改性医用镁合金在模拟体液下的腐蚀行为研究

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相较于传统医用植入金属材料,镁合金密度与人体骨骼密度更加接近,有较高的比刚度和比强度,在生理环境中可以降解,适用于医用植入材料。但是,镁合金在生理环境中的耐蚀性能较差,这极大的限制了它的临床应用。因此,如何通过表面改性技术提高镁合金的耐蚀性能,并且研究改性后的镁合金在模拟体液中的腐蚀行为成为当前研究的重点。研究采用AZ80镁合金作为基体材料(BM)制备了三种改性涂层。第一种是通过激光冲击强化(LSP)技术制备了LSP涂层试样;第二种是通过微弧氧化(MAO)技术制备了MAO涂层试样;第三种是在镁合金表面首先进行激光冲击强化预处理,然后再用微弧氧化制备LSP/MAO复合涂层试样。针对BM、LSP、MAO、LSP/MAO四种试样在模拟体液(SBF)中进行了浸泡试验和应力腐蚀试验。在浸泡试验中,分别在降解过程的第70h、140h、280h、560h、1120h和1800h进行了电化学测试,并使用扫描电子显微镜(SEM)和X射线衍射仪(XRD)对各个降解阶段的涂层形貌和相成分进行了观测。对比分析了涂层在浸泡过程中的腐蚀演化行为并建立降解过程物理模型。采用慢应力应变拉伸(SSRT)实验机对四种试样分别在1×10-6S-1和5.3×10-7S-1两种应变速率下进行了应力腐蚀测试,并通过应力应变曲线和断口的微观形貌比较了四种试样的应力腐蚀敏感性。另外,在5.3×10-7S-1应变速率下的慢拉伸试验结合电化学同步测试,分析了四种试样在慢拉伸过程中的阻抗谱演化和裂纹萌生机制。通过对上述实验的分析得到以下结论:1)静态浸泡试验表明,MAO涂层和LSP/MAO复合涂层均能改善镁合金基体的耐蚀性能,但是LSP/MAO复合涂层在降解过程各阶段的耐蚀性能均优于MAO涂层。并且在浸泡的后期阶段,MAO涂层已经接近失效,但LSP/MAO复合涂层仍然对基体具有良好的保护作用。2)SEM测试结果表明,各个降解阶段LSP/MAO涂层厚度均大于MAO涂层。1800h时,MAO涂层与基体的结合力变差,涂层接近剥落,而LSP/MAO复合涂层和基体的结合力仍然较强。3)XRD测试结果表明,降解过程中涂层表面生成了Mg(OH)2和Ca2P2O7腐蚀产物层。Ca/P化合物的生成也表明了MAO涂层和LSP/MAO复合涂层具有良好的生物活性和相容性。4)应力腐蚀试验表明,LSP涂层、MAO涂层和LSP/MAO复合涂层均能提高镁合金基体的力学性能并改善了镁合金基体的应力腐蚀敏感性。LSP/MAO复合涂层抵抗应力腐蚀的效果最好。5)不同应变速率下的应力腐蚀试验表明,随着应变速率的降低,基体试样和三种涂层试样的应力腐蚀敏感性均提高。6)LSP处理使得镁合金表面生成纳米晶结构并且改变了镁合金表面的织构从而提高了镁合金基体抵抗SBF的腐蚀阻力。晶粒细化也导致材料在受外部应力作用时变形更加均匀,应力集中变小,从而提高了材料的抗应力腐蚀能力。
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