Bien que le titane ne fasse pas partie des métaux nobles, il suscite un intérêt croissant dans le secteur du luxe (bijouterie, horlogerie, packaging) en raison de sa légèreté, de ses propriétés hypoallergéniques et des couleurs interférentielles qu’il peut présenter lorsqu’il est recouvert d’une couche mince d’oxyde de titane. Cependant, son utilisation reste limitée en raison de la faible durabilité des couleurs. Cette thèse vise à identifier les mécanismes d’endommagement de la couche d’oxyde de titane responsables de l’altération de la couleur sous l’effet de frottements à sec et en présence de sueur et à explorer l'ajout d'un revêtement comme solution d'amélioration de la durabilité de la couleur. Deux procédés d’élaboration, l’anodisation et la pulvérisation magnétron, ont été utilisés dans ce travail pour obtenir les couches minces d'oxyde sur un alliage Ti-6Al-4V. La caractérisation du substrat par analyses EBSD et de la couche d'oxyde, en particulier de sa morphologie interne grâce à la réalisation de lames minces par FIB, a permis d'établir un lien entre l'orientation cristallographique du substrat et les propriétés de la couche d'oxyde formée par anodisation. La couche d'oxyde formée par anodisation sur l'orientation cristallographique (0001) de la phase α de l'alliage Ti-6Al-4V est poreuse, tandis qu'elle est dense sur les autres orientations de la phase α et celles de la phase β du Ti-6Al-4V. Cette différence structurelle explique les variations de couleur observées à l'échelle microscopique sur le titane anodisé. Des essais tribologiques en conditions de frottement sec et en présence de sueur artificielle ont été réalisés sur les différents types de couches d'oxyde élaborés, en configuration bille/plan alternatif contre une bille en acier 100Cr6. Les analyses chimique (MEB-EDX, XPS), optique (microscope optique et goniospectrophotomètre) et structurale (prélèvement de lames minces réalisées par FIB et observations au STEM) des traces d'usure ont mis en évidence que les variations de couleur induites par le frottement sont corrélées à une diminution de l'épaisseur de la couche d'oxyde. Par ailleurs, l'influence des caractéristiques spécifiques à chaque type de couche d'oxyde sur leur résistance à l'usure a été discutée. Une modélisation du comportement optique du matériau, prenant en compte l'épaisseur et la porosité de la couche d'oxyde, est développée et permet d'interpréter et de confirmer les mesures expérimentales. Dans une optique de protection des couches minces d'oxyde face à l'usure et donc l'amélioration de la durabilité des couleurs, trois types de revêtements transparents ont été déposés. Leurs performances ont été évaluées en termes de résistance à l'usure, de conservation des couleurs et de la sensibilité aux traces de doigts.

Mots clés : couleur, alliage Ti-6Al-4V, anodisation, microstructure & porosité, pulvérisation magnétron, tribologie.

Although titanium is not a noble metal, it is gaining increasing interest in the luxury sector (jewelry, watchmaking, packaging) due to its low density, hypoallergenic properties, and the interference colors it can exhibit when covered with a thin layer of titanium oxide. However, its use remains limited due to the low durability of these colors and their sensitivity to fingerprints. This thesis aims to identify the damage mechanisms of the titanium oxide layer responsible for the color alteration under dry sliding and in the presence of sweat, and to explore the addition of a coating to improve color durability. This study used two deposition processes, anodization and magnetron sputtering, to obtain thin oxide layers on a Ti-6Al-4V alloy. Characterization of the substrate through EBSD analysis and of the oxide layer, particularly its internal morphology using FIB-prepared cross-sections, established a link between the crystallographic orientation of the substrate and the properties of the oxide layer formed by anodization. The oxide layer formed by anodization on the crystallographic orientation (0001) of the α-phase of the Ti-6Al-4V alloy is porous, whereas it is dense on other orientations of the α-phase and those of the β-phase of Ti-6Al-4V. This structural difference explains the microscopic color variations observed on anodized titanium. Tribological tests under dry friction conditions and in the presence of artificial sweat were carried out on the different types of oxide layers developed, using a reciprocating ball-on-flat configuration against a 100Cr6 steel ball. Chemical (SEM-EDX, XPS), optical (optical microscope and goniophotometer), and structural (thin-section samples prepared by FIB and observations using STEM) analyses of wear tracks showed that the color variations induced by friction are correlated with a reduction in the thickness of the oxide layer. Furthermore, the influence of the specific characteristics of each type of oxide layer on their wear resistance was discussed. A model of the optical behavior of the material, taking into account the thickness and porosity of the oxide layer, was developed, enabling the interpretation and validation of the experimental measurements. To protect the thin oxide layers against wear and thus make the colors last longer, three types of transparent coatings were deposited. Their performance was evaluated in terms of wear resistance, color retention, and sensitivity to fingerprints.

Keywords: color, Ti-6Al-4V alloy, anodization, microstructure & porosity, magnetron sputtering, tribology.