Cu对Mg-Zn-Ca合金非晶形成能力和性能的影响

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作为可降解生物金属材料,镁及镁合金与人体自然骨的抗拉强度、抗压强度、弹性模量和密度均较为相似,且具有良好的生物相容性和力学相容性。因此,镁及镁合金逐渐成为了最具开发前景的可降解生物材料。本研究工作主要包括三个内容:(1)选择母合金成分以及制备母合金;(2)采用铜模挤压铸造法制备片状的Mg-Zn-Ca-Cu非晶合金,并研究了其组织结构、耐腐蚀性能和抗菌性能,以及不同晶化处理温度对其耐腐蚀性能的影响;(3)采用铜模挤压铸造法制备直径6 mm的Mg-Zn-Ca-Cu合金,研究了Cu元素对Mg-Zn-Ca合金组织结构、耐腐蚀性能和力学性能的影响。根据共晶点容易形成非晶的理论,选取成分为Mg66Zn30Ca4的合金研究对象。采用石墨坩埚在高频真空感应炉中熔炼3次以确保母合金成分的均匀。然后通过铜模挤压铸造法制备片状的Mg66Zn30-xCa4Cux合金,利用X射线衍射仪(XRD)、差示热量扫描仪(DSC)、扫描电子显微镜(SEM)分别对样品的相结构、热稳定性和形貌进行了表征;通过电化学工作站和析氢实验对Mg66Zn30-xCa4Cux(x=0,0.5,1.0,1.5,2.0)合金的耐腐蚀性能进行表征;采用大肠杆菌培养实验对Mg66Zn30-xCa4Cux合金的抗菌性能进行表征。结果表明:Mg66Zn30Ca4和Mg66Zn29.5Ca4Cu0.5合金为完全的非晶态,并具有相近的耐腐蚀性能,随着Cu元素含量的进一步增加,样品的耐腐蚀性能逐渐降低;Mg66Zn28.5Ca4Cu1.5和Mg66Zn28Ca4Cu2.0形成了非晶相和晶体相共存的复合材料。另外,随着Cu元素含量的增加,样品的抗菌性能逐渐增加,Mg66Zn28Ca4Cu2.0合金的抗菌性能最好;从综合性能来看,Mg66Zn29.5Ca4Cu0.5合金的性能较为优异。对Mg66Zn29.5Ca4Cu0.5合金片状样品分别在90℃、160℃、230℃、和270℃进行晶化处理,并利用X射线衍射仪(XRD)、差示热量扫描仪(DSC)、扫描电子显微镜(SEM)分别对样品的相结构、热稳定性和形貌进行了表征;通过电化学工作站对样品的耐腐蚀性能进行表征。结果表明:随着晶化处理温度的升高,样品微观结构逐渐从完全非晶态转变为完全晶态,样品的耐腐蚀性能随之逐渐降低。采用铜模挤压铸造法制备直径为6 mm的Mg66Zn30-xCa4Cux合金,利用X射线衍射仪(XRD)、差示热量扫描仪(DSC)、扫描电子显微镜(SEM)分别对样品的相结构、热稳定性和形貌进行了表征;同时,采用万能拉伸试验机和电化学工作站分别对样品的压缩性能和耐腐蚀性能进行了测试。结果表明:(1)Mg66Zn30-xCa4Cux合金表面为非晶态,内部为晶态,都形成了晶体相和非晶相共存的复合材料;(2)Mg66Zn30-xCa4Cux合金在人体模拟液中的电化学测试和表面形貌结果都表明不含Cu的Mg66Zn30Ca4合金耐腐蚀性能最好;(3)Mg66Zn30-xCa4Cux合金在力学性能研究表明,随着Cu元素含量的增加,Mg66Zn30-xCa4Cux合金的压缩断裂强度和压缩变量逐渐增加,Mg66Zn29.5Ca4Cu0.5合金的综合力学性能最佳。
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