医用梯度降解镁合金材料制备及钻削表面完整性研究

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基于镁合金优异的生物相容性和可降解性,在临床医用异体植入方面具有广阔的发展前景。然而纯镁因为自身的降解速度极快,在植入人体对损伤的人体骨组织进行辅助医疗时,因为其过快的降解速度导致患病处尚未愈合便发生严重的失效,从而造成植入失败,合金化是解决这一问题的重要途径之一。同时,以接骨板为代表的镁合金材料植入器件在使用时需与接骨螺钉相配合,钻削加工是应用最为普遍与实用的加工方法之一,与之带来的问题就是如何提高钻削加工后镁合金材料的孔壁质量。通过对上述问题的论述,本文提出一种应用于接骨板功能梯度变化的镁合金材料,使其在植入人体后,根据体液腐蚀速率的不同实现梯度降解,以达到与人体骨骼康复周期相匹配的目的。基于对人体无害的生物可降解金属材料镁、锰、锌三种元素,采用粉末冶金方法,利用真空热压烧结技术制备了单层镁锰锌合金(Mg-0.5Mn-2Zn、Mg-1.0Mn-2Zn、Mg-1.5Mn-2Zn(wt.%))与单层镁锌合金(Mg-10Zn、Mg-20Zn、Mg-30Zn(wt.%)),并对以上两种不同成分的单层镁合金进行了力学性能试验、电化学腐蚀试验、SBF溶液失重腐蚀试验、微动磨损试验等。从以上试验得出的具体数据经过比较分析,确定出综合性能较为优异的合金组成成分,并对这些组成成分进行叠层烧结制备,达到具备梯度降解的目的。通过对以上不同成分的镁锰锌合金力学性能和耐腐蚀性能的试验研究发现,力学性能最优的是Mg-0.5%Mn-2%Zn(最大压应力24.866 k N,最大弯曲强度186.74 MPa),其次是Mg-1%Mn-2%Zn,最后是Mg-1.5%Mn-2%Zn。在耐腐蚀性能上最优的是Mg-1.5%Mn-2%Zn,其次是Mg-1%Mn-2%Zn,最后是Mg-0.5%Mn-2%Zn。结果证明随着锰元素含量的增加,镁锰锌合金的脆性增加,力学性能不断降低,而耐腐蚀性能逐渐增强。经过比较分析其综合性能最优的是成分含量为Mg-1%Mn-2%Zn的镁锰锌合金。镁锌合金中力学性能最优的是Mg-20%Zn(最大压应力25.05k N,最大弯曲强度189.41 MPa),其次是Mg-30%Zn,最后是Mg-10%Zn。在耐腐蚀性能上最优的是Mg-30%Zn,其次是Mg-20%Zn,最后是Mg-10%Zn。证明随着锌元素含量的逐渐增加,镁锌合金的力学性能出现显著改变,呈现出先增大后减小的特性,然而合金中锌含量的增加却使合金的耐腐蚀性能越来越强。通过对镁锌合金在力学性能以及在耐腐蚀性能上的比较,其综合性能最优的是成分含量为Mg-20%Zn的镁锌合金。在兼顾力学性能与耐腐蚀性能的前提下,从上述试验中所得到的数据以及为了达到梯度降解的目的,根据锰含量为1%锌含量为20%时各单层镁合金性能的优异表现,在叠层材料的组成成分中选用了成分含量Mg-1%Mn-20%Zn为最外层,Mg-20%Zn为次外层,Mg-1%Mn-2%Zn为中间层的五层对称叠层材料并对其进行烧结制备。采用优化制备的镁合金叠层材料进行钻削加工试验,对收集到的钻屑以及加工后的孔壁形貌和出口处毛刺进行扫描电镜(SEM)微观形貌分析。通过对上述钻削产物的分析得到,随着机床主轴钻速的提升,钻屑由条带形向卷曲形转变,且破碎度逐渐变大;毛刺的长度与宽度随转速的提升也逐渐变长变宽,毛刺较为凸显;孔壁形貌在高转速下的内壁划痕沟槽分布较为整齐均匀,且沟槽的深度与低转速相比变浅、宽度变窄,表面粗糙度得到了很大的提升,证明了通过提高转速可以提升钻孔加工的孔壁表面质量。
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