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挤压温度对Mg-5.3Gd-2.6Y-1.1Nd-0.3Zr合金的力学性能和耐生物腐蚀性能的影响

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材料工程 2019年第10期47卷 76-81页

作者：谢鑫唐建国石洪吉官立群杨柳邓运来唐昌平张议丹中南大学材料科学与工程学院长沙410083 中南大学有色金属材料科学与工程教育部重点实验室长沙410083 湖南科技大学材料科学与工程学院湖南湘潭411201

在不同温度下对均匀化处理后的Mg-5.3Gd-2.6Y-1.1Nd-0.3Zr(质量分数/%)镁合金进行挤压。利用光学显微镜和拉伸实验对比研究固溶态铸锭、不同挤压温度合金的显微组织和力学性能,采用析氢法、失重法和极化曲线实验综合测试合金在Hank’s... 详细信息

在不同温度下对均匀化处理后的Mg-5.3Gd-2.6Y-1.1Nd-0.3Zr(质量分数/%)镁合金进行挤压。利用光学显微镜和拉伸实验对比研究固溶态铸锭、不同挤压温度合金的显微组织和力学性能,采用析氢法、失重法和极化曲线实验综合测试合金在Hank’s人体模拟液中的耐生物腐蚀性能,利用扫描电子显微镜观察腐蚀后合金的表面腐蚀形貌。结果表明:随着挤压温度的降低,合金的晶粒不断细化,强度及塑性不断提高,其中390℃温度下挤压得到的合金屈服强度达到223.4MPa,较固溶态铸锭(139.8MPa)提升约60%,且挤压后的合金在Hank’s体液中具有更高的耐腐蚀性,随着挤压温度的降低,合金的耐蚀性先升高后降低,450℃挤压的棒材耐生物腐蚀性能最优,腐蚀速率为0.74mm/a。

关键词：挤压温度力学性能耐生物腐蚀性能

激光冲击Zr-2.5Nb合金的力学性能及生物耐腐蚀性能研究

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激光冲击Zr-2.5Nb合金的力学性能及生物耐腐蚀性能研究

作者：刘杨杨东北大学

学位级别：硕士

全球老龄化的加剧以及交通事故等意外损伤的增加导致对金属替代组织材料的需求量逐年上升,在众多的金属生物材料中,Zr-2.5Nb合金不但具有良好的力学性能、耐腐蚀性能以及生物相容性,其弹性模量也远低于其他金属替代材料。更为突出的是,Z... 详细信息

