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晶粒尺寸对生物医用mg-3zn-0.2ca-0.2mn合金降解行为的影响

中国有色金属学报 2023年第3期33卷 665-677页

作者：崔珠殷李淑波付军健刘轲王朝辉杜文博北京工业大学材料与制造学部北京100124

本文通过固溶工艺调控,获得第二相含量相近、晶粒尺寸不同的mg-3zn-0.2ca-0.2mn合金,对具有不同晶粒尺寸的合金在Hank’s模拟体液中进行浸泡及电化学实验,通过观察降解后的合金形貌,研究并分析了晶粒尺寸对生物医用mg-3zn-0.2ca-0.2mn... 详细信息

本文通过固溶工艺调控,获得第二相含量相近、晶粒尺寸不同的mg-3zn-0.2ca-0.2mn合金,对具有不同晶粒尺寸的合金在Hank’s模拟体液中进行浸泡及电化学实验,通过观察降解后的合金形貌,研究并分析了晶粒尺寸对生物医用mg-3zn-0.2ca-0.2mn合金降解行为的影响。通过电化学实验可知,合金晶粒尺寸越小,腐蚀电流密度越小,阻抗值越大;通过浸泡实验及对合金表面形貌的观察可知,随着晶粒尺寸的减小,合金降解速率减慢,表面腐蚀坑尺寸越小且分布越均匀,合金的耐蚀性越好。合金降解过程中晶粒尺寸是通过影响合金降解产物膜的致密度及完整性,进而影响合金的耐蚀性能,即合金的晶粒尺寸越小,表面形成的产物膜越致密和完整,溶液中的Cl-吸附于表面后不易渗透至内部,从而使合金耐蚀性得到提高。

关键词： mg-zn-ca-mn合金固溶处理晶粒尺寸耐蚀性能

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医用mg-zn-ca-mn合金组织与腐蚀性能的研究

医用Mg-Zn-Ca-Mn合金组织与腐蚀性能的研究

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作者：郭兵兰州理工大学

学位级别：硕士

针对医用镁合金的耐蚀性较差和人体环境的复杂性，本文选取了无毒且具有良好的生物相容性的金属元素ca、zn和mn作为合金组元。利用真空感应熔炼，采用金属模浇铸制备了mg-zn-ca-mn四元合金。研究了zn、ca以及mn的相对含量不同和热处理... 详细信息

针对医用镁合金的耐蚀性较差和人体环境的复杂性，本文选取了无毒且具有良好的生物相容性的金属元素ca、zn和mn作为合金组元。利用真空感应熔炼，采用金属模浇铸制备了mg-zn-ca-mn四元合金。研究了zn、ca以及mn的相对含量不同和热处理工艺不同对镁合金的显微组织和腐蚀性能的影响。用光学显微镜(OM)和X射线衍射仪(XRD)对不同状态的mg-zn-ca-mn合金试样进行了显微组织观察和物相分析。采用扫描电镜(SEM)和能谱仪(EDS)分析镁合金试样腐蚀过程中的腐蚀形貌。采用失重法和电化学测试探讨了不同状态mg-zn-ca-mn合金在Hank’s模拟体液中的腐蚀机理。研究结果表明：纯镁由于其晶界晶内并无选择性，在PBS溶液和Hank’s模拟体液中表现出典型的局部腐蚀。 mn元素在低于1.5%时，可以细化铸态镁合金的组织。固溶处理消除了铸态组织中的微观偏析，且晶粒的生长形状最终类似六边形。而且经过时效处理后，均匀分布的mg-zn固溶体和mg-mn固溶体的电极电位较高，可提高合金基体的电极电位，同时阴极相mg2ca相的体积分数的有效降低，可以改善镁合金的耐蚀性能。铸态合金的局部腐蚀严重，在腐蚀区内形成腐蚀台阶，且存在“河流状”和“骨架状”的腐蚀形貌。而热处理态合金的腐蚀表现的相对均匀。镁合金在Hank’s模拟体液中的腐蚀，主要是和水分子以及大量的活性阴离子反应。且pH值的升高，致使氢电极电位变负，阻碍了氢去极化过程，延缓了金属的腐蚀。另外发现，固溶时效态合金在腐蚀过程中，膜层内外存在mg的浓差极化，可加速合金的腐蚀。同时，Cl在膜层表面的选择性吸附，激活了小孔腐蚀。经过对比分析平均腐蚀速率和电化学腐蚀速率，固溶态mg-2.0zn-0.3ca-1.3mn合金(0.125mm/a)的耐腐蚀效果最佳。而且合金在浸泡过程中的腐蚀电流密度无波动，也即电化学腐蚀速率无突变，说明合金的降解具有可预见性，因此适合作为生物可降解支架用镁合金基体材料。

