Surface thermomechanical processing was explored as a way to improve the fatigue strength of Ti-6Al-4V load bearing orthopaedic prosthesis. In this study, the surface of an implant is microknurled to provide a "textured" surface that allows for mechanical fixation by bone ingrowth. The microknurling is essentially an indentation technique and thus generates plastic deformation which is limited to the surface. This in turn can be used to produce localized surface recrystallization, thus permitting the modification of the surface microstructure.

The microstructure of Ti-6Al-4V can be controlled through thermomechanical processing to produce fine equiaxed morphologies which are known to be effective against crack initiation. Conversely, lamellar microstructures can be produced through heat treatment alone. Of these, the coarse lamellar microstructure is known to posses optimum fatigue crack propagation resistance. This study deals with the production of a "dual microstructure" having a fine equiaxed microstructure surface layer and an inner coarse lamellar microstructure. The effects ofthis "dual microstructure" on fatigue strength are also investigated.

Indentation tests using a servo-hydraulic/load frame system were fust run at room temperatures. These tests showed that deformation could be concentrated to produce localized recrystallization. Later, high temperature (800°C) indentation tests were run and it was found that localized recrystallization could also be obtained at higher temperatures. High temperature microknurling was then proposed as a potential method to alleviate surface cracking problems encountered when using the current room temperature microknurling process.

The dual microstructure was optimized under the present experimentallimitations, and fatigue tests using microknurled specimens were run to determine the effect on fatigue strength. The dual microstructures showed improved fatigue strength over the single homogeneous microstructures. It was also found that microknuriing alone (without any heat treatment subsequent to the microknurling) imparts residual compressive stresses that can improve the fatigue strength to levels superior to the dual microstructure. However, it was concluded that a crack free dual microstructure may still have superior fatigue strength to a non-heat-treated microknuried specimen.

Un traitement thermomécanique de surface a été proposé comme méthode pour améliorer la résistance à la fatigue de prothèses orthopédiques. Dans cette étude, la surface de la prothèse est "micromolettée" pour produire une surface poreuse qui permet au tissu osseux de s'intercaler de manière à demeurer rétensif et résistant aux forces extérieures. Le "micromolettage" est essentiellement une technique d'indentation qui produit une déformation limitée et en surface. Cette méthode peut être utilisée pour produire une recristallisation localisée en surface permettant ainsi une modification de la microstructure de surface.

La microstructure de l'alliage Ti-6Al-4V peut être controlée par des procédés thermomécaniques de manière à produire des morphologies équiaxes fines qui sont reconnues comme étant résistantes à l'initiation de fentes de fatigue. Par ailleurs, les microstructures lamellées de l'alliage Ti-6Al-4V peuvent être produites par traitements thermiques seuls. De celles-ci, la microstructure à lamelles larges est reconnue comme possédant la meilleure résistance à la propagation de fente. Cette étude traite de la production d'une "microstructure double" ayant une microstructure équiaxe fine en surface et une microstructure à lamelles larges en son intérieur et de son effet sur les propriétes de fatigue.

Des tests d'indentation utilisant un système de venn cervo-hydraulique ont premièrement été effectués à la température de la pièce. Ces essais ont permis de démontrer que la déformation pouvait être concentrée de manière à produire une recristallisation locale. Plus tard, des essais d'indentation à chaud (800°C) ont été effectués et ont démontré qu'une recristallisation locale peut aussi être obtenue à des températures plus élevées. Un procédé de micromolettage à chaud a donc étè proposé comme méthode possible pour minimiser le nombre de fêlures qui apparaissent lors du micromolettage à froid.

La double microstructure a été optimisée en tenant compte des contraintes expérimentales. Des tests de fatigue ont ensuite été effectués de manière à determiner son effet sur sa résistance à la fatigue. La double microstructure a démontré une meilleure résistance à la fatigue que les microstructures simples (homogènes). Il a aussi été trouvé que le micromolettage seul (sans aucun traitement thermique subséquent à la déformation) produit des stress résiduels compressifs qui améliorent la résistance à la fatigue à un niveau supérieur à celui de la microstructure double. Cependant, il a été conclu qu'une double microstructure sans fêlure pourrait possiblement avoir une résistance supérieure en fatigue à un spécimen micromoletté sans traitement thermique.