Optimisation d'un alliage Fe-Mn-Zn pour la mise en oeuvre d'implants bio-résorbables

De nombreux soins médicaux requièrent la mise en place d'implants dans le corps humain. Toutefois, la plupart de ces implants deviennent inutiles, et même néfastes, après la guérison de la zone endommagée. L'utilisation d'implants bio-résorbables permet d'éviter de nombreuses complications médicales subséquentes. Cependant, les matériaux constituant ces implants doivent répondre à un cahier des charges sévère: ceux-ci doivent posséder d'excellentes propriétés mécaniques telle qu'une haute rigidité, ductilité et capacité d'écrouissage, ainsi qu'une vitesse de dégradation contrôlable, sans induire de problèmes de toxicité. En particulier, plusieurs études ont montré que les alliages à base Fe-Mn répondaient aux critères de propriétés mécaniques et de biocompatibilité, mais que leur vitesse de dégradation était insuffisante. Afin d'augmenter la vitesse de corrosion de ces alliages, l'ajout de Zn dans le système Fe-Mn a été proposé. Cependant, peu d'informations existent dans la littérature à propos du système Fe-Mn-Zn, et ce mémoire investigue la stabilité des phases formées dans le système Fe-Mn-Zn à 700°C par la mise en oeuvre d'un multiplet de diffusion. Fe, Fe-28Mn et Zn ont été mis en contact intime et la diffusion entre ces différents éléments a été activée par un traitement thermique à 700°C de 24h. Les interfaces binaires et ternaire ont été analysées par EBSD, SEM, EDX et par nanoindentation afin de lier les phases stabilisées aux microstructures formées, aux compositions et aux propriétés mécaniques associées. Une phase CC métastable a été observée à l'interface entre Fe et Fe-28Mn, pour une concentration comprise entre 2.5%pds Mn et 13%pds Mn. Trois microstructures se sont développées dans cette phase métastable. Des alliages de composition homogène correspondant à la phase ferritique (Fe-2Mn) et à deux des trois autres microstructures observées (Fe-4.5Mn et Fe-12Mn) ont été mis en oeuvre. Leurs propriétés mécaniques ont été mesurées par un test de traction. Fe-4.5Mn montre une résistance accrue à la déformation plastique associée à une diminution de sa ductilité par rapport aux alliages ferritiques typiques (Fe-2Mn), et Fe-12Mn révèle un taux d'écrouissage important et une rigidité réduite de l'alliage Fe-12Mn, par rapport aux deux autres alliages Fe-Mn. La diffusion de Zn dans Fe et Fe-Mn induisit une zone de diffusion de composition inhomogène, comprise entre Fe-25Zn et Fe-35Zn pour la diffusion de Zn dans Fe, et entre Fe-10Mn-34Zn et Fe-7Mn-38Zn pour la diffusion de Zn dans Fe-28Mn (tous les alliages étant donnés en %pds). Cette zone est constituée d'une matrice ferritique et de particules riches en Zn, dont la quantité augmente lors de la diffusion de Zn dans un alliage Fe-Mn à plus haute concentration en Mn. La microstructure induite par ces particules riches en Zn peut être soit globulaire, soit lamellaire. La présence de Zn et de particules riches en Zn dans cette zone de diffusion provoque un durcissement structural important de l'alliage, et un comportement fragilisant a été observé. Une deuxième zone de diffusion de Zn est formée dans les alliages Fe-Mn de plus de 10%pds Mn. Celle-ci est austénitique et sa microstructure est homogène. Sa dureté est presque deux fois plus faible que celle de la première zone de diffusion, montrant un durcissement structural moins important. Les alliages austénitiques Fe-Mn-Zn semblent prometteurs pour l'application d'implants biorésorbables, d'autant plus que la phase austénitique est généralement moins résistante à la corrosion que la phase ferritique. Plusieurs techniques de mise en oeuvre d'alliages Fe-Mn-Zn ont ensuite été étudiées, celles-ci étant difficiles à cause de la haute tension de vapeur de Zn. La coulée de Fe, Mn et Zn a été tentée de différentes manières, mais l'entrée à l'état liquide de Zn induit toujours son évaporation rapide. La stabilisation à l'état solide de Zn à haute température fut réalisée par la mise en oeuvre d'alliages Fe-Zn à partir de poudres de Fe et Zn, grâce à un traitement de diffusion à 800°C. La chauffe de cet alliage à 1255°C avec Mn permit la formation de compositions ternaires inhomogènes à l'interface de l'alliage, mais induisit également de grandes pertes de Zn. Finalement, la mise en oeuvre d'alliages poreux Fe-Mn-Zn de composition homogène a été réalisée à partir de poudres Fe, Mn et Zn par un traitement de diffusion de 2 jours à 800°C.