全球老龄化的加剧以及交通事故等意外损伤的增加导致对金属替代组织材料的需求量逐年上升,在众多的金属生物材料中,Zr-2.5Nb合金不但具有良好的力学性能、耐腐蚀性能以及生物相容性,其弹性模量也远低于其他金属替代材料。更为突出的是,Zr-2.5Nb合金具有更低的磁化率,与其他生物金属材料相比,表现出更优良的磁共振相容性,因此被认为极具应用潜力的硬骨组织替代材料之一。然而,其弹性模量仍然远高于人体骨组织,植入人体后存在较强的应力屏蔽现象;由于耐磨性较差而容易诱发无菌感染;尤其是近年来高磁场MRI精准检测技术的发展及推广应用,对金属植入体的磁化率提出了更高的要求。这三方面因素对Zr-2.5Nb合金植入体的综合性能提出了挑战,严重制约了其作为替代材料在临床中的应用。因此,发展一种能够降低Zr-2.5Nb合金弹性模量和磁化率,同时能够提高其耐磨性及耐腐蚀性能的后续表面处理技术迫在眉睫。为此,本文利用一种冷加工工艺—激光冲击强化技术(LSP)对Zr-2.5Nb合金进行表面改性处理,以期在降低弹性模量和磁化率、提高耐磨性及耐腐蚀性等综合性能方面取得改进。本文主要研究了激光冲击过程中Zr-2.5Nb合金的微观组织结构及相结构的演变过程及演变机制;并对LSP处理前后Zr-2.5Nb合金的力学性能、摩擦磨损特性以及生物耐腐蚀性能进行了系统探究,探讨了组织结构及相变与各项性能之间的构效关系。主要工作内容及结论如下:激光冲击诱导Zr-2.5Nb合金产生了塑性形变,且随着激光脉冲能量和冲击次数的增加,激光冲击波压强逐渐增大,从而导致塑性形变层深度增大。在激光冲击波作用下,Zr-2.5Nb合金的塑性形变区内发生了α相→β相、α相→α’相的相变,与Zr-2.5Nb合金基底的网格状组织不同,激光冲击后,Zr-2.5Nb合金塑性变形区内出现了大量针状及板条状组织。激光冲击诱导的马氏体相变及组织结构转变有利于降低Zr-2.5Nb合金的弹性模量。拉伸测试结果表明,经激光冲击后的Zr-2.5Nb合金在断裂延伸率、抗拉强度和屈服强度无明显变化的情况下,弹性模量大幅降低,其中最大降幅可达到31.86%。同时,断口形貌显示,Zr-2.5Nb合金基体的断裂类型为微孔聚集型的韧性断裂,而激光冲击处理后的Zr-2.5Nb合金在塑性变形区与基体交界处发生的是层裂。激光冲击引起的塑性变形能够细化Zr-2.5Nb合金表面晶粒,在细晶强化的作用下,Zr-2.5Nb合金表面硬度显著提升。激光能量的高斯分布特性使得Zr-2.5Nb合金表面硬度呈现出软-硬交替分布特征,正是这种软-硬交替的表面结构,降低了 Zr-2.5Nb合金的摩擦系数,减小了磨损率,改善了 Zr-2.5Nb合金表面的耐磨性能。激光冲击前后Zr-2.5Nb合金的表面均表现为黏着磨损和磨粒磨损。SBF溶液中的电化学腐蚀试验结果表明,激光冲击处理提高了 Zr-2.5Nb合金表面钝化膜的电阻值,激光冲击后的Zr-2.5Nb合金的自腐蚀电流(Icorr)低于基底、自腐蚀电位(Ecorr)高于基底,激光冲击使得Zr-2.5Nb合金在SBF溶液中的耐腐蚀性得以提升。

关键词：医用锆铌合金激光冲击强化力学性能耐生物腐蚀性能摩擦磨损特性

Ag替换Cu对Zr-Ti-Cu-Al非晶合金性能的影响

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金属学报 2023年

作者：蔡正清尹大伟杨靓王文祥王飞龙温永清马明臻燕山大学亚稳材料制备技术与科学国家重点实验室南京钢铁股份有限公司包头稀土研究院

锆基块体非晶合金由于其大的临界尺寸、优异的耐腐蚀性能、高的强度和弹性极限、相对低的Young’s模量，在承重结构材料及生物医学材料方向有着巨大的应用潜力。以Zr-Ti-Cu-Al合金体系为对象，利用XRD、DSC、SEM及电化学实验等手段研究... 详细信息

锆基块体非晶合金由于其大的临界尺寸、优异的耐腐蚀性能、高的强度和弹性极限、相对低的Young’s模量，在承重结构材料及生物医学材料方向有着巨大的应用潜力。以Zr-Ti-Cu-Al合金体系为对象，利用XRD、DSC、SEM及电化学实验等手段研究了Ag替换Cu对Zr55Ti3Cu32-x Al10Agx (x=0、1、1.5、2和2.5；原子分数，%)非晶合金的玻璃形成能力，晶化动力学、力学性能和腐蚀性能的影响。结果表明，适量Ag替换Cu改善了该合金体系的玻璃形成能力，显著增加了晶化激活能(Eg、Ex,、Ep1、Ep2)，提高了热稳定性。合金的断裂强度随Ag含量的增加而提高，当Ag含量为1.5%时，压缩变形高达5.49%，相较初始体系提升了120%。在磷酸缓冲液(PBS)与模拟体液(SBF)中进行的电化学腐蚀分析表明，Ag的添加提高了Zr55Ti3Cu32-xAl10AgxBMG在SBF和PBS溶液中的耐生物腐蚀能力。

