Thesis (M.S.); Submitted to Iowa State Univ., Ames, IA (US); 19 Dec 2004. / Published through the Information Bridge: DOE Scientific and Technical Information. "IS-T 2498" Seymen Murat Aygun. US Department of Energy 12/19/2004. Report is also available in paper and microfiche from NTIS.

Thesis (Ph.D.); Submitted to Iowa State Univ., Ames, IA (US); 19 Dec 2004. / Published through the Information Bridge: DOE Scientific and Technical Information. "IS-T 2322" Yoon-Jun Kim. US Department of Energy 12/19/2004. Report is also available in paper and microfiche from NTIS.

Le Titane (Ti) est un matériau biocompatible largement utilisé dans le domaine biomédical, notamment pour les implants orthopédiques (prothèse de hanche ou du genou par exemple). Il se distingue plus particulièrement par son excellente résistance à la corrosion et sa capacité d’ostéo-intégration. Cependant, une surface plane de Ti n’est pas assez bioactive pour être implantée ; il est nécessaire d’avoir recours à un traitement de surface pour améliorer ses propriétés. La modification de la surface du titane par anodisation permet la synthèse de nanotubes (NTs) de TiO2 ordonnés et verticalement alignés. Cette technique, peu couteuse, rapide et facile à mettre en œuvre permet également de contrôler finement la morphologie des NTs (diamètre, longueur, aspect des parois…). De plus, les NTs étant amorphes après anodisation, la structure cristalline peut être ajustée par un traitement thermique, conduisant à une structure anatase (450°C) ou à une structure mixte d’anatase et de rutile (550°C).Ainsi, des surfaces de différentes morphologies et différentes structures cristallines ont été synthétisées dans ce travail de thèse, afin d’évaluer l’influence des caractéristiques morpho-structurelles sur la résistance à la corrosion en milieu physiologique et sur la bioactivité (formation d’hydroxyapatite et réponse cellulaire).Nous avons démontré dans cette étude que les NTs cristallisés présentent une plus grande résistance à la corrosion et une meilleure bioactivité que les NTs amorphes (ou que les surfaces planes de Ti). Plus précisément, en tenant compte des aspects électrochimiques, thermiques, mécaniques, chimiques et de bioactivité, il semblerait que des NTs mixtes d’environ 720 nm de long et 90 nm de diamètre constituent une surface optimale pour les applications visées.D’autre part, dans le cadre de l’étude des propriétés électrochimiques de l’interface, une attention toute particulière a été accordée dans ce travail de thèse à la modélisation des résultats de mesures par Spectroscopie d’Impédance Electrochimique (SIE). Il s’avère que la réponse en impédance des NTs de TiO2 en milieu physiologique correspond au modèle d’électrode poreuse de De Levie. Toutefois, pour des électrodes poreuses non-idéales, cette théorie peut être généralisée et modélisée par des lignes de transmission. Ainsi, le modèle de ligne de transmission proposé dans cette étude s’ajuste de façon très satisfaisante aux mesures expérimentales. Il permet notamment de mettre en évidence la nature très peu réactive des NTs de TiO2, justifiant ainsi leurs applications dans le domaine biomédical. / Titanium (Ti) is a biocompatible material widely used in the biomedical field, especially for orthopedic implants (for instance hip or knee replacement). It is particularly corrosion resistant and shows remarkable osseointegration properties. However, plane Ti surfaces are not bioactive enough to be implanted; they need to be improved by surface treatments. Surface modification of Ti by anodization enables to synthesize self-organized and vertically aligned TiO2 nanotubes (NTs). This cheap, fast and easily implementable technique also permits a fine tuning of NTs morphology (diameter, length, wall look, etc.). Moreover, since as-anodized NTs are amorphous, crystalline structure may be adjusted by heat treatment, producing anatase structure (450°C) or a mixed structure of anatase and rutile (550°C).Therefore, surfaces of different morphologies and crystalline structures have been synthesized in order to evaluate the influence of these characteristics on corrosion resistance in physiological medium and on bioactivity (hydroxyapatite formation and cell response).We demonstrated that crystallized NTs are more corrosion resistant and more bioactive than amorphous ones or even than flat Ti surfaces. More precisely, considering electrochemical, thermal, mechanical, chemical and bioactive aspects, it seems that mixed NTs of about 720 nm in length and 90 nm in diameter constitute an optimal surface for the present applications.Additionally, in the frame of electrochemical investigations, we focused on modeling experimental results from Electrochemical Impedance Spectroscopy (EIS) measurements. The impedance response of TiO2 NTs in physiological conditions can correspond to porous electrode model as developed by De Levie. However, for non-ideal electrodes, this theory can be generalized and modeled by transmission lines. Thus, the transmission line model developed in this study fits very well with experimental measurements. It suggests that TiO2 NTs are almost non-reactive, justifying their applications in biomedical fields.