关键词： mg-zn-ca-mn合金 Hank’s模拟体液显微组织腐蚀行为

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SiC颗粒增强mg-zn-ca-mn镁基复合材料组织与力学性能研究

SiC颗粒增强Mg-Zn-Ca-Mn镁基复合材料组织与力学性能研究

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作者：撒兴军哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

本文采用半固态涡流搅拌铸造法制备了SiC颗粒平均尺寸为10μm的体积分数分别为5%、10%和15%SiCp/mg-zn-ca-mn镁基复合材料。为了进行对比,本文采用相同的凝固工艺制备了mg-zn-ca-mn镁合金,并且对mg-zn-ca-mn基体合金和三种不同体积分数... 详细信息

本文采用半固态涡流搅拌铸造法制备了SiC颗粒平均尺寸为10μm的体积分数分别为5%、10%和15%SiCp/mg-zn-ca-mn镁基复合材料。为了进行对比,本文采用相同的凝固工艺制备了mg-zn-ca-mn镁合金,并且对mg-zn-ca-mn基体合金和三种不同体积分数的复合材料在不同温度下进行热挤压。采用金相显微镜,扫描电子显微镜和透射电子显微镜对材料的显微组织进行了观察,并对材料的室温和高温力学性能进行了测试。研究结果表明:铸态基体合金的晶粒尺寸粗大,第二相主要沿晶界呈网状分布,导致力学性能较差。随着SiC颗粒体积分数的增大,铸态复合材料的晶粒尺寸明显减小,15vol.% SiCp/mg-zn-ca-mn复合材料的晶粒尺寸约为20μm,约为基体合金的1/5。由扫描观察可知,在SiC颗粒表面包覆着大块第二相,该第二相弱化了基体与颗粒之间的界面结合,并且随着颗粒体积分数的增大,第二相含量减少,SiC颗粒抑制了第二相析出。由透射观察可知,SiC颗粒与基体之间的界面处没有产生明显的反应产物,但在SiC颗粒表面有尺寸细小的第二相析出,经过衍射斑点标定可确定该第二相为脆性的ca2mg6zn3相。铸态复合材料的屈服强度,抗拉强度和弹性模量随着颗粒体积分数的增大均有大幅度提高,而延伸率与基体合金相比明显降低。热挤压可以显著细化mg-zn-ca-mn镁合金的晶粒尺寸,显著提高了mg-zn-ca-mn镁合金的室温力学性能。随着热挤压温度的升高,合金的再结晶逐渐完全,再结晶晶粒尺寸逐渐增大,导致挤压态合金的屈服强度和抗拉强度逐渐降低,但是延伸率逐渐增大。经热挤压后,合金中的第二相沿挤压方向呈带状分布。经热挤压后,复合材料中SiC颗粒分布得到改善,并且随着挤压温度的升高改善效果越明显。复合材料的晶粒尺寸随着挤压温度的升高逐渐增大。随着颗粒体积分数增大,复合材料中第二相含量逐渐减少。热挤压显著提高了复合材料的力学性能,但是挤压温度对不同体积分数复合材料的影响规律并不相同。这主要是由于复合材料中颗粒的分布状态,晶粒尺寸,挤压诱发颗粒断裂,第二相含量和分布状态以及织构等因素综合作用对其力学性能产生重要影响。5vol.%复合材料在300℃挤压后第二相分布均匀、弥散,弥散强化效果显著,导致力学性能最好;10vol.%复合材料在250℃挤压后存在少量的未再结晶晶粒,晶粒内含有高密度位错,强度最高;晶粒尺寸和挤压诱发颗粒断裂对15vol.%复合材料的力学性能影响较大,在250℃挤压后颗粒断裂明显导致性能较差,而在300℃挤压后晶粒尺寸较小,力学性能最好。同一挤压温度下,随着SiC颗粒体积分数的增大,复合材料的力学性能有所降低,这可能是由于第二相含量减少,第二相强化减弱,颗粒分布均匀性变差。随着拉伸温度的升高,复合材料的抗拉强度逐渐减小,而延伸率逐渐增大。在150℃之后,抗拉强度剧烈下降,但150℃之前抗拉强度仍能保持在250MPa以上,故该复合材料适用于低于150℃的环境中。

关键词： mg-zn-ca-mn合金镁基复合材料搅拌铸造热挤压力学性能

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