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Les alliages de titane
Actuellement, dans le domaine médical, le titane et ses alliages ont pris une place de plus en plus importante car ce sont des matériaux alliant la biocompatibilité à de bonnes propriétés physiques et mécaniques.
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Composition et classification
Le titane employé en odontologie est le plus souvent soit "pur" soit "allié". Le titane dit "pur" ou "non allié", ou plus exactement titane commercialement pur (Ti-cp), présente sur le plan chimique des éléments incorporés tels que l'oxygène, le fer, le carbone, l'azote et l'hydrogène. En fonction du pourcentage de ces différents éléments, on distingue 4 types de Ti-cp (Tableau 9).
D'autres éléments tels que l'aluminium, le vanadium, le palladium, le nickel ou même le cuivre peuvent être ajoutés au titane, en quantité plus importante, réalisant ainsi un alliage de titane dont les propriétés sont optimisées en fonction de l'application désirée (aéronautique, aérospatiale, armement...).
En implantologie, seul le TA6V (Ti- 6 % Al-4 %V) est utilisé.
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Rôle des constituants
Le titane se présente sous deux formes allotropiques, c'est-à-dire qu'il existe sous deux structures cristallines différentes, α et β.
La température de transformation allotropique se situe entre 882°C et 890°C en fonction de la méthode d'obtention du titane et de la présence d'éléments d'addition.
Au dessous de 882,5 °C, le titane se présente sous sa forme α, stable, de structure hexagonale compacte ou pseudo compacte [6]. Au dessus de 882,5°C, la phase β est de structure cubique centrée, stable. La température des transitions α <-> β est appelée transus β (T β).
Les alliages de titane peuvent être constitués soit exclusivement par la phase α, soit exclusivement par la phase β ou encore, le plus souvent, par un mélange des deux. On peut donc les classer en trois grandes familles α, β et α + β.
Les alliages α (100 % α à 20°C) sont résistants ; les alliages β (100 % β à 20°C) sont plastiques et sensibles aux traitements thermiques. Il est possible, en faisant varier les proportions de chaque phase, d'obtenir différents compromis. Les alliages α + β sont donc mixtes.
On peut distinguer 3 types différents d'éléments d'addition :
- Les éléments stabilisant α ou alphagènes, qui élèvent la température de transformation allotropique (transus β), sont l'aluminium , l'oxygène, le carbone et l'azote .
- Les éléments stabilisant β ou bétagènes, diminuent T β. Parmi ceux-ci on distingue les éléments β eutectoïdes comme le manganèse, le fer, le chrome, le silicium, le nickel et le cuivre, pouvant former des précipités.
- Enfin, certains éléments sont qualifiés de neutres, tels que le zirconium et l'étain.
Tous ces éléments d'addition jouent un rôle très important car ils influencent à la fois les propriétés de résistance à la corrosion, mais aussi les propriétés mécaniques, soit par modification de la morphologie, soit par le biais de solutions solides d'insertion ou de substitution.
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Solutions solides d'insertion
Elles se feront avec des éléments non métalliques de petites tailles.
- L'oxygène, élément alphagène, occupe les sites interstitiels du réseau hexagonal com-pact du titane α et entraine une modification des paramètres de la maille cristalline. Il en résulte une diminution du nombre de plans de glissement et le métal est donc moins ductile à tem¬pérature ambiante. Ce durcissement est mis en évidence par test de traction.
- Le carbone et l'azote, éléments alphagènes ont une influence identique à celle de l'oxy¬gène.
- L'hydrogène, élément bétagène se dissout principalement dans la phase β conduisant, même pour des faibles teneurs, à la formation d'hydrures lors du refroidissement. Ceci peut conduire à des fragilités importantes. C'est pourquoi toute manipulation nécessitant la fusion du métal doit se faire sous vide ou sous argon, pour ne pas entraîner de fragilisation importante du titane (coulée, soudures).
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Solutions solides de substitution
Elles se feront avec des éléments métalliques de rayon atomique voisin de celui du titane.
- L'aluminium, élément alphagène, durcit la phase α ; on constate une amélioration de la résistance et une baisse de ductilité; la tenue au fluage est améliorée. On limite à 7 % (en poids) sa concentration dans les alliages.
- Le molybdène, améliore la résistance, la ductilité et le fluage à moyenne température. Il augmente aussi la tenue à l'oxydation.
- Le vanadium, élément bétagène isomorphe, améliore la ductilité, mais baisse la tenue à l'oxydation.
- Le fer, élément betagène eutectoïde, améliore le compromis résistance-ductilité-fluage à moyenne température ; il baisse considérablement T β et permet de travailler à température plus basse.
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