et avant toute technique de caractérisation, l’ensemble des alliages TiNi à différentes teneurs en Ni, ont subi un recuit d’homogénéisation à l’état solide pendant 05 heures à 850°C. Le refroidissement dans le four assure une certaine homogénéité de la structure. 2.3. Caractérisation structurale L’étude de la microstructure des alliages Ti-Ni, a nécessité l’utilisation de diverses techniques de caractérisation. Celles-ci ont été corrélées entre elles. Pour l’analyse quantitative de la microstructure et la morphologie des alliages TiNi à différents teneurs en Ni, on a utilisé un microscope électronique à balayage. Les échantillons ont été préparés par polissage mécanique. Les phases formées et les structures cristallines des alliages Ti60Ni40, Ti50Ni50 et Ti40Ni60, ont été identifiées par diffraction des rayons X.

Analyse par diffraction des rayons X

La diffraction des rayons X est une méthode d’analyse non destructive permettant de déterminer la structure cristalline des phases présentes dans les alliages et leurs évolutions en déterminant la distance entre plans interarticulaires dans les matériaux cristallins. Les diffractogrammes sont présentés sous forme d’une courbe donnant l’intensité (nombre de coups) reçus par le détecteur en fonction de l’angle 2θ sur une plage angulaire définie au départ [112] [113]. Lorsqu’un rayon X monochromatique de longueur d’onde λ est envoyé sur un échantillon avec un angle incident θ, les plans réticulaires {hkl} du cristal, équidistants de d (distances interréticulaires), vont se comporter comme des miroirs et réfléchir l’onde lumineuse : c’est le phénomène de diffraction. Ce phénomène ne peut se produire que si les contributions des plans successifs sont en phase (interférences constructives), c’est-à-dire si la loi de Bragg est respectée : 2.dhkl.sin θ = n.λ Cette équation comporte deux paramètres expérimentaux qui sont θ (angle d’incidence des rayons X par rapport aux plans {hkl}) et λ (longueur d’onde radiative utilisée). Pour réaliser les conditions de diffraction sur une famille de plans {hkl}, la longueur d’onde a été fixée et la variable prise en compte est l’angle d’incidence θ. Ainsi, en faisant varier les valeurs de θ, il est possible de réaliser les conditions de Bragg successivement pour différentes familles de plan {hkl}. L’intensité des pics de diffraction est ensuite reportée en fonction de l’angle de déviation 2θ (ou parfois en fonction de d). L’identification de ses phases et les constituants de l’alliage a  été faite en comparant les 2θ du spectre expérimental avec les fiches ASTM (American Society for Testing Materials).La prédominance d’une phase est indiquée par les pics les plus intenses, et sa présence nécessite l’identification d’au moins trois de ces pics caractéristiques [113]. La diffraction des RX a été réalisée à l’unité de recherche URMA (Centre de recherche CRTI) d’Annaba par un diffractomètre de marque Rigaku/Ultima IV en utilisant un rayonnement Kα du Cu avec une longueur d’onde de 1,54 Å. Le tube de rayons X est alimenté par une tension de 40 kV et une intensité de 40 mA. Les échantillons ont été scannés à partir d’un angle de 2θ de 20° à 90° avec un pas de 0,01. 2.3.2. Microscopie électronique à balayage (MEB) Dans le présent travail, la morphologie des phases formées, ainsi que de la piste d’usure suite aux expériences de frottement à sec et d’usure, et de tribocorrosion, ont été observée à l’aide de la technique MEB afin de révéler la nature des phases existantes, et de comprendre les différents mécanismes d’usure. La microscopie électronique à balayage est utilisée pour caractériser les matériaux solides en donnant des informations sur la morphologie et la composition de la surface, de distinguer les détails de l’ordre du centième au nanomètre, grâce à la profondeur de champ. Le principe de base consiste en un faisceau d’électrons focalisé de haute énergie qui génère une variété d’interactions entre les électrons et la surface de l’échantillon solide. Le faisceau d’électrons est généré par une source appropriée, typiquement un filament de tungstène ou un canon à émission de champ. Sous l’impact du faisceau d’électrons, il y a émission d’électrons secondaires de faible énergie, une rétrodiffusion d’électrons du faisceau incident, provenant de l’ionisation des atomes de l’échantillon, et émission d’électrons Auger et de rayons X caractéristiques des éléments présents dans l’échantillon. Chacun étant recueilli par un détecteur différent positionné de manière appropriée. Les électrons secondaires permettent de distinguer les détails de la topographie de surface de l’échantillon. Cependant, les électrons rétrodiffusés permettent d’observer le contraste chimique. Le MEB utilisé à l’unité de recherche URASM (centre de recherche CRTI) est un ZEISS-EVO/MA25 couplé à la spectrométrie dispersive des rayons X en énergie EDS (OXFORD instruments X-MaxN ), celui du laboratoire de l’ENSMM un FEI-Quanta 250. Les deux ont un filament de tungstène. 2.4. Propriétés mécaniques Des essais d’indentation instrumentée sont effectuée pour remonter aux propriétés mécaniques (dureté et module d’Young) à partir d’une lecture graphique de la courbe charge – Chapitre 2. Matériaux et techniques expérimentales 55 déplacement, des mesures de microdureté Vickers, ainsi de rugosité ont été réalisés pour tous les alliages TiNi à différents teneurs en Ni en plus de l’alliage TA6V4 utilisé pour la comparaison. 2.4.1. Mesure de microdureté Vickers Les mesures de microdureté Vickers HV sont effectuées avec un microduromètre INNOVATEST sous une charge de 100g, pour lequel le pénétrateur est constitué par un diamant ayant la forme d’une pyramide à base carrée dont l’angle au sommet vaut 136°. La dureté Vickers est liée à la longueur de la diagonale de l’empreinte (d en mm) et à la charge appliquée (P en kg) par la relation : HV = 1,8544.P/d 2 2.4.2. Nanoindentation Les expériences de nanoindentation ont été réalisées à l’aide d’un Nanoindenter XP (Figure 2.3) avec un pénétrateur pyramide en diamant Berkovich avec un angle de 65,3° entre l’axe de l’extrémité et les faces de la pyramide triangulaire. La charge utilisée est 50mN, avec un taux de chargement de 300 mN/min. La dureté et le module d’élasticité représentent une moyenne de 20 essais pour chaque alliage. Pour la macroindentation on a utilisé un macroduromètre Zwick ZHU 2.5 (Figure 2.4) avec une charge de 100 N et une période de chargement de 12 s