关键词：块体非晶合金玻璃形成能力晶化动力学力学性能耐生物腐蚀性能

基于塑性变形的生物镁合金微观组织演变与腐蚀行为研究

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基于塑性变形的生物镁合金微观组织演变与腐蚀行为研究

作者：康亚军东北大学

学位级别：硕士

镁合金由于其良好的比强度、骨诱导性、生物相容性以及可降解性等优点被誉为革命性的生物医用金属材料。然而,镁合金室温力学性能较差和在人体内降解速度过快限制了其在临床中的推广应用。研究表明,合理的塑性变形可以显著细化镁合金晶... 详细信息

镁合金由于其良好的比强度、骨诱导性、生物相容性以及可降解性等优点被誉为革命性的生物医用金属材料。然而,镁合金室温力学性能较差和在人体内降解速度过快限制了其在临床中的推广应用。研究表明,合理的塑性变形可以显著细化镁合金晶粒,改善其力学性能和耐生物腐蚀性能。本文以ZK60镁合金为研究对象,研究了塑性变形方式（拉伸变形、压缩变形、旋转弯曲变形）及变形参数（变形温度、应变速率、等效应变）对其显微组织及耐生物腐蚀性能的影响规律。通过优化塑性变形参数,塑性变形后的ZK60镁合金晶粒得到了明显细化,耐生物腐蚀性能获得了一定程度的提高。本文主要研究内容如下:（1）为了获得拉伸变形中不同变形参数对ZK60镁合金微观组织的影响规律,进行了不同温度、不同应变速率、不同等效应变的拉伸试验。研究结果表明,随着温度的升高、应变速率的减小,等效应变的增大,ZK60镁合金平均晶粒尺寸均呈现出先减小后增大的趋势。当温度为250℃、应变速率为6×10 s,等效应变为0.14时,变形后的ZK60镁合金晶粒比较细小,平均晶粒尺寸为8.41 μm,比原始组织减小了 11.94%。（2）为了获得压缩变形中不同变形参数对ZK60镁合金微观组织的影响规律,进行了不同温度、不同应变速率、不同等效应变的压缩试验。研究结果表明,随着温度的升高、应变速率的减小,等效应变的增大,ZK60镁合金平均晶粒尺寸均呈现出先减小后增大的趋势。当温度为250℃,应变速率为1.2×10 s、等效应变为0.14时,压缩后的ZK60镁合金晶粒明显细化,平均晶粒尺寸为7.62 μm,比原始晶粒减小了 20.21%。（3）为了获得旋转弯曲变形中不同变形参数对ZK60镁合金组织性能的影响规律,进行了不同温度、不同应变速率、不同等效应变的旋转弯曲试验。研究结果表明,随着温度的升高,应变速率的降低,ZK60镁合金平均晶粒尺寸均呈现出先减小后增大的趋势。随着累计等效应变的增大,ZK60镁合金平均晶粒尺寸呈现出逐渐减小的趋势。当变形温度为250℃,应变速率为1.2×10 s,累计等效应变为0.14时,ZK60镁合金晶粒细化效果最好,平均晶粒尺寸为6.82μm,比原始组织减小了 28.59%。此时变形后的试样力学性能明显提升,其抗拉强度提高了 5.82%,断后伸长率提高了 12.16%。（4）为了获得不同塑性变形方式对ZK60镁合金微观组织的影响规律,在温度、应变速率、等效应变一定的条件下,对拉伸变形、压缩变形和旋转弯曲变形后的ZK60镁合金微观组织进行了分析研究。研究结果表明,在这三种塑性变形方式中,经旋转弯曲变形后的ZK60镁合金晶粒细化效果最明显,其平均晶粒尺寸比原始组织减小了 28.59%。（5）为了获得塑性变形对ZK60镁合金耐生物腐蚀性能的影响规律,在温度、应变速率、等效应变一定的条件下,对拉伸变形、压缩变形和旋转弯曲变形后的ZK60镁合金试样进行了生物腐蚀试验。研究结果表明,变形后的ZK60镁合金耐生物腐蚀性能均有一定程度的提高。耐生物腐蚀性能从好到差依次为:旋转弯曲变形试样,拉伸变形试样,压缩变形试样、原始试样。

