Tableau d'honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2023

Thèse de doctorat : Sciences des matériaux : Metz : 2009. / Titre provenant de l'écran-titre. Notes bibliogr.

L'objectif global de cette étude est de fonctionnaliser les surfaces d'alliage de titane Ti6Al4V ELI (Ti) par des molécules bioactives dans le but de prévenir les infections sur une prothèse d'amputation transcutanée intra-osseuse (ITAP). Dans cette optique, deux stratégies ont été élaborées : l'une pour promouvoir l'attachement des cellules de la peau autour de l'implant et l'autre pour prévenir l'adhésion bactérienne à l'interface matériau-tissu. En premier lieu, la surface de Ti a été modifiée par la fibronectine (Fn), une glycoprotéine d'adhésion présente dans la matrice extracellulaire (MEC), qui favorise l'adhésion cellulaire. La Fn a été adsorbée ou greffée sur la surface de Ti. Deux bras d'ancrage différents ont été employés afin de greffer la Fn, soit la dopamine/l'anhydride glutarique (TiDopGA[indice g]Fn) et les phosphonates (TiPhos[indice g]Fn). Ces dernières conduisent à des groupes terminaux d'acide carboxylique sur le substrat, permettant le greffage covalent avec les groupements fonctionnels (NH₂) de la Fn. Le succès de chaque étape de modification a été vérifié par XPS et angle de contact. La quantité de protéine et la disponibilité des sites d'adhésion RGD (arginine-glycine-acide aspartique) de la Fn adsorbée ou greffée sur chacun des bras d'ancrage ont été évaluées par ELISA. L'effet des surfaces modifiées avec la Fn a été évalué sur la prolifération et l'étalement des fibroblastes d'une part et sur la force d'attachement des feuillets dermiques d'autre part. La Fn greffée via les phosphonates a une plus grande bioactivité et une meilleure activité biologique que celle greffée via la dopamine/l'anhydride glutarique ou lorsqu'elle a été adsorbée. La force d'arrachement des feuillets dermiques était significativement plus élevée autour des surfaces greffées de Fn via les phosphonates, par rapport aux surfaces non traitées. Par conséquent, cette étude met en évidence l'importance d'une sélection appropriée du bras d'ancrage pour contrôler étroitement les interactions cellulaires à l'interface tissu/implant. Le second volet de ce projet repose sur la fonctionnalisation de la surface de Ti par la vancomycine (Vanc), une glycopeptide ayant des propriétés antibactériennes. La Vanc a été greffée de façon covalente via les phosphonates (TiPhos[indice g]Vanc) selon une méthodologie similaire à celle utilisée pour greffer la Fn. Le greffage et la stabilité de la Vanc ont été confirmés par XPS et angle de contact. La surface modifiée par la Vanc permet de réduire l'adhésion des bactéries Staphylococcus epidermidis, bactéries responsables de la majorité des cas d'infections cutanées pour les implants percutanés, comparativement à la surface de Ti non traitée. Ces résultats soutiennent l'effet antibactérien des surfaces de Ti lorsqu'elles sont fonctionnalisées par la Vanc de façon covalente. / The overall goal of this study is to functionalize titanium alloys materials (Ti6Al4V ELI) using biomolecules in order to prevent infections on Intraosseous Transcutaneous Amputation Prosthesis (ITAP). In this context, two strategies have been developed: one to promote attachment of skin cells around the implant and the other to reduce bacterial adhesion at the material-tissue interface. First of all, the Ti6Al4V ELI was modified by fibronectin (Fn), an adhesion glycoprotein found in most extracellular matrices, which promotes cell recognition and adhesion. Fn was adsorbed or grafted onto the surface of Ti6Al4V ELI. Two different linkers were used to graft the Fn, dopamine/glutaric anhydride (TiDopGA[subscript g]) and phosphonate (TiPhos[subscript g]). The linking arms lead to terminal carboxylic acid groups on the substrate, allowing covalent grafting with the amine functions of Fn. The success of each modification step was assessed by XPS and contact angle. The quantity of protein and the availability of RGD adhesion sites of the Fn adsorbed or grafted via the two investigated linking arms were evaluated by ELISA. The effect of the Fn-modified surfaces was evaluated on the proliferation and spreading of fibroblast cells and on the attachment strength of the dermal layers. It has been evidenced that Fn grafted via phosphonates has a greater bioactivity and a better biological activity than Fn grafted via dopamine/glutaric anhydride or when adsorbed. The peeling force of the dermal layers was also significantly higher around surfaces grafted with Fn via phosphonates, compared to untreated surfaces. Therefore, this study highlights the importance of appropriate selection of the anchor arm to closely control cellular interactions at the tissue/implant interface. The second part of this study is based on the functionalization of the Ti6Al4V ELI surface by vancomycin (Vanc), a glycopeptide with antibacterial properties. Vanc was covalently grafted via phosphonate (TiPhos[subscript g]Vanc) using a similar methodology to that used to graft Fn. The grafting and stability of the Vanc was confirmed by XPS and contact angle. The Vanc-modified surface reduces the adhesion of Staphylococcus epidermidis bacteria, the bacterium responsible for the majority of skin infections in percutaneous implants, compared to the surface of untreated Ti6Al4V ELI. These results confirm the antibacterial effect of the Ti6Al4V ELI surfaces when covalently functionalized by the Vanc.

