Claims (15)
RESUME DE L'INVENTIONSUMMARY OF THE INVENTION
7] L'objectif de l'invention consiste à fabriquer des implants qui sont parfaitement tolérés au sein des tissus osseux et utilisant une faible quantité de titane en couches minces.The objective of the invention is to manufacture implants which are perfectly tolerated within the bone tissue and using a small amount of titanium in thin layers.
8] Ces implants sont constitués par un substrat de tantale et d'une couche protectrice de titane. [0009] Utilisant la technique de pulvérisation cathodique par magnétron en radiofréquence ou par triode en courant continu, l'invention décrit les méthodes de traitement des surfaces des substrats, le mode opératoire, les conditions expérimentales d'obtention des couches de titane dures, continues à faible épaisseur, sans porosité et résistantes à la corrosion.8] These implants consist of a tantalum substrate and a protective layer of titanium. Using the radiofrequency magnetron sputtering or DC triode sputtering technique, the invention describes the methods for treating the surfaces of the substrates, the operating mode, the experimental conditions for obtaining hard, continuous titanium layers. thin, porous and resistant to corrosion.
0] L'invention décrit aussi les conditions expérimentales d'obtention des couches ayant une forte adhérence sur les substrats.The invention also describes the experimental conditions for obtaining layers having a strong adhesion to the substrates.
DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
1] Il existe plusieurs méthodes de dépôt sous vide mais la plupart de ces techniques se heurtent soit à un problème de coût élevé,soit les couches obtenues sont moins adhérentes,ou ne sont pas assez continues et présentent des fissures.1] There are several methods of vacuum deposition but most of these techniques face either a problem of high cost, or the layers obtained are less adherent, or are not continuous enough and have cracks.
2] L'évaporation thermique présente un inconvénient majeur qui ne permet pas d'obtenir des couches très minces, continues et adhérentes à cause des vitesses de dépôts et un degré de vide faibles.2] Thermal evaporation has a major disadvantage that does not allow to obtain very thin, continuous and adherent layers because of low deposition rates and a low degree of vacuum.
3] Les implants de titane sont aujourd'hui fabriqués par des méthodes chimiques qui sont très polluantes et favorise beaucoup des pertes énormes de matière, Ce qui augmente le coût très élevé de ces méthodes.3] Titanium implants are today manufactured by chemical methods that are highly polluting and promotes a lot of material losses, which increases the very high cost of these methods.
4] Il s'agit de résoudre deux problèmes: la biocompatibilité et la biofonctionalité [0015] Le problème de la bio-compatibilité se pose également dans ce cas: le corps tolère le titane pur, mais, si leur surface vient à être endommagée, les implants de titane qu'on utilise d'ordinaire peuvent libérer des impuretés, susceptibles de provoquer une réaction immunitaire.4] It is a question of solving two problems: biocompatibility and biofunctionality [0015] The problem of bio-compatibility also arises in this case: the body tolerates pure titanium, but, if their surface comes to be damaged, the titanium implants that are usually used can release impurities, which can cause an immune reaction.
6] La corrosion fait aussi passer du métal dissous dans le sang, ce qui n'est pas souhaitable. [0017] Le titane est parfaitement toléré au sein du tissu osseux et son utilisation débouche sur une 50 ostéocoaptation de grande qualité.6] Corrosion also causes dissolved metal to pass into the blood, which is undesirable. Titanium is perfectly tolerated within the bone tissue and its use leads to a 50 osteocoaptation of high quality.
8] Les couples de titane (revêtement) sur tantale (substrat) présentent une résistance mécanique suffisante permettant à l'implant de remplir son rôle de support de prothèse. [0019] Le titane est inaltérable car il a été longtemps utilisé comme revêtement dans les contacts électriques pour remplacer valablement l'or en connectique.8] Tantalum (coating) couples on tantalum (substrate) have a sufficient mechanical strength allowing the implant to fulfill its role of prosthesis support. Titanium is unalterable because it has long been used as a coating in the electrical contacts to validly replace gold connectivity.
0] Il offre une résistance exceptionnelle à la corrosion: attaques extérieures (eau de mer, atmosphère acide, humidité...), attaques organiques (transpiration, cosmétiques...). II est anallergique et n'entraîne aucune allergie.0] It offers exceptional resistance to corrosion: external attacks (seawater, acid atmosphere, humidity ...), organic attacks (perspiration, cosmetics ...). It is hypoallergenic and does not cause any allergies.
Biofonctionnalité [0021] Dans le corps humain, même les alliages métalliques peuvent s'érafler et parfois se briser sous les énormes contraintes imposées aux articulations porteuses, et dans le milieu salin du corps, ils peuvent aussi se corroder. Biofunctionality In the human body, even metal alloys can scrape and sometimes break under the enormous constraints imposed on the bearing joints, and in the saline environment of the body, they can also corrode.
