新型生物医用Mg-Sc-Yb-Mn-Zr合金的组织与性能研究

来源 :兰州理工大学 | 被引量 : 3次 | 上传用户:sxfylhd
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由于生物医用镁合金具有很好的力学相容性、生物相容性以及生物可降解性,已经受到了材料领域和医学领域广泛的关注。但是由于镁活泼的性质导致的降解速率过快,降解过程难以控制,以及镁密排六方的晶体结构导致的塑性及精密成形性差等难题,使得镁合金在生物医用领域应用受到了限制。近年来,稀土元素以及合金化改性成为生物医用镁合金材料的研究热点。含有Y元素和 Nd元素以及其他稀土元素的WE43镁合金由于其相比于其他镁合金具有良好的力学性能及耐腐蚀性能以及对人体无毒副作用,成为众多研究者的焦点。为了开发出更能适应人体环境的生物医用镁合金,以WE43组分为基础,替换其中稀土元素,选择了密度与镁最相近的稀土元素 Sc,以及 La 系元素中的 Yb 元素作为合金化的稀土元素,并添加了作为提高镁合金耐蚀性的Mn元素以及促使镁合金形核的 Zr元素。利用金属模浇铸制备了 Mg-xSc-yYb-1.0Mn-0.5Zr(x=2,3,4,6;y=1,2, 3,4)合金,并对其进行固溶处理,通过光学显微镜(OM)、场发射扫描电镜(SEM)、室温拉伸试验和浸泡实验分别分析了铸态、固溶态下的不同含量的Sc元素和 Yb元素对生物医用镁合金材料的显微组织、力学性能以及耐蚀性能的影响。再对具有良好力学性能及耐腐蚀性能的固溶态 Mg-6Sc-3Yb-1.0Mn-0.5Zr 合金采取轧制工艺的手段,对比分析铸态、固溶态以及轧制态Mg-6Sc-3Yb-1.0Mn-0.5Zr生物医用镁合金的组织与性能之间的内在规律。  铸态Mg-xSc-yYb-1.0Mn-0.5Zr合金的晶粒呈树枝状生长,其平均晶粒尺寸随着Yb元素含量的增加发生明显细化。Sc元素对生物医用铸态Mg-xSc-yYb-1.0Mn-0.5Zr合金的晶粒尺寸细化效果并不明显,并且过量的Sc元素会增加镁合金晶界处的偏析。铸态合金中第二相由MgSc相、Mg2Yb相、Mn2Sc相和Mn2Zr相组成, MgSc相、Mg2Yb相其中沿着晶界析出,Mn2Sc相和Mn2Zr相在晶粒内部,Sc元素含量过高时会出现纯 Sc 相。固溶处理之后合金晶界处的偏析消除,第二相组成为Mn2Sc相和Mn2Zr相,平均晶粒尺寸随着Sc元素含量的增加发生明显细化。Yb 元素含量的增加可以通过固溶强化、细晶强化的作用使镁合金的强度得到提高。过量的Yb元素对合金的塑性有负面的影响。Sc元素含量的提高可以改善生物医用 Mg-xSc-yYb-1.0Mn-0.5Zr 合金的塑性,合金的强度随之下降。生物医用Mg-6Sc-3Yb-1.0Mn-0.5Zr合金具有最佳的力学性能,其铸态合金的抗拉强度、屈服强度及延伸率依次为182MPa、81MPa、11.6%,固溶态合金中虽然抗拉强度和屈服强度均有下降,但是合金延伸率高达28%。铸态生物医用Mg-xSc-yYb-1.0Mn-0.5Zr 合金的耐腐蚀性能随着 Sc 元素和 Yb 元素的增加而增强,固溶处理使得合金在腐蚀过程中形成致密的钝化膜,会更加提高生物医用 Mg-xSc-yYb-1.0Mn-0.5Zr合金在PBS模拟体液中的耐腐蚀性能,固溶态Mg-6Sc-4Yb-1.0Mn-0.5Zr合金具有最低的降解速率为0.72mm/a。  固溶态Mg-6Sc-3Yb-1.0Mn-0.5Zr合金有着优良的延展性,轧制后压缩率高达72%。轧制没有改变生物医用 Mg-6Sc-3Yb-1.0Mn-0.5Zr固溶态合金的相组成,合金的晶粒尺寸明显细化至 20μm,第二相尺寸甚至可以达到纳米级别。由于细晶强化和轧制产生的加工硬化,使合金的强度大幅提高,抗拉强度达到 295MPa,而延伸率显著下降,只有5.1%。并且轧制态合金的断裂机制为脆韧混合型断裂。轧制态生物医用 Mg-xSc-yYb-1.0Mn-0.5Zr合金由于其细化晶粒和第二相尺寸,耐蚀性要好于铸态以及固溶态合金,腐蚀过程中形成的钝化膜更致密,腐蚀更均匀。相比铸态以及固溶态合金具有更低的腐蚀速率,只有0.31mm/a。
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