Performances mécaniques améliorées du Fe biodégradable MIM

28 avril 2023

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Les biomatériaux métalliques dégradables constituent une nouvelle famille d’alliages susceptibles d’être utilisés dans des implants médicaux à fonction temporaire. Ces alliages sont considérés comme des substituts potentiels aux alliages résistants à la corrosion actuellement utilisés pour les implants orthopédiques, cardiovasculaires et pédiatriques. Le développement de matériaux à base de fer présente un intérêt particulier pour les applications porteuses, le Mn étant considéré comme l'un des éléments d'alliage les plus prometteurs.

Des études ont rapporté que la quantité de Mn libérée par la dégradation des alliages à base de FeMn dans les fluides corporels est bien inférieure à leur niveau de toxicité dans le sang et que le corps peut également métaboliser rationnellement la libération progressive de Mn. Pendant ce temps, le potentiel d’électrode de Mn est inférieur à celui de Fe ; la solution solide infinie formée par Fe-Mn a un potentiel de corrosion plus élevé ; et, lorsque la teneur en Mn est supérieure à 29 % en poids, les alliages Fe-Mn possèdent une seule phase austénitique, améliorant ainsi la compatibilité avec l'imagerie par résonance magnétique (IRM). L'ajout de C peut encore améliorer le taux de dégradation des alliages à base de FeMn en formant des cellules galvaniques locales et améliore simultanément la résistance et la plasticité des alliages Fe-Mn.

Des recherches menées au Laboratoire clé d'État chinois de métallurgie des poudres de l'Université Central South, en coopération avec le deuxième hôpital XiangYa, également situé à l'Université Central South de Changsha, ont montré que l'alliage Fe-35Mn avec l'ajout de 0,5C a une faible volatilité en Mn, haute densité et propriétés mécaniques favorables lorsqu'ils sont produits par moulage par injection de métal. Les résultats de la recherche ont été publiés dans un article intitulé « Enhanced Mechanical Performance of a Biodegradable Fe-Mn Alloy Manufactured by Metal Injection Molding and Minor Carbon Addition », par Ye Zhang et al., dans Metals, 12, 884, 23 mai. , 2022, 9 p.

Les auteurs ont déclaré que, dans leurs travaux antérieurs sur la détermination des propriétés mécaniques et de dégradation des alliages dégradables Fe-Mn produits par MIM, il avait été constaté qu'il y avait encore une perte significative de Mn (2,25 %) due à la volatilisation pendant le frittage, l'impureté d'oxygène la teneur est élevée (0,32 en poids %) et la densité relative n'atteint qu'environ 93 %. Le mécanisme de déformation unique et la porosité élevée ont entraîné des propriétés mécaniques relativement médiocres (résistance à la traction de 558 MPa et allongement de 10,8 %). Le présent travail rapporté visait donc à introduire et à optimiser la teneur en carbone dans l'alliage MIM Fe-Mn, en utilisant le frittage sous pression, et à examiner la microstructure frittée, les propriétés mécaniques et le mécanisme de déformation mécanique correspondant.

Dans cette étude, des poudres pré-alliées de Fe-35Mn (D50 = 14,0 µm) et de graphite (D50 = 30,8 µm) ont été mélangées avec un système de liant multi-composants (60 % en poids de paraffine + 36,5 % en poids de polyéthylène haute densité + 3,5 % en poids d'acide stéarique) pour produire la matière première MIM, avec une charge de poudre à 58 % en volume. La matière première Fe-35Mn a également été préparée sans ajout de carbone pour comparer les propriétés frittées. La matière première granulée a été moulée par injection pour produire les échantillons de pièces vertes Fe-35Mn-0,5C, ayant une longueur de 108 mm et un diamètre de 3,8 mm, comme le montre la figure 1 (c).

Une méthode de déliantage en deux étapes a été utilisée, impliquant un déliantage au solvant (dichlorométhane, 40 ° C, 8 h), suivi d'un déliantage thermique (argon, 600 ° C, 1 h). Les échantillons déliés ont ensuite été frittés à 1 200 °C pendant 7 h sous une atmosphère de vide poussé (10−1 Pa) ou une atmosphère d'argon en utilisant une pression appliquée de 5 atm. Le choix de la température de frittage et du temps de maintien faisait principalement référence à la pression de vapeur d'équilibre de Mn établie par les auteurs dans leur étude précédemment rapportée.

Il a été constaté qu’une petite quantité de vapeur de Mn volatilisée était continuellement évacuée pendant le frittage sous vide, favorisant la perte continue de Mn pendant le processus de frittage. Cependant, ce problème a été évité lors du frittage sous pression, qui réduit considérablement la volatilisation du Mn et garantit la stabilité de la composition de l'alliage. Le tableau 1 montre la teneur en éléments et la densité relative des trois compositions étudiées. Comme on peut le constater, la densité relative du Fe-35Mn fritté sous pression avec 0,5 % de carbone ajouté (PS0,5) a atteint 97 %. Les pores de l’alliage fritté sous vide (VS) se sont révélés avoir des formes irrégulières, tandis que les pores des alliages PS et PS0,5 frittés sous pression dans l’argon étaient fins et uniformes.