2] Des dépôts de sels inorganiques peuvent rayer les surfaces d'appui, rendre les articulations raides et peu mobiles.2] Inorganic salt deposits can scratch the bearing surfaces, making the joints stiff and not very mobile.
3] La durée de vie d'un implant est donc réduite à une dizaine d'années tout au plus, souvent moins. Cette usure implique que les prothèses articulaires doivent être remplacées tous les dix ans ou même plus tôt.3] The lifespan of an implant is reduced to about ten years at most, often less. This wear implies that joint prostheses must be replaced every ten years or even earlier.
4] Grâce aux couples des matériaux que nous proposons nous pensons parvenir à améliorer la solidité, la dureté et la résistance à la corrosion des implants métalliques puis augmenter la durée de 70 vie des implants jusqu'à 20 ans.4] Thanks to the couples of materials we propose, we think we can improve the strength, hardness and corrosion resistance of metal implants and then increase the life of implants up to 20 years.
TECHNIQUE D'OBSERVATION PAR SPECTROMETRIE AUGER [0080] Le dispositif expérimental pour l'analyse de surface est un spectromètre AUGER est composé essentiellement de trois parties: une source pour l'excitation primaire, l'échantillon à analyser et un analyseur. AUGER SPECTROMETRY OBSERVATION TECHNIQUE The experimental device for surface analysis is an AUGER spectrometer consisting essentially of three parts: a source for the primary excitation, the sample to be analyzed and an analyzer.
On utilise comme source d'énergie pour ioniser un atome un faisceau d'électrons. The energy source used to ionize an atom is an electron beam.
L'analyseur est du type CMA (Analyseur à Miroir Cylindrique). The analyzer is of the CMA (Cylindrical Mirror Analyzer) type.
1] Nous disposons également d'Un canon à ions d'argon permettant le décapage de l'échantillon. L'échantillon à analyser est supporté par un porte objet qui permet de le positionner soit devant l'analyseur soit en face du canon à ions selon l'opération que l'on veut effectuer.1] We also have an argon ion gun for pickling the sample. The sample to be analyzed is supported by an object holder which makes it possible to position it either in front of the analyzer or in front of the ion gun according to the operation that one wishes to carry out.
Le dispositif est muni également d'un écran vidéo afin de visualiser l'image formée par les électrons secondaires. The device is also provided with a video screen in order to visualize the image formed by the secondary electrons.
Le support de l'objet peut être chauffé par effet joule, un thermocouple fixé sur le porte substrat permet de contrôler la température de l'échantillon. The support of the object can be heated by Joule effect, a thermocouple fixed on the substrate holder makes it possible to control the temperature of the sample.
10082] Le vide dans l'enceinte AUGER est réalisé à l'aide d'un groupe de pompage composé d'une pompe à palette, d'une pompe à diffusion d'huile avec piège refroidi à l'azote liquide puis d'une pompe ionique. La composition du gaz résiduel de l'enceinte AUGER est déterminée grâce à un spectromètre AUGER. 10082] Vacuum in the AUGER chamber is realized by means of a pumping unit composed of a vane pump, a liquid diffusion pump with a trap cooled with liquid nitrogen and then a ion pump. The composition of the residual gas of the AUGER enclosure is determined by means of an AUGER spectrometer.
CONDITIONS D'OBTENTION DES COUCHES DE TITANE (00831 Nous avons préparé des couches de titane de structure hexagonale après avoir recherché tes conditions de vide limite convenable. Ces conditions ont été obtenues après un étuvage pendant trois heures à 300 C environ de l'enceinte et de ses constituants. CONDITIONS FOR OBTAINING TITANIUM LAYERS (00831) Titanium layers of hexagonal structure were prepared after searching for the conditions of a suitable vacuum. These conditions were obtained after three hours of steaming at approximately 300 ° C. of the enclosure and of its constituents.
[00841 Nous avons remarqué que pour des pressions inférieures à la pression limite (1.33.104 Pa), les couches obtenues avaient une structure anormale, dans ce cas elles présentent une structure C.F.C. We have noticed that for pressures lower than the limit pressure (1.33.104 Pa), the layers obtained had an abnormal structure, in this case they have a C.F.C.
