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Comportement à l’usure et au frottement de deux biomatériaux AISI 316L et Ti-6Al-7Nb pour prothèse totale de hanche

Friction and wear behavior of biomaterials alloys AISI 316L and Ti-6Al-7Nb for total hip prosthesis

¹ Tribologie et Matériaux, Laboratoire de fonderie, Université BADJI Mokhtar-Annaba, B.P. 12, 23000 Khenchela, Algérie
² Département de génie mécanique, Université Abbes LAGHROUR Khenchela, B.P. 1252, 40004 Khenchela, Algérie
³ Département de science de la matière, Université Abbes LAGHROUR Khenchela, B.P. 1252, 40004 Khenchela, Algérie
⁴ Laboratory of Mechanics Surfaces and Materials Processing, ARTS ET MÉTIERS ParisTech, 8 Boulevard Louis XIV, 59046 Lille Cedex, France

^* e-mail: mamoun.fellah@yahoo.fr

Reçu : 18 Juillet 2017
Accepté : 24 Septembre 2018

Résumé

On s’est intéressé dans ce travail à l’analyse du comportement à l’usure et au frottement de deux prothèses totales de hanche en acier AISI 316L et en alliage à base de titane Ti-6Al-7Nb. Les propriétés tribologiques d’usure par glissement sont évaluées à l’aide d’un tribomètre TriboTechnic muni du logiciel tribotester, en accord avec les standards ASTM G 133–95, ISO 7148-1:2012 et ASTMG 99, en présence d’un milieu physiologique (solution de Hank) à une température de 28 à 30 °C. La bille en alumine (Al₂O₃) a été choisie comme antagoniste. Trois vitesses (1, 6 et 15 mm.s⁻¹) et quatre forces normales (2,4,6 et 10 N) ont été appliquées. Après chaque essai de frottement, l’état de surface a été analysé par un microscope électronique à balayage. Le coefficient de frottement et le volume d’usure étaient plus faibles dans les échantillons testés à une force appliquée de 2 N sous une vitesse de 1 mm.s⁻¹ (0,12 et 0,33) et (0,07 × 10⁷ et 0,09 × 107 μm³) pour l’acier AISI 316L et le Ti-6Al-7Nb, respectivement. Les valeurs du coefficient de frottement obtenues respectent les normes imposées par le domaine du biomédical notamment au niveau de l’état de surface articulaire des prothèses de hanche.

Abstract

The focus of the present research is to evaluate the friction and wear behavior of two biomaterials alloys for total hip prostheses use, SS AISI 316L and α + β type titanium alloy (Ti-6Al-7Nb). A ball-on-disk tribometer (TRIBOtester) was used for tribological tests under wet condition using physiological solution (Hank’s solution) according to the ASTM G 133–95, ISO 7148-1:2012, and ASTMG 99 standards. The tests were carried out under a range of applied loads of 2, 4, 6, and 10 N respectively at a sliding velocity of 1, 6 and 15 mms⁻¹ with an alumina (Al₂O₃) ball as a counterface. After the wear tests, the morphology of worn surfaces was observed by scanning electron microscopy (SEM). The friction coefficient and wear volume were lower in the samples tested under applied load of 2 N and 1 mm.s⁻¹, (0.12 and 0.33) and (0.07 × 10⁷ and 0.09 × 107 μm³) for SS AISI 316L and Ti-6Al-7Nb, respectively. The friction coefficient values obtained in this work are complying with the standards imposed by the biomedical field, in particular with regard to the joint surface state of hip prostheses.