Cette étude, menée en collaboration avec Airbus, porte sur la modélisation du comportement mécanique en fissuration d'alliages aéronautiques incluant des alliages d'aluminium, de titane et un acier haute résistance. L'objectif est, à terme, de remplacer les essais expérimentaux, longs et coûteux nécessaires à la qualification d'un matériau dans le domaine aéronautique. Trois essais sont abordés dans cette étude : l'essai de ténacité, de courbe R et de propagation de fissure à fort DK. Une étude bibliographique a tout d'abord permis de choisir un modèle de référence pour ces travaux. Après avoir constaté la véracité des dires de Paul Valéry « Tout ce qui est simple est faux, tout ce qui n'est pas simple est inutilisable », le modèle de Lemaitre, couplé à un critère de rupture énergétique permettant de réduire la dépendance au maillage de la réponse numérique, est apparu comme le meilleur candidat. Ses avantages, incluant un cadre thermodynamique robuste, compensent son principal inconvénient qui est sa description basique de l'endommagement mise en défaut par des observations expérimentales. En effet celles-ci mettent en évidence que deux mécanismes de fissuration gouvernent la propagation de fissure à fort DK et/ou fort rapport R. C'est pourquoi deux variables d'endommagement ont été définies dans un modèle alternatif, proche du modèle de référence. Un tel modèle permet de conserver les qualités du modèle de Lemaitre sous chargement monotone tout en améliorant les simulations des essais de propagation de fissure à fort DK. De plus, l'un des points forts du modèle proposé est de permettre la modélisation sous certaines conditions des trois essais de qualification à partir de paramètre identifiés sur un seul essai de traction. Les simulations sous le logiciel de calcul par éléments finis Abaqus sont comparées aux essais afin de valider les améliorations apportées au modèle classique de Lemaitre. Les résultats, les avantages et les défauts sont explicités dans ce manuscrit.

Cette étude porte sur l'influence des défauts de fonderie sur la tenue en fatigue du Ti 6-4 moulé. L'objectif est de produire des données expérimentales en fatigue afin de quantifier l'impact des défauts liés au procédé de moulage à la cire perdue et d'identifier les mécanismes d'endommagement. Après la détermination d'une éprouvette représentative des pièces réelles, la première partie de l'étude expérimentale est menée sur des défauts sphériques artificiels de surface. Dans une seconde partie, des piqûres, retassures et inclusions de céramique sont étudiées. On montre que le Ti 6-4 moulé est un matériau tolérant aux défauts de type piqûre. On montre aussi que pour des durées de vie de 105 cycles les parts d'amorçage et de propagation sont équivalentes quand la fissure s'amorce à partir d'un défaut. Les retassures induisent un abattement en contrainte de 50% et les inclusions un abattement de 30 à 50% : la taille n'est pas le seul paramètre important. Le second objectif est de développer un outil numérique capable de prendre en compte explicitement le défaut. Un critère de fatigue multiaxial basé sur la distribution des contraintes autour du défaut est utilisé. Une discussion est menée sur les grandeurs pertinentes permettant de traduire l'influence d'un défaut selon son type et sa taille. L'application du critère implanté par voie analytique et en élasticité linéaire donne de bons résultats. Grâce aux défauts naturels, on montre qu'il est nécessaire de capter leur nature à l'aide d'un paramètre qui représente leur taille admissible. Le critère proposé permet de calculer des courbes S-N pour tout type de chargement et toute taille de défaut.