Abstract Stabilized ferritic stainless steel grades are attractive alternatives to common austenitic grades in sheet metal applications. Compared with older unstabilized ferritic grades, the mechanical and corrosion properties are usually improved. The impurity level, mainly the amount of interstitial carbon and nitrogen, plays an important role in these steels. There are notable issues in the welding of these steels, the most apparent difference to austenitic steels is the susceptibility to brittle failure. This research focused on the influence of minor elements, especially aluminium, calcium, silicon, titanium, niobium, nitrogen and oxygen, on the weldability of modern intermediate purity level stabilized ferritic stainless steels. The research proceeded in several stages. At first, the general characteristics and performance data about the welds in currently manufactured 11 to 21 mass percent chromium ferritic stainless steels in Europe was obtained. The research then focused on novel high chromium stabilized ferritic stainless steels. Lastly, the influence of various steelmaking practices on weldability were investigated. The results showed that in stabilized ferritic stainless steels, slag islands are frequently seen in the molten weld pools. These islands can have many origins, e.g. deoxidation, calcium treatment and stabilization practices, and they can be roughly assessed from the chemical composition of the steel. The nature and the influence of these slags varies and can be related to irregularities in the weldability and molten metal fluid flow. Large grain size and titanium carbonitride particles impair the toughness of the heat-affected zone. Generally, stabilization with niobium is preferred. However, solely niobium stabilized steel welds run the risk of forming coarse columnar grains in welds deteriorating some of the properties. A breakdown of the columnar grains is possible to achieve in autogenous welds with minor titanium and aluminium alloying, provided that small amounts of nitrogen and oxygen are induced from the shielding gas. However, grain refinement may not improve the properties, if it is accomplished with an increase in the total interstitial content. / Tiivistelmä Stabiloidut ferriittiset ruostumattomat teräkset soveltuvat korvaamaan tavanomaisia austeniittisia ruostumattomia teräksiä ohutlevysovelluksissa. Näillä teräksillä keskeiset mekaaniset ja korroosio-ominaisuudet ovat usein paremmat kuin varhaisilla, stabiloimattomilla ferriittisillä teräksillä. Hiili ja typpi ovat näissä teräksissä kuitenkin epäpuhtauksia. Toisin kuin austeniittiset teräkset, ferriittiset teräkset ovat alttiita haurasmurtumalle, erityisesti hitsatuissa rakenteissa. Tässä väitöstutkimuksessa keskityttiin mikroseosaineiden ja epäpuhtauksien vaikutukseen keskipuhtaiden stabiloitujen ferriittisten teräslajien hitsauksessa. Tutkimus kohdistui erityisesti alumiinin, kalsiumin, piin, titaanin, niobin, typen ja hapen vaikutuksiin. Aluksi tutkittiin kaupallisten terästen hitsien keskeisiä ominaisuuksia. Tämän jälkeen tutkittiin uusia ns. korkeakromisia stabiloituja ferriittisiä teräslajeja. Lopuksi tutkittiin teräksen valmistuksen vaikutuksia stabiloitujen ferriittisten ruostumattomien terästen hitsattavuuteen. Tutkituilla teräksillä hitsauksen aikana muodostui runsaasti kuonalauttoja. Näillä kuonilla on monta alkuperää, esim. deoksidointi, kalsiumkäsittely ja stabilointiaineet. Hitsien kuonaisuutta voidaan karkeasti arvioida teräksen kemiallisen koostumuksen perusteella. Muodostuvilla kuonilla on useita vaikutuksia hitsauksessa, mm. epäjatkuvuuksiin ja sulan virtauksiin. Hitsauksessa muodostuva suuri raekoko ja stabiloinnin titaanikarbonitridipartikkelit heikentävät oleellisesti hitsin muutosvyöhykkeen sitkeyttä. Stabilointi käyttäen pääasiassa niobia on toivottavaa, mutta jos stabilointiin käytetään vain niobia, tulee hitsin mikrorakenteesta karkea ja hitsin ominaisuudet voivat heikentyä. Karkean mikrorakenteen hienontaminen on mahdollista käyttäen suojakaasuna argonia, jossa on hieman typpeä ja happea, mikäli teräkseen on seostettu hieman alumiinia ja titaania. Raerakenteen hienontaminen ei kuitenkaan yksiselitteisesti paranna hitsin ominaisuuksia, mikäli hienontaminen saavutetaan kasvattamalla epäpuhtauspitoisuutta tarpeettoman korkeaksi.

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