关键词：镁合金塑性变形微观组织力学性能耐生物腐蚀性能

新型无Ni无Cu型Zr基块体非晶合金及其复合材料的开发及性能研究

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新型无Ni无Cu型Zr基块体非晶合金及其复合材料的开发及性能研究

作者：张诚华中科技大学

学位级别：硕士

本文采用电弧熔炼/水冷铜模吸铸法制备了不同成分的Zr基块体非晶合金及其复合材料。利用X射线衍射分析仪(XRD)、光学显微系统(OM)、扫描电子显微镜(SEM)、示差扫描量热仪(DSC)、差热分析仪(DTA)、显微硬度计、Zwick/Roell力学试验机、... 详细信息

本文采用电弧熔炼/水冷铜模吸铸法制备了不同成分的Zr基块体非晶合金及其复合材料。利用X射线衍射分析仪(XRD)、光学显微系统(OM)、扫描电子显微镜(SEM)、示差扫描量热仪(DSC)、差热分析仪(DTA)、显微硬度计、Zwick/Roell力学试验机、电化学设备和X射线光电子能谱仪(XPS)等实验手段系统研究了不同成分的新型无Ni无Cu型Zr基块体非晶合金的结构、热稳定性、玻璃形成能力、机械性能及耐生物腐蚀性能等。制备了直径为30mm的新型无Ni无Cu型Zr基块体非晶合金:ZrCoAlAg (x=0, 1, 3, 5, 7, 9at.%)。XRD的结构分析表明,所制备的合金基本为单一非晶相;发现了具有最强玻璃形成能力的成分点ZrCoAlAg,其临界尺寸至少有10mm,达到厘米级。DSC和DTA的热分析表明,Ag的添加降低了合金的过冷液态区,伴随着导致原合金的晶化行为模式由单步晶化变为多步晶化。随着Ag含量的增加,合金的液相温度也大大降低了,同时也使得合金更接近共晶成分点,从而提高了该体系的玻璃形成能力。显微硬度分析表明,随着Ag含量的增加,显微硬度先升高后降低,并在Ag=5具有最大值。显微压痕的微观形貌表明,除了Ag=5的成分点以外,其他所有非晶合金的压痕附近均可以看到明显的剪切带,意味着Ag=5的塑性是合金体系里最差的。进一步压缩力学性能和断面形貌结果表明,所有的合金均表现出很高的屈服强度,其值超过了1700MPa,但是较差的室温塑性。分析认为,不同Ag含量的非晶合金里面存在不同的断裂行为和断裂特征。在模拟体液(PBS)中的电化学试验结果表明,适量Ag元素的添加能显著提高Zr基块体非晶合金在PBS溶液中的耐点蚀能力。其中ZrCoAlAg非晶合金具有具有最佳的耐生物腐蚀能力。恒电流阶越分析表明,Ag的添加并未改变钝化膜的形成速率而是改变了钝化膜的稳定性,与电化学测试结果一致,ZrCoAlAg块体非晶合金具有最高的平台电位说明其钝化膜的稳定性是最好的。XPS分析表明,在既含有氯离子又含有磷酸根离子的中性模拟体液环境下,钝化膜中富集着高耐蚀性的Al氧化物可能是合金具有优异耐蚀性的主要原因。此外,进一步研制了无Ni无Cu型Zr基非晶复合材料ZrCoAlAgNb合金。OM和XRD结果表明:合金主要析出了枝晶状的bcc-β相。压缩力学性能结果表明,该复合材料表现出非常高的断裂强度和较好的塑性,两者的值分别达到了2234MPa和4.44%。分析认为主要是枝晶相和剪切带发生交互作用影响了其变形和断裂行为从而提高了强度和塑性。电化学试验结果表明,ZrCoAlAgNb合金在模拟体液中并未发生明显的点蚀,在1N HCl溶液中的浸泡实验表明该合金具有比不锈钢更低的腐蚀速率,表现出较好的耐点蚀性能。