Deux problèmes surviennent lorsque nous étudions les effets du grenaillage de précontrainte sur le processus de la fatigue. Le premier est la caractérisation des contraintes résiduelles (CR) et de l’écrouissage. Le second est l’évolution de CR et de l’écrouissage pendant le cyclage.Pour résoudre le premier problème, cette thèse propose une méthode pour mesurer les contraintes et l’écrouissage par nanoindentation. Ici, l’écrouissage est représenté par la déformation plastique cumulée (PP). A l’aide d’une série de simulations par éléments finis (MEF) en supposant le comportement du matériau connu, les réponses obtenues par indentation permettent d’obtenir simultanément contrainte et déformation plastique. Bien que satisfaisante d’un point vue numérique, les performances expérimentales obtenues sur un alliage de titane temps T40 restent insuffisantes. Cependant, si le profil de contrainte est connu, on peut toutefois obtenir le profil de déformation plastique. Les biais induits par la préparation de la surface ont été analysés en détail. Pour le second problème, une série d'essais de fatigue ont été effectués sur un alliage Ti-18. Quatre traitements ont été testés sur 100 cycles sous 3 amplitudes différentes de déformation. Des mesures par diffraction des rayons X ont montré que la relaxation des contraintes et l’adoucissement cyclique augmentent avec l'amplitude de déformation. Les essais d’indentation ont montré un adoucissement de la couche grenaillée / There are two problems when investigating the effects of shot-peening on fatigue process. The first one is characterizing residual stresses (RS) and strain hardening (WH) on the sample surface. The second one is the evolution of RS and WH during fatigue. In order to solve the first problem, this thesis proposes a “simultaneous function method” to measure RS and WH with nanoindentation. Accumulated plastic strain (PP) is used to represent WH. Then, by establishing functions of normalized indentation responses through a series of finite element method (FEM) simulations, normalized indentation responses obtained from nanoindentation experiments can be used to extract RS and PP values, assuming that the constitutive behavior is known. Although the simultaneous function method shows fairly high accuracy from a pure numerical view point, experiments performed on T40 commercial pure titanium are not completely satisfying. However, if the residual stress profile is known, the method can be used to derive the work hardening profile.In order to study the second problem, a series of strain-controlled fatigue tests are performed on Ti-18 alloy. Fatigue specimens of 4 material states, including raw, shot-peened, prestrained and prestrained + shot-peened, were tested under 3 different strain amplitudes over 100 cycles. X-ray diffraction tests on the sample surfaces showed that the RS relaxation and the cyclic softening increase together with the strain amplitude. IIT tests showed that shot-peening may induce a softening of the surface of Ti-18 alloy samples

Les matériaux super-élastiques sous forme de couche minces présentent un domaine d’applications assez large. Grâce à leur aptitude à accommoder de grandes déformations de manière réversible, les films super-élastiques peuvent être utilisés comme sous couches entre le substrat et les revêtements dures. Cela permet d’améliorer significativement de nombreuses propriétés telles que : l’adhésion, le taux d’usure et le coefficient de frottement. Elles peuvent également être utilisées dans la fabrication des dispositifs médicaux tels que les stents. Bien que les alliages β-métastable à base de titane présentent des propriétés remarquables, une grande partie de la littérature publiée sur les films super-élastiques est consacrée aux alliages Ni-Ti. Ainsi, le but de ce travail est de développer de nouvelles couches super-élastiques de type β-métastable, obtenues par pulvérisation cathodique magnétron. Dans ce sens, deux types d’alliages ont été étudiés, les alliages binaires Ti-Nb et l’alliage quaternaire Ti-Nb-Ta-Zr. Après une description du dispositif expérimental utilisé pour la synthèse des couches, nous étudions plus particulièrement l’influence des paramètres de dépôt sur les propriétés des revêtements. La morphologie des revêtements a été caractérisée par microscope électronique à balayage. La diffraction de rayons X a été employée pour l’étude de la microstructure et la texture des films déposés. Enfin, l’effet super-élastique a été caractérisé par deux méthodes, l’indentation sphérique et la compression de micro-piliers usinés par faisceau d’ions focalisés / Superelastic thin films have a fairly wide field of applications. Thanks to their ability to accommodate a large deformation reversibly, superelastic films may be used as intermediate layers between the substrate and the hard layers. This significantly improves many properties such as adhesion, wear and coefficient of friction. They can also be used in the manufacture of medical devices such as stents. Although β-metastable titanium-based alloys have excellent properties, much of the published literature on the superelastic films is devoted to Ni-Ti. Thus, the purpose of this work is to develop new superelastic β-metastable titanium-based films, obtained by magnetron sputtering. After describing the experimental device used for the synthesis of thin films, we study more specifically the influence of deposition parameters on the properties of coatings. The morphology was characterized by the observation of fractured cross-sectional by scanning electron microscope. The X-ray diffraction was used to study the microstructure and texture of the deposited films. Finally, the superelastic effect was characterized by two methods, the spherical indentation and micro-pillars compression machined by focused ion beam