STRUCTURE DES COUCHES PREPAREES PAR PULVERISATION CATHODIQUE MAGNETRON EN RADIOFREQUENCE STRUCTURE OF LAYERS PREPARED BY RADNETFREQUENCE MAGNETRON CATHODIC SPRAY
5] Des couches de titane d'épaisseurs allant de 6.10-8 m à 2. 10'' m ont été déposées par pulvérisation cathodique magnétron en radiofréquence sur des supports de tantale, sous une pression d'argon de 6.65.10-1 Pa. La puissance radiofréquence utilisée est de 900 W, ce qui donne dans le cas du magnétron une vitesse de 10-9 m /s. Les températures mesurées pendant le dépôt sont de 52 C pour des couches de titane d'une épaisseur de 6.10$ m préparées sur des supports de tantale. Tous les films examinés sont constitués par la phase a hexagonale compacte du titane. Nous remarquons que pour des couches de titane préparées sur tantale, le paramètre a est constant.5] Titanium layers with thicknesses ranging from 6.10-8 m to 2. 10 "m were deposited by magnetron sputtering radiofrequency on tantalum supports, under an argon pressure of 6.65 × 10 -10 Pa. The radiofrequency power used is 900 W, which gives in the case of the magnetron a speed of 10-9 m / s. The temperatures measured during the deposition are 52 ° C. for 6.10 μm thick titanium layers prepared on tantalum supports. All the films examined are constituted by the compact hexagonal phase of titanium. We note that for titanium layers prepared on tantalum, the parameter a is constant.
Etude par rayons x Les mesures des paramètres par rayons x pour des couches d'une épaisseur de 2.10-7m préparées sur tantale montrent que les paramètres a et c sont plus grands que ceux de la phase massive. X-ray study X-ray parameter measurements for 2.10-7m thick tantalum layers show that parameters a and c are larger than those of the solid phase.
Le paramètre c, possède donc en général une valeur plus grande que la valeur correspondante dans le titane massif.Cette tendance a déjà été rapportée dans le cas des films produits par pulvérisation réactive et peut être interprété comme résultant d'une incorporation d'atomes d'impureté pendant la croissance. En effet si on recuit ces couches le paramètre se rapproche de sa valeur normale. The parameter c, therefore, generally has a greater value than the corresponding value in solid titanium. This trend has already been reported in the case of films produced by reactive sputtering and can be interpreted as resulting from an incorporation of atomic atoms. impurity during growth. Indeed if we anneal these layers the parameter is close to its normal value.
ETUDE DE LA TAILLE DES GRAINS DES DEPOTS DE TITANE STUDY OF GRAY SIZE OF TITANIUM DEPOSITS
L'analyse microscopique des couches de titane obtenues sur des supports de tantale révèle que les couches sont continues, sans pores apparents. Microscopic analysis of the titanium layers obtained on tantalum supports reveals that the layers are continuous, without visible pores.
Nous n'avons pas remarqué de différence notable dans la taille des grains suivant les conditions de dépôt ou la nature des supports. We did not notice any noticeable difference in the size of the grains according to the deposition conditions or the nature of the supports.
STRUCTURE DES COUCHES PREPAREES PAR TRIODE EN COURANT CONTINU STRUCTURE OF LAYERS PREPARED BY CONTINUOUS CURRENT TRIODE
En vue de l'étude de leur structure, des couches de titane d'une épaisseur de 5.10$ m, ont été préparées par pulvérisation cathodique triode en courant continu sur des supports de tantale. Les conditions de dépôt étaient les suivantes:Pression d'argon 1.33.10-1 Pa,Vitesse de dépôt 1.5.10-10 m.s-1,Tension anode 60 V',Courant anode 12 A,Courant de chauffage du filament 38 A,Polarisation cible -1500 V,Courant cible 19. 10"2 A. L'étude par microscopie électronique montre que les couches sont continues avec des grains dont la taille moyenne est de 6.109 m. For the study of their structure, titanium layers with a thickness of 5.10 $ m were prepared by DC triode cathode sputtering on tantalum supports. The deposition conditions were as follows: Argon pressure 1.33.10-1 Pa, deposition rate 1.5.10-10 ms-1, anode voltage 60 V ', anode current 12 A, heating current of the filament 38 A, Target Polarization -1500 V, Target Current 19. 10 "2 A. The electron microscopy study shows that the layers are continuous with grains whose average size is 6.109 m.
Nous constatons que pour les couches préparées, le paramètre a, diminue par rapport au paramètre 125 théorique, tandis que le paramètre c augmente. Cette augmentation est du même ordre de grandeur que dans le cas du Ti préparé par magnétron. We note that for the prepared layers, the parameter a decreases with respect to the theoretical parameter 125 while the parameter c increases. This increase is of the same order of magnitude as in the case of magnetron-prepared Ti.
OBSERVATION DE LA SURFACE DES DEPOTS PAR SPECTROMETRIE AUGER ET PAR SPECTROSCOPIE DE PHOTOELECTRON X (XPS) ESCA Nous avons effectué des analyses AUGER sur différentes couches de titane. Les analyses AUGER ont été effectuées avec une énergie primaire des électrons de 3 KeV. Cette analyse AUGER montre en général et quelques soient les conditions de préparation la présence en surface du carbone et d'oxygène. Pour des analyses par XPS, nous avons utilisé des photons X d'énergie h y =1486,6 eV. OBSERVATION OF DEPOT SURFACE BY AUTONOMOUS SPECTROMETRY AND PHOTOELECTRON X SPECTROSCOPY (XPS) ESCA We performed AUGER analyzes on different layers of titanium. AUGER analyzes were performed with a primary energy of 3 KeV electrons. This AUGER analysis shows in general and some are the conditions of preparation the presence on the surface of carbon and oxygen. For XPS analyzes, we used X photons of energy h y = 1486.6 eV.
