生物Mg-Zn-Ca合金非晶重熔层激光重熔法制备及耐腐蚀性能研究

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可降解生物镁合金因其优异的力学相容性和生物相容性,广泛应用于人体硬组织修复材料领域。但因金属镁的化学电位较负,导致腐蚀速率过快,严重制约着生物镁合金的临床应用。据报道,镁合金非晶化可有效提高其耐腐蚀性能,但传统制备方法所制备出的非晶较小,无法满足实际应用。因此本文Mg60Zn35Ca5合金为研究对象,首先研究了激光重熔工艺对镁合金的微观结构影响规律,然后在此基础上进一步工艺参数优化制备出镁合金非晶涂层,最后评估了镁合金非晶涂层耐腐蚀性、降解性能和生物活性。本文主要研究成果如下:(1)研究了激光重熔工艺对Mg60Zn35Ca5合金微观结构的影响规律。研究表明:铸态镁合金主要由灰色基体相、黑色片状相和白色不规则枝晶相组成,母合金有较多的缺陷和孔洞;激光重熔实验后的镁合金表面形成重熔梯度层,表层为无明显衍射衬度的非晶层,其次为雪花状组织,底层为基底层;不同激光工艺下的组织大小有一定的差异,在功率为500 W、扫速为90 mm/s时,所形成的重熔层无衍射衬度。(2)制备了Mg60Zn35Ca5合金非晶梯度层,并研究了非晶梯度层的力学性能。结果表明:在激光功率为500 W、扫描速度为90 mm/s时,在镁合金表面形成的非晶含量高达95.8%,可判定经过激光重熔后在Mg60Zn35Ca5合金表面成功制备出非晶涂层。母合金的显微硬度为188 HV,经过上述激光工艺的重熔处理后,合金表层的硬度呈现梯度变化,最高可达到540 HV,提高了2.8倍。镁合金的摩擦系数由0.63减小到0.20,且激光功率及扫描速度对合金性能的影响呈现开口向下的抛物线型变化规律。(3)研究了激光重熔前后生物Mg60Zn35Ca5合金在模拟体液中的耐腐蚀性能及腐蚀机制。结果表明:自腐蚀电位由-1.6687 V正向偏移到-1.3346 V,正向偏移了0.3341 V。同时自腐蚀电流密度由0.2385 mA/cm2下降为0.0199 mA/cm2,减低了0.2186 mA/cm2。降解速率Ri由5.450 mm/y降低到0.455 mm/y,减缓幅度超过一个数量级,达到镁合金植入材料腐蚀速率小于0.5 mm/y的要求。
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