Titre de l'écran-titre (visionné le 5 juin 2023) / La fabrication additive (impression 3D) par fusion sélective au laser (FSL) permet de concevoir des pièces de géométries complexes en utilisant une large gamme de poudres métalliques. Cependant, la performance mécanique de ces pièces est affectée par trois facteurs : les porosités, l'anisotropie de la microstructure et les contraintes résiduelles (CR). À ce jour, l'inspection aux ultrasons pour le contrôle immédiat de la qualité des pièces n'a pas fait l'objet d'une étude systématique et complète. Ce projet de recherche a permis de développer des méthodologies aux ultrasons permettant de révéler et de quantifier la présence de défauts dans les pièces métalliques produites par fusion sélective au laser. D'abord, des échantillons d'acier (316L) et de titane (Ti-6Al-4V) de différentes densités, tailles de porosité et orientations granulaires ont été fabriqués en variant la vitesse et l'espacement entre les passes du laser. Ensuite, des échantillons porteurs de différents niveaux de contraintes internes ont été fabriqués en faisant varier la température du lit de déposition. Finalement, tous les échantillons ont été analysés aux ultrasons (vélocité, atténuation et fréquence de référence), ont fait l'objet d'une étude métallographique complète et ont été analysés par rayons X (niveau de CR). Les résultats de ces travaux ont démontré que l'analyse par ultrasons des pièces imprimées par FSL en acier et en titane était possible, et ce avec des fréquences ultrasonores allant de 5 MHz à 20 MHz. L'approche systématique utilisée a permis d'identifier et de quantifier les caractéristiques ultrasonores qui sont modifiées par les défauts métallurgiques présents dans des pièces issues de FSL. De plus, une corrélation a été établie entre les signatures ultrasonores et la masse volumique des échantillons. Cette étude permet de confirmer l'intérêt d'intégrer des pièces étalons issues de la fabrication additive dans le processus d'inspection aux ultrasons de pièces d'acier inoxydable et de titane issues elles aussi de procédés de fabrication additive. / The process of additive manufacturing (3D printing) by selective laser melting (SLM) enables the design of geometrically complex parts from a wide variety of alloys. However, their mechanical performance is impacted by the three following factors: porosity, microstructure anisotropy, and residual stress. Today, ultrasonic inspection for in-situ quality control of 3D-printed parts has not been subject to a systematic and comprehensive study. This project allows the development of a methodology using ultrasounds that reveals and quantifies metallurgic flaws inside parts manufactured by SLM. At first, samples of steel (316L) and titanium (Ti-6Al-4V) were produced by SLM at various densities, pore sizes, and grain orientations. These characteristics were obtained by varying the manufacturing speed and space between each path of the laser. Then, samples with different residual stress levels were produced by varying the build platform temperature. Finally, all the samples were analyzed with ultrasounds (velocity, attenuation, frequency), and were subject to a complete metallographic and X-ray study (residual stress). The results showed that the ultrasonic inspection of steel and titanium SLM parts was possible by using inspection frequencies between 5 MHz and 20 MHz. This systematic method revealed and quantified the ultrasonic characteristics affected by the metallurgic flaws contained in the SLM samples. Correlations between ultrasonic signature and density of samples were revealed. Overall, this study confirms the relevance of preliminary studies with standards made of metal parts produced by additive manufacturing, for the development of ultrasound-based nondestructive inspection procedures adapted to 3D-printed metal parts.