Nous avons analysé des couches de titane préparées par magnétron et par triode sur tantale. La figure 1. ci dessous présente le spectre obtenu sur une couche de titane d'épaisseur 20.10-8m, on observe quatre pics de titane 2s (568 eV), 2p (460 eV),3s (60 eV),3p (35 eV),deux pics d'oxygène 1s (534 eV) et 2s (21 eV) puis un pic de carbone C18 (287 eV). We have analyzed titanium layers prepared by magnetron and triode tantalum. Figure 1. below shows the spectrum obtained on a layer of titanium 20.10-8m thick, we observe four titanium peaks 2s (568 eV), 2p (460 eV), 3s (60 eV), 3p (35 eV ), two oxygen peaks 1s (534 eV) and 2s (21 eV) then a peak of C18 carbon (287 eV).
Nous avons déterminé les concentrations par mesure des aires des pics, sachant que l'intensité du pic 1 = C.a, C représente la concentration et 6 le facteur de sensibilité atomique pour XPS.Les résultats obtenus par AUGER ou par ESCA montrent que les couches sont fortement contaminées en surface par le carbone et l'oxygène. We determined the concentrations by measurement of the peak areas, knowing that the intensity of the peak 1 = Ca, C represents the concentration and 6 the atomic sensitivity factor for XPS. The results obtained by AUGER or by ESCA show that the layers are heavily contaminated on the surface by carbon and oxygen.
Compte tenu de la grande réactivité du titane vis-à-vis de l'oxygène, on peut penser qu'il existe une couche superficielle d'oxyde RELATION ENTRE L'ENERGIE D'ADHESION /3 ET LA FORCE DE CISAILLEMENT z MESURANT L'ADHESION! On considère dans le décollement du dépôt que la première couche des atomes de ce dépôt immédiatement adjacente au substrat est déplacée parallèlement à l'interface par la force de 150 cisaillement appliquée. In view of the high reactivity of titanium with respect to oxygen, it may be thought that there is a superficial layer of oxide RELATIONSHIP BETWEEN THE ENERGY OF ADHESION / 3 AND THE SHEAR FORCE z MEASURING THE MEMBERSHIP! It is considered in the detachment of the deposit that the first layer of the atoms of this deposit immediately adjacent to the substrate is displaced parallel to the interface by the applied shear force.
Dans ce cas, chaque atome du dépôt se déplace d'une position d'équilibre correspondant à un creux de potentiel à un autre, position pour laquelle les forces d'attraction sont négligeables. In this case, each atom of the deposit moves from an equilibrium position corresponding to a potential dip to another position for which the attraction forces are negligible.
Dans un modèle simple, on considère que dans ce déplacement de décohésion chaque atome du film dépôt surmonte une barrière de potentiel équivalent à l'énergie d'adsorption d'un atome Ead, lors d'un déplacement égal à midistance x/2 séparant deux atomes du substrat dans la direction der.Le travail de la force de cisaillement r sera donc, si on considère la surface unité du substrat: W = r = ,G ou r = 2 x Connaissant l'énergie d'adhésion, nous avons calculé la force d'adhésion théorique par unité de surface du substrat en utilisant la formule (1). Dans cette formule, du fait que les substrats que nous utilisons sont cubiques à faces centrées, nous avons admis que la distance entre atomes est égale à a/2 où a est le paramètre cristallin du substrat. Le tableau ci dessous présente les résultats obtenus. Les forces d'adhésion calculées dans le cas du titane sont d'un même ordre de grandeur équivalent aux forces de VAN DER WAALS. In a simple model, it is considered that in this displacement of decohesion each atom of the deposition film overcomes a barrier of potential equivalent to the adsorption energy of an atom Ead, during a displacement equal to midistance x / 2 separating two atoms of the substrate in the direction der.The work of the shear force r will therefore be, if we consider the unit area of the substrate: W = r =, G or r = 2 x Knowing the energy of adhesion, we calculated the theoretical adhesion strength per unit area of the substrate using formula (1). In this formula, because the substrates we use are face-centered cubic, we have admitted that the distance between atoms is equal to a / 2 where a is the crystalline parameter of the substrate. The table below shows the results obtained. The adhesion forces calculated in the case of titanium are of the same order of magnitude equivalent to the forces of VAN DER WAALS.
