Réponse microstructurale et comportement à l'usure du Ti

Rapports scientifiques volume 12, Numéro d'article : 21978 (2022) Citer cet article

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Les alliages de titane sont connus pour leur excellente résistance à la corrosion ; cependant, une faible dureté de surface entraîne une mauvaise résistance à l’usure, ce qui limite son application potentielle. Cette étude utilise un nouveau processus en deux étapes pour incorporer un revêtement dur de Ni contenant un mélange de particules nanométriques (Al2O3 et TiO2) dans la surface de l'alliage Ti-6Al-4V à l'aide d'un arc électrique produit pendant le processus de soudage au gaz de tungstène inerte. La surface de l'échantillon a été évaluée à l'aide de la microdureté Vickers, de la microscopie électronique à balayage, de la spectroscopie à dispersion d'énergie et des tests d'usure des broches sur plaque. L'analyse microstructurale a montré que l'imprégnation de la surface du titane avec des nanomatériaux Ni/(Al2O3 et TiO2) entraînait la formation d'une structure martensitique dure jusqu'à une profondeur d'environ 2 mm sous la surface. Les changements observés sont dus à la modification de la chimie de surface et à la présence de nickel, provoquant une réduction de la taille des grains, un renforcement de la solution solide et un renforcement de la dispersion de la couche traitée par les nanoparticules. La dureté de la couche traitée a augmenté de plus de 180 % lorsque des particules d'Al2O3 de 40 nm et de TiO2 de 30 nm ont été incrustées dans la surface. De même, la résistance à l'usure de la surface traitée s'est améliorée de 100 %.

L’utilisation des alliages de titane s’est considérablement développée depuis leur premier développement au début des années 1950. Il trouve désormais des applications dans plusieurs environnements de travail extrêmes où une résistance et des performances élevées sont requises1. Les propriétés mécaniques et de résistance à la corrosion sont souhaitables et ont des applications importantes dans les industries automobile, aérospatiale et biomédicale2. Une attention considérable a également été accordée aux alliages de titane dans différents domaines, notamment les gadgets militaires et les produits civils. Le premier alliage de titane pratique était l’alliage Ti6Al4V, développé dans les années 1950 pour les applications aérospatiales et militaires. Plusieurs années après son développement, l’alliage Ti6Al4V reste le matériau le plus performant et le plus fréquemment utilisé dans les applications biomédicales et aérospatiales3.

Bien que l'alliage Ti6Al4V possède de nombreuses caractéristiques de résistance mécanique et de résistance à la corrosion, une limitation principale est une faible dureté de surface, ce qui se traduit par une faible résistance à l'usure et un coefficient de frottement élevé4. Ces limitations empêchent l'application de l'alliage Ti6Al4V dans des situations où des charges de contact élevées sont utilisées4. Au cours des deux dernières décennies, de nombreuses méthodes permettant d'améliorer la dureté de surface des alliages de titane ont été étudiées, telles que l'implantation ionique5, les traitements thermiques, le dépôt physique en phase vapeur (PVD) et le dépôt chimique en phase vapeur (CVD)6. La nitruration gazeuse s'est révélée la plus prometteuse en termes d'amélioration de la dureté de la couche superficielle grâce à un processus de diffusion à haute température généralement réalisé aux alentours de 1 000 °C7,8. Un facteur limitant dans ce processus est la croissance des grains constamment enregistrée en raison de l’exposition à des températures élevées9. Le procédé combiné gaz et CVD a également montré le potentiel d’amélioration de la dureté de la surface du titane. Cependant, le procédé est discontinu puisqu'il doit être réalisé dans deux réacteurs10. Dans une autre étude de Tobola et al.11, les chercheurs ont exploré un processus en deux étapes dans lequel les composants en titane étaient brunis avec une force de 130 N avant d'être soumis à un processus de nitruration gazeuse. Tandis que la dureté superficielle du Ti6Al4V augmentait, le traitement mécanique conduisait à la formation de nombreux défauts sous forme de dislocations et d'ouvertures aux limites des grains. Des techniques telles que les revêtements de surface ont été tentées ; cependant, une principale limitation de cette méthode est la faible force d’adhésion entre les revêtements déposés et l’alliage de titane12.

D'autres techniques impliquent l'utilisation de sources d'énergie concentrées pour durcir la surface de l'alliage de titane. Les sources d'énergie typiques comprennent le laser13, le plasma ou le faisceau d'électrons pour fournir la densité de puissance élevée requise pour traiter la surface14. Bien que ces techniques présentent un potentiel important pour le durcissement des surfaces en alliage de titane, l'équipement nécessaire est d'un coût prohibitif. Dans une autre étude, la surface du Ti6Al4V a été durcie à l'aide de l'arc électrique généré lors du soudage au gaz de tungstène inerte pour faire fondre les surfaces en conjonction avec de l'azote gazeux afin de produire une couche de nitrure sur la surface de l'alliage Ti6Al4V. La zone traitée thermiquement est généralement recouverte d'azote pour produire une couche de nitrure. Le gaz argon est également utilisé pour prévenir toute forme de contamination. La dureté et la résistance à l'usure des couches nitrurées dépendaient de la densité et de la quantité d'azote gazeux utilisée. Améliorer les propriétés de surface d'un matériau en modifiant la surface est devenu une exigence essentielle avant toute application tribologique pratique15. L'alliage Ti6Al4V nécessite un traitement de surface approprié pour améliorer ses performances en matière de réduction du frottement, de dureté, de résistance à l'usure et de stabilité chimique8,10. Le traitement de surface garantit que l'alliage Ti6Al4V conserve ses propriétés globales souhaitées tout en élargissant son application dans divers domaines. La modification de la surface est également un bon facteur qui englobe les performances d'un composant d'ingénierie et son coût. Différentes technologies de modification de surface de l'alliage Ti6Al4V ont été développées en fonction de leurs propriétés chimiques. Ces techniques ont montré divers niveaux de réussite et des limites supplémentaires liées au coût de l'équipement utilisé et au temps nécessaire pour réaliser des changements de surface et des améliorations de la résistance à l'usure4,5.