关键词：无Ni无Cu Zr基块体非晶合金热稳定性玻璃形成能力力学性能耐生物腐蚀性能复合材料

含银Ta-Si和Ta-Si-O基生物医用纳米涂层的性能研究

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含银Ta-Si和Ta-Si-O基生物医用纳米涂层的性能研究

作者：成浪南京航空航天大学

学位级别：硕士

基于第一性原理模拟计算,研究了Ag合金化对α-TaSi机械以及物理性能的影响。计算结果表明,Ag会优先占据Ta原子的位置,而且当α-(Ta(1-x))Ag)Si中x=0.15时,Ta-Si化合物热力学稳定性与机械性能达到最优配置。研究了在x=0.15的Ag添加量下,A... 详细信息

基于第一性原理模拟计算,研究了Ag合金化对α-TaSi机械以及物理性能的影响。计算结果表明,Ag会优先占据Ta原子的位置,而且当α-(Ta(1-x))Ag)Si中x=0.15时,Ta-Si化合物热力学稳定性与机械性能达到最优配置。研究了在x=0.15的Ag添加量下,Ag合金化对α-TaSi化合物力学性能、弹性各向异性、热膨胀各向异性以及声速各向异性的影响。基于Ag原子对α-TaSi晶胞电子结构的影响,分析了上述性能的变化机理。以第一性原理计算获得的最优Ag添加量为基础,采用双阴极等离子溅射沉积技术在Ti-6Al-4V基体试样表面制备了α-TaSi以及α-(TaAg)Si两种Ta-Si基纳米晶涂层。在Ta-Si基纳米晶涂层的制备基础之上,往原有工作气体中通入一定量的氧气,以实现离子氧化,从而在Ti-6Al-4V基体试样表面制备了TaO/Si O以及含Ag的TaO/Si O两种Ta-Si-O基非晶-纳米晶复合涂层。通过X射线衍射测试分析技术(XRD)、电子显微镜(SEM)以及透射电子显微镜(TEM)研究了两种不同体系涂层的物相组成以及微观组织结构;利用声发射划痕测试以及摩擦磨损测试分析了涂层与基体的结合力以及摩檫学性能;采用电化学工作站研究了涂层在模拟人体体液环境下的耐腐蚀性能。此外,为了研究Ta-Si-O基复合涂层的光催化活性,通过光催化分解罗丹明染料B(Rh B)实验、紫外-可见光漫反射实验、荧光光谱测试以及光催化杀菌实验等,研究了Ta-Si-O基复合涂层在可见光照射条件的光催化性能。采用平板计数法对Ta-Si以及Ta-Si-O基涂层的抗菌性能进行了评估。对于Ta-Si-O基复合涂层而言,考虑到其本身具备的光催化特性,对其在黑暗条件下以及可见光照射条件下分别进行了平板计数法抗菌实验。此外,对几种试样的表面形貌进行了观察,初步分析了涂层的抗菌机理。最后,通过接触角测试、羟基磷灰石浸泡生长实验以及细胞毒性实验研究了Ta-Si基纳米晶涂层试样以及Ta-Si-O基复合涂层试样的生物相容性。

关键词：第一性原理计算双阴极等离子溅射沉积 Ta-Si基纳米晶涂层 Ta-Si-O基非晶-纳米晶涂层耐生物腐蚀性能抗菌性能生物相容性