Calcul de la force d'adhésion théorique par unité de surface du substrat Dépôt/support r Joules x106 Ti/Ta 288 ENERGIE D'ADHESION DETERMINEE A PARTIR DE LA DEFORMATION ELASTIQUE DU DEPOT i) Densité d'énergie lors d'une déformation sous contrainte On considère que la décohésion dépôt support aura lieu lorsque l'énergie emmagasinée par le film dépôt lors de sa déformation élastique sera égale à l'énergie d'adhésion. Cette méthode résulte d'un bilan d'énergie; le systèrne dépôt support prenant la configuration d'énergie minimum lorsque l'énergie emmagasinée VVo devient égale ou supérieure à la somme de l'énergie de contrainte structurale du dépôt WS die l'énergie d'adhésion R et de l'énergie nécessaire pour fracturer le film dépôt. Calculation of the theoretical adhesion strength per unit area of the substrate Deposition / support r Joules x106 Ti / Ta 288 ADHESION ENERGY DETERMINED FROM THE ELASTIC DEFORMATION OF THE DEPOSITION i) Energy density during deformation under stress It is considered that the deposition support deposition will take place when the energy stored by the deposition film during its elastic deformation will be equal to the energy of adhesion. This method results from an energy balance; the carrier deposition system taking the minimum energy configuration when the stored energy VVo becomes equal to or greater than the sum of the structural stress energy of the deposition WS die the adhesion energy R and the energy required to fracture the film deposit.
En général cette dernière énergie est beaucoup plus petite que l'énergie d'adhésion et est négligée dans cette évaluation. L'énergie de contrainte structurale est l'énergie emmagasinée lors de la croissance et non relaxée, elle provient des contraintes dues soit à des impuretés, ou défauts, soit à une accommodation interfaciale dépôt support. (1) In general, this last energy is much smaller than the energy of adhesion and is neglected in this evaluation. Structural stress energy is the energy stored during growth and not relaxed, it comes from the constraints due either to impurities, or defects, or an interfacial accommodation deposit support. (1)
Lors d'une déformation élastique dE sous une contrainte a, l'énergie mise en jeu est do) = acte. Si la déformation est s, l'énergie sera par unité de volume déformé : co = Iode avec de = Edcr, E est le module d'YOUNG. During elastic deformation dE under stress a, the energy involved is do) = act. If the deformation is s, the energy will be per unit volume deformed: co = Iode with = Edcr, E is the module of YOUNG.
w=J-d6=ae Afin de tenir compte de l'énergie de contrainte structurale, on considère une contrainte interne résultant d'une déformation du réseau cristallin du dépôt. ( w = J-d6 = ae In order to take into account the structural stress energy, we consider an internal stress resulting from a deformation of the crystal lattice of the deposit. (
E dh -dh. 6s= 2v d hkl où d hkl est la distance inter réticulaire du film dépôt non déformé et d hkl est celle mesurée. Ainsi la contrainte s'exerçant sur le film lors de sa déformation est: 6x = d-x + 6s (4) Et l'énergie emmagasinée est jijlD = e Lorsqu'il y a décohésion nous avons: /1 D = soit fi = W 2E 2a2}_E d hkl d hkt 2v dhkl II a été montré que les énergies d'adhésion calculées à partir de cette formule sont en accord avec les énergies de condensation. E dh-dh. 6s = 2v d hkl where d hkl is the inter-reticular distance of the undistorted deposition film and d hkl is the measured one. Thus the constraint exerted on the film during its deformation is: 6x = dx + 6s (4) And the energy stored is jijlD = e When there is decohesion we have: / 1 D = is fi = W 2E 2a2} _E d hkl d hkt 2v dhkl It has been shown that the adhesion energies calculated from this formula are in agreement with the condensation energies.
RESULTATS EXPERIMENTAUX CONCERNANT L'ADHESION PAR LA METHODE DE LA 200 RAYURE Nous avons effectué des essais à la rayure sur des couches de titane préparées par pulvérisation cathodique magnétron en radiofréquence et par triode en courant continu sur des supports de molybdène et tantale. EXPERIMENTAL RESULTS FOR 200 SCRATCH ADHESION We carried out scratch tests on titanium layers prepared by radiofrequency magnetron cathode sputtering and by DC triode on molybdenum and tantalum media.
Les couches ont des épaisseurs qui vont de 5.10$ à 1.10-6 m. Les tests d'adhésion ont été réalisés 205 avec une pointe en diamant de 4.10"5 m de rayon. Le moteur que nous avons utilisé pour actionner le plateau sur lequel sont posés les échantillons.à analyser est du type CROUZER, celui ci tournant à une vitesse angulaire de 0.209 radians' ce qui correspond à un déplacement du plateau de 1.7.10-5 m.s'. The layers have thicknesses ranging from 5.10 $ to 1.10-6 m. The adhesion tests were carried out 205 with a diamond point of 4.10 "5 m radius.The engine that we used to operate the tray on which the samples are placed.to analyze is of the type CROUZER, the one turning to an angular velocity of 0.209 radians 'which corresponds to a plateau displacement of 1.7.10-5 m.s'.
