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Caractérisation nano-mécanique et tribologique des revêtements TiO₂ et TiN déposés sur acier inoxydable 316L pour applications biomédicales

Nanomechanical and tribological characterization of TiO₂ and TiN coatings deposited on 316L stainless steel for biomedical applications

¹ Institut Supérieure des études technologiques de Nabeul, Campus Universitaire Mrezgua, 8000 Nabeul, Tunisie
² Laboratoire de Mécanique, Matériaux et Procédés LR99ES05, École Nationale Supérieure d’Ingénieurs de Tunis, Université de Tunis, 5 AvenueTaha Hussein, Montfleury, 1008 Tunis, Tunisie
³ Institut préparatoire aux études d’ingénieurs d’El Manar, Université de Tunis, B.P. 244, 2092 Tunis, El Manar, Tunisie

^* e-mail: benaisa_chokri@yahoo.fr

Reçu : 14 Septembre 2020
Accepté : 4 Mai 2021

Résumé

Dans ce travail, nous avons développé des couches nanométriques biocompatibles à base de titane (TiN et TiO₂) sur acier inoxydable 316L, par CAE-PVD (Cathodic Arc Evaporation), qui est un procédé efficace pour la synthèse de revêtements de haute qualité. Nous avons axé notre étude sur une caractérisation mécanique et tribologique des revêtements par des tests d’indentation et des rayures. Les résultats obtenus montrent une morphologie dense et uniforme couplée à des propriétés mécaniques et interfaciales importantes. Les revêtements TiN et TiO₂ ont montré une dureté comprise entre 5,9 GPa et 8,23 GPa. La mesure de l’adhérence par des tests de rayure a montré que les deux revêtements ont une qualité d’adhérence légèrement différente. Les couches développées en TiN et TiO₂ ont montré des charges de cohésion critiques comprises entre 1,8 N et 3,3 N avec une charge d’adhérence critique de 13,1 N. Les propriétés tribologiques ont été étudiées, en utilisant un test de Scratch multi-passes à charge constante, ce qui a permis de déterminer le coefficient de frottement et le taux d’usure énergétique. Les coefficients de frottement des deux couches étudiées sont du même ordre de grandeur (0,1), mais on peut dire que la résistance au frottement varie d’une couche à l’autre. L’énergie spécifique d’usure était comprise entre 3,09 × 10⁻⁵ J/μm³ et 8,36 × 10⁻⁵ J/μm³, et elle n’a pas changé après immersion de la couche de TiN pendant 48 h dans une solution de NaCl à 3 %. Le film mince de TiN, connu pour sa biocompatibilité et ses performances biologiques, a montré des propriétés mécaniques et tribologiques qui lui permettent d’être utilisé dans les implants de hanche et de genou.

Abstract

In this work, we have developed titanium-based biocompatible nano-sized layers (TiN and TiO₂) on 316L stainless steel (SS), by CAE-PVD (Cathodic Arc Evaporation), which presents an efficient process for the synthesis of coatings with controlled properties. We focused our study on a mechanical and tribological characterization of coatings by indentation tests and scratch tests. The results obtained show a dense and uniform morphology coupled with important mechanical and interfacial properties. The TiN and TiO₂ coatings showed a hardness of between 5.9 GPa and 8.23 GPa. Measurement of adhesion by scratch tests showed that both coatings have a slightly different adhesion quality. The TiN and TiO₂ developed layers showed critical cohesion loads of between 1.8 N and 3.3 N with a critical adhesion load of 13.1 N. Tribological properties were investigated, using a constant multi-pass Scratch test, allowed to examine the coefficient of friction and to determine the rate of energetic wear. The friction coefficients of the two layers studied are of the same order of magnitude (0.1), but we can say that the resistance to friction varies from one layer to another. The specific energy of wear was between 3.09 × 10⁻⁵ J/µm³ and 8.36 × 10⁻⁵ J/µm³, and it did not change after immersion of the TiN layer for 48 h in a 3% NaCl solution. The TiN thin film, which is known for its biocompatibility and biological performance, has shown mechanical and tribological properties that allows it to be used in hip and knee implants.