Mg-Zn-Zr-Ce生物材料组织与性能的研究

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镁合金高的比强度、杰出的生物相容性与可降解的特征使其成为21世纪最有前景的医用金属材料。然而其差的抗腐蚀能力是制约其临床应用的最大障碍,是以如何提高镁合金的抗腐蚀能力成为镁合金生物材料研究的重点。Mg-Zn-Zr系属于低细胞毒性的镁合金系,为进一步提高其抗腐蚀能力,可添加适量的稀土元素Ce。本研究设计并制备了Mg-2Zn-0.4Zr-0.6Ce生物镁合金,通过热处理与热挤压工艺提高合金的力学性能与抗腐蚀能力,通过光学显微镜(OM)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、浸泡测试、电化学测试和拉伸试验研究了固溶处理、时效处理、热挤压以及再结晶退火对合金组织与性能的影响。结果表明,铸态Mg-2Zn-0.4Zr-0.6Ce合金主要由α-Mg和(Mg,Zn)11Ce相组成。不同温度(430、440、450、460、470℃)固溶处理后合金的第二相逐渐溶解,晶粒长大,由于(Mg,Zn)11Ce相具有高的热稳定性,固溶处理后仍有未溶解的(Mg,Zn)11Ce相。由于微电偶数量的减少与组织均匀化,固溶处理后合金的腐蚀速率降低,且随固溶温度的升高,合金在模拟体液中(SBF)的腐蚀速率和自腐蚀电流密度Icorr先减小后增大,容抗弧半径先增大后减小,在450℃固溶处理后合金在SBF中的腐蚀速率与Icorr最低,此时腐蚀速率和Icorr分别为0.7483mm·a-1和0.93μA·cm-2。将在450℃固溶处理后的合金于250℃时效不同时间(8、12、16、20、24h),固溶态合金在时效过程中合金中析出细小的(Mg,Zn)11Ce相,且随着时效时间的延长,第二相的数目逐渐增大。由于引入了更多的微电偶,时效后合金的腐蚀速率增大,随着时效时间的延长,合金在SBF中的腐蚀速率和Icorr逐渐增大,容抗弧半径减小。时效8 h后合金的腐蚀速率和Icorr最小,此时腐蚀速率为0.8125 mm·a-1,Icorr为1.31μA·cm-2。由于弥散强化作用,时效后合金的抗拉强度得到提高。随着时效时间的延长,抗拉强度逐渐增大,伸长率减小。时效24 h后抗拉强度达到最大值,为209.4 MPa。从抗腐蚀能力的角度考虑,在250℃时效12 h后合金的综合性能最好,此时合金的抗拉强度为186.3 MPa,伸长率为12.3%,腐蚀速率为0.8573 mm·a-1。将铸态Mg-2Zn-0.4Zr-0.6Ce合金在不同温度下(470、480、490、500、510℃)挤压,合金在热挤压过程中发生动态再结晶,挤压后组织由细小的再结晶晶粒与未再结晶晶粒组成。随着挤压温度的升高,再结晶晶粒体积分数逐渐升高,晶粒尺寸变化不明显,合金在SBF中的腐蚀速率和Icorr先减小后增大,容抗弧半径先增大后减小。490℃挤压后合金的抗腐蚀能力最好,腐蚀速率为0.9337 mm·a-1,Icorr为4.67μA·cm-2。因为细晶强化与位错强化作用,挤压后合金的抗拉强度得到提高。随着挤压温度的升高,抗拉强度先增大后减小,伸长率先增大后减小。490℃挤压后合金的综合力学性能最好,抗拉强度与伸长率分别为259.1 MPa、14.1%。将在490℃挤压的合金于不同温度下(150、200、250、300℃)再结晶退火3h。合金在再结晶退火过程中合金发生再结晶,未再结晶晶粒消失,随后晶粒逐渐长大。由于再结晶与位错密度的降低,退火后合金抗腐蚀能力得到提高,随着退火温度的升高,合金在SBF中的腐蚀速率和Icorr先减小后增大,容抗弧半径先增大后减小,合金的抗拉强度逐渐降低,伸长率先增大后减小。当退火温度高于200℃时,合金的自腐蚀电流密度(Icorr)与平均晶粒尺寸(d)满足Icorr=a+bd-1/2方程。综合考虑镁合金生物材料的抗腐蚀能力与力学性能,在200℃退火3 h后合金的Icorr最低,合金的综合性能最好,抗拉强度与伸长率分别达到245.8 MPa和16.2%,腐蚀速率为0.7235 mm·a-1
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