(2) as (3) (5) (6) Le titane est un matériau ductile, le substrat utilisé a des propriétés mécaniques différentes: 210 Le tantale est un matériau mou et ductile. (2) as (3) (5) (6) Titanium is a ductile material, the substrate used has different mechanical properties: Tantalum is a soft and ductile material.
Les mesures de micro duretés VICKERS des substrats ont été effectuées en réalisant des empreintes avec une pièce constituée par un diamant qui a la forme d'une pyramide à base carrée avec un angle au sommet de 136 . L'empreinte a la forme d'une pyramide creuse à base carrée. Les résultats sont donnés dans le tableau ci dessus. VICKERS micro-hardness measurements of the substrates were made by making fingerprints with a diamond-shaped piece in the shape of a square-based pyramid with an apex angle of 136. The imprint has the shape of a hollow pyramid with a square base. The results are given in the table above.
215 En ce qui concerne les dépôts nous n'avons pas pu faire des mesures des modules d'YOUNG et des coefficients de POISSON des matériaux utilisés nous avons supposé que les paramètres varient très peu entre une couche mince et un matériau massif. Les duretés de couches considérées sont celles des matériaux massifs. Les valeurs de ces paramètres sont données dans le tableau ci -dessous. With regard to the deposits we could not make measurements of the YOUNG modules and FISH coefficients of the materials used we assumed that the parameters vary very little between a thin layer and a massive material. The hardnesses of layers considered are those of massive materials. The values of these parameters are given in the table below.
Mesure des micro duretés VICKERS des substrats Supports dépôt Ta Ti Hv 150 230 x102 Pa E x1010 18,6 10,98 Pa v 0,35 0,31 Les différents couples dépôt support sont: Couches de titane sur tantale: Ce couple représente un dépôt mou et ductile sur un support mou et ductile. VICKERS micro-hardness measurement of substrates Deposition supports Ta Ti Hv 150 230 × 10 2 Pa E × 10 10 18.6 10.98 Pa v 0.35 0.31 The various support deposit pairs are: Tantalum titanium layers: This couple represents a deposit soft and ductile on a soft and ductile support.
Nous avons porté sur le tableau ci-dessus, les mesures de duretés VICKERS des substrats Hv, ainsi 225 que les valeurs des duretés VICKERS tirées de la littérature. Dans le tableau, E représente le module d'YOUNG, v le coefficient de POISSON. The VICKERS hardness measurements of the Hv substrates and the VICKERS hardness values from the literature were compared with the table above. In the table, E represents the module of YOUNG, v the coefficient of FISH.
MESURES DES CHARGES CRITIQUES D'ADHESION Nous avons réalisé une série de rayures pour des charges allant de 0,5.103 à 0.2Kg sur des couches de titane sur tantale par pulvérisation cathodique magnétron en radiofréquence et par triode en 230 courant continu. MEASUREMENTS OF ADHESION CRITICAL LOADS We carried out a series of stripes for loads ranging from 0.5.103 to 0.2Kg on tantalum titanium layers by radiofrequency magnetron cathode sputtering and by 230 DC triode.
L'observation de ces rayures a été faite à l'aide d'un microscope à balayage JEOL, JSM, 35CF. Nous avons déterminé la charge critique par examen des micrographies obtenues. The observation of these scratches was made using a scanning microscope JEOL, JSM, 35CF. We determined the critical load by examining the micrographs obtained.
CHARGES CRITIQUES ET FORCES D'ADHESION DES COUCHES DE TITANE Dans le cas des couches de titane sur tantale préparées par magnétron, le test de la rayure est 235 caractérisé par l'apparition des motifs périodiques, soit sur les bords, soit à l'intérieur de la rayure. Nous avons noté que pour les couches de 1.10-' m d'épaisseur les motifs périodiques apparaissent sur les bords de la rayure mais pour des épaisseurs de 2.10'' m, on les observe à l'intérieur de la rayure. Nous avons pris comme charge critique celle qui correspond à l'apparition des motifs périodiques soit au bord, soit à l'intérieur de la rayure. CRITICAL LOADS AND TITANIUM LAYER ADHESION STRENGTHS In the case of tantalum titanium layers prepared by magnetron, the stripe test is 235 characterized by the appearance of periodic patterns, either on the edges or inside. of the stripe. We have noted that for layers of 1.10- 1 m thickness the periodic patterns appear on the edges of the stripe but for thicknesses of 2.10 '' m, they are observed inside the stripe. We have taken as critical load that which corresponds to the appearance of periodic patterns either at the edge or inside the stripe.
240 Dans le cas des couches de titane préparées par pulvérisation triode, nous avons observé le même mode de perte d'adhésion que dans le cas des couches de titane obtenues par magnétron seules différent les charges critiques. In the case of titanium layers prepared by triode sputtering, we observed the same mode of loss of adhesion as in the case of magnetron-only titanium layers other than critical loads.
A titre d'exemple, les micrographies de la figure n I présentent la forme des rayures obtenues sur les dépôts de titane sur tantale. By way of example, the micrographs of FIG. 1 show the shape of the scratches obtained on tantalum titanium deposits.
245 Dans les tableaux ci-dessous, nous présentons les résultats des mesures d'adhésion du titane sur différents supports en fonction de l'épaisseur e. ces résultats comprennent: l'estimation de la charge critique W, le rayon de contact mesuré (a), le rayon de HERTZ (aH) valable à la limite de la déformation élastique du substrat, fa contrainte de compression en avant de fa pointe O x, fa force d'adhésion T déduite des mesures effectuées sur les rayures. 245 In the tables below, we present the results of titanium adhesion measurements on different substrates as a function of thickness e. these results include: the estimation of the critical load W, the measured contact radius (a), the HERTZ radius (aH) valid at the limit of the elastic deformation of the substrate, the compressive stress forward of the tip O x, the force of adhesion T deduced from the measurements made on the stripes.
Mesure des forces d'adhésion du titane préparé par pulvérisation cathodique Magnétron sur différents substrats: Conditions de dépôt: pression d'argon 6.65.10-1 Pa Puissance incidente: 900W, Vitesse cle dépôt: 1.10'9m.s 1 Dépôt/support e W a(m) aH( en) x s Z xlo$ Tw x 1â (m)x10"8 (Kg) xiô 3 x10-g x 10 Pa Pa Pa 6 5 3.12 2.44 9.2 0.24 0.23 Ti/Ta 10 5 3.53 2.44 2.50 0.22 0.23 5 3.72 2.44 2.25 0.20 0.23 Les forces d'adhésion mesurées r sur des couches de titane préparées par magnétron et par triode 255 sont en assez bon accord avec les forces d'adhésion de WEAVER REMARQUE: VALEUR DE L'ENERGIE D'ADHESION DES COUCHES DE TITANE Nous avons évalué l'énergie d'adhésion en supposant qu'au passage de la pointe le dépôt se déforme élastiquement et que l'énergie d'adhésion correspond au maximum de l'énergie de 260 déformation avant décohésion.Nous avons porté les résultats des énergies d'adhésion /3 évaluées dans les tableaux ci dessous. Dans ces tableaux, e désigne l'épaisseur du dépôt, W la charge critique et a"x la contrainte de compression en avant de la pointe. Measurement of adhesion forces of titanium prepared by sputtering Magnetron on different substrates: Deposition conditions: argon pressure 6.65.10-1 Pa Incident power: 900W, Deposit rate: 1.10'9m.s 1 Deposit / support e W a (m) aH (en) xs Z xlo $ Tw x 1 (m) x10-8 (Kg) xi0 3 x10-g x 10 Pa Pa Pa 6 5 3.12 2.44 9.2 0.24 0.23 Ti / Ta 10 5 3.53 2.44 2.50 0.22 0.23 5 3.72 2.44 2.25 0.20 0.23 Adhesion forces measured on titanium layers prepared by magnetron and triode 255 are in fairly good agreement with WEAVER adhesion forces NOTE: VALUE OF MEMBRANE ENERGY TITANIUM LAYERS We evaluated the energy of adhesion by supposing that at the passage of the point the deposit deforms elastically and that the energy of adhesion corresponds to the maximum of the energy of 260 deformation before decohesion. carried the results of the energies of adhesion / 3 evaluated in the tables below.In these tables, ed sign the deposition thickness, W the critical load and "x compressive stress in front of the point.
Mesure des forces d'adhésion du titane préparé par pulvérisation cathodique triode sur différents substrats: Conditions de dépôt: Tension anode: 60V, Courant anode: 12 A, Courant filament: 38 A Courant cible: 18. 102A, Tension cible: -1500 V, Pression d'argon: 1.33.10-'Pa Vitesse de dépôt: 9.10"9m /s r 8 Tw x 10 Dépôt/support e W a (m) aH(m)xlue 8 8 x10 Pa (fx 10 (m) (Kg) x10-3 B x x10 Pa x10$ Pa 10 3.97 3.08 3.96 0.39 0.33 Ti/Ta 7.5 7 3.85 2.73 2.90 0.27 0.28 15 4.72 3.52 4.20 0.49 0.41 Mesure des énergies d'adhésion des couches de titane préparé par pulvérisation cathodique Magnétron sur différents substrats Dépôt/support e W.X 3 fi théorique (m) (Kg) X108 x10" x10 s 2 x10-8 x10"3 Pa joules/m2 joules/m 6 5 9.2 27.9 Ti/Ta 10 5 2.5 28.4 238 5 2.25 46.1 En comparaison avec les énergies d'adhésion théorique, on constate que les énergies d'adhésion évaluées sont très faibles pour des couches de titane préparées par magnétron ou par triode. Measurement of adhesion forces of titanium prepared by triode sputtering on different substrates: Deposition conditions: Anode voltage: 60V, Anode current: 12A, Current filament: 38A Target current: 18. 102A, Target voltage: -1500V Argon pressure: 1.33 · 10 -Pa Deposition rate: 9.10 "9m / sr 8 Tw x 10 Deposition / support e W a (m) aH (m) xlue 8 8 x 10 Pa (fx 10 (m) ( Kg) x10-3 B x x10 Pa x10 $ Pa 10 3.97 3.08 3.96 0.39 0.33 Ti / Ta 7.5 7 3.85 2.73 2.90 0.27 0.28 15 4.72 3.52 4.20 0.49 0.41 Measurement of the adhesion energies of the titanium layers prepared by cathodic sputtering Magnetron on different substrates Deposition / support e WX 3 theoretical (m) (Kg) X108 x10 "x10 s 2 x10-8 x10" 3 Pa joules / m2 joules / m 6 5 9.2 27.9 Ti / Ta 10 5 2.5 28.4 238 5 2.25 46.1 In comparison with the theoretical adhesion energies, it is found that the adhesion energies evaluated are very low for titanium layers prepared by magnetron or triode.
Mesure des forces d'adhésion du titane préparé par pulvérisation cathodique Triode sur différents substrats Dépôt/support e W 6X fi théorique x10"3joules/m2 (m) (Kg) X108 x10"s x10"8 x10"3 Pa jouleslm2 10 3.96 35.7 Ti/Ta 7.5 7 2.90 28.7 238 15 4.20 80.3 Le désaccord très marqué entre l'énergie d'adhésion évaluée par la méthode qui suppose une déformation élastique du dépôt avant sa perte d'adhésion est sans doute dû au fait que les dépôts de titane ne sont pas suffisamment ductiles pour se déformer uniquement d'une manière 275 élastique avant décohésion. Measurement of the adhesion forces of the titanium sputtered titanium on different substrates Deposition / support e W 6 x theoretical x10 "3joules / m2 (m) (Kg) X108 x10" s x10 "8 x10" 3 Pa joules / m2 3.96 35.7 Ti / Ta 7.5 7 2.90 28.7 238 15 4.20 80.3 The very marked disagreement between the adhesion energy evaluated by the method which assumes an elastic deformation of the deposit before its loss of adhesion is undoubtedly due to the fact that the titanium deposits are not sufficiently ductile to deform only in an elastic manner before decohesion.
DESCRIPTION DES FIGURES [01611DESCRIPTION OF THE FIGURES [01611
280 Figure 1: Spectre ESCA d'une couche de titane d'épaisseur 5.10$m Figure 2: Micrographie obtenue par le test de la rayure du titane sur tantale 280 Figure 1: ESCA spectrum of titanium layer thickness 5.10 $ m Figure 2: Micrograph obtained by the tantalum titanium scratch test
"Revendications""Claims"
1. Implant médical caractérisé en ce qu'il est constitué d'un substrat (1) de tantale revêtu par une couche de titane (2). 1. Medical implant characterized in that it consists of a substrate (1) of tantalum coated with a titanium layer (2).
2. Implant médical selon la revendication 1 caractérisé par un substrat de tantale ayant 1 mm d'épaisseur avec des rugosités (3) sur la surface latérale dont les propriétés mécaniques sont résumées sont:Dureté Vickers (Hv) :150.10-2 Pa,Module d'Young: (E) :18.6.10 ,Coefficient de Poisson y:0.35; 3. Implant médical selon la revendication 2 caractérisé par le traitement des surfaces des substrats: le tantale est nettoyé à l'acétone. Une fois nettoyé, le support est rincé plusieurs fois à l'eau distillée puis ensuite nettoyé aux ultrasons dans un bain d'alcool. 2. Medical implant according to claim 1 characterized by a tantalum substrate having 1 mm thick with roughness (3) on the side surface whose mechanical properties are summarized are: Vickers hardness (Hv): 150.10-2 Pa, Module of Young: (E): 18.6.10, Poisson's ratio y: 0.35; 3. Medical implant according to claim 2 characterized by the treatment of the surfaces of the substrates: the tantalum is cleaned with acetone. Once cleaned, the support is rinsed several times with distilled water and then ultrasonically cleaned in an alcohol bath.
4. Implant médical selon la revendication 1 caractérisé par un revêtement de titane d'épaisseur inférieure à 1 micron et dont les propriétés mécaniques sont: Dureté Vickers (Hv) : 230.10-2 Pa, Module d'Young: (E) :10.98.1010, Coefficient de Poisson y: 0.31 4. Medical implant according to claim 1 characterized by a titanium coating of less than 1 micron thickness and whose mechanical properties are: Vickers hardness (Hv): 230.10-2 Pa, Young's modulus: (E): 10.98. 1010, Poisson's ratio y: 0.31