镁合金表面复合生物涂层的组织结构与耐蚀性能

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镁及其合金的弹性模量(40GPa)与人体骨骼很相近,将其用于人体骨骼替代材料植入人体后可以避免“应力遮蔽”效应,但镁及镁合金在生理环境中耐蚀性能差,采用表面改性方法对其进行腐蚀控制是必要的途径。本课题首先采用冷喷涂和磁控溅射法在镁合金(AZ91D)表面预置一层纯Ti涂层,再采用微弧氧化法对其进行生物学活化处理。同时还制备了镁合金微弧氧化涂层(MAO),以便对比分析。利用SEM、XRD、EDS等手段分析涂层的微观组织结构,采用电化学交流阻抗法评价涂层的生物学耐蚀性能。结果表明,冷喷涂预置Ti层(CS)厚度约100μm,表面结构粗糙,微弧氧化处理后在Ti层表面产生微弧放电孔,涂层主要由Ti6O组成,还含有少量钙、磷类活性物质,微弧氧化层有利于提高冷喷涂Ti层的生物学活性和致密性。磁控溅射预置Ti层(MS)厚度约5μm,内部致密表面平整光滑。微弧氧化后,Ti层表面粗糙度增加,形成的颗粒状物质主要由Ti6O组成。在含F-和PO43-两种电解液体系中制备镁合金微弧氧化涂层的厚度和表面孔隙率随工作电压的上升而增大,涂层主要由MgO和Al2O3组成,F-体系微弧氧化层含有生物有害物质F,PO43-体系微弧氧化层含有生物活性物质P。镁合金(AZ91D)及其涂层在仿生溶液中的电化学阻抗分析表明:镁合金电化学阻抗奈奎斯(Nyquist)曲线呈高频段容抗弧和低频段感抗弧特征,随着在仿生溶液中浸泡时间的延长,电荷转移电阻由560下降至170Ω/cm2;镁合金微弧氧化涂层电化学阻抗奈奎斯(Nyquist)曲线呈双容抗弧特征,随着在仿生溶液中浸泡时间的延长,双容抗弧变成单容抗弧,且电荷转移电阻(Rt)由9300下降至60Ω/cm2;磁控溅射预置Ti层电化学阻抗奈奎斯(Nyquist)曲线呈高频段容抗弧和低频段感抗弧特征,未经仿生溶液浸泡时电荷转移电阻为41Ω/cm2,证明其在仿生溶液中未发生钝化,生物学耐蚀性能优于镁合金;磁控溅射预置Ti层微弧氧化后,电化学阻抗奈奎斯(Nyquist)曲线呈单容抗弧特征,随着在仿生溶液中浸泡时间的延长,电荷转移电阻由60下降至40Ω/cm2。通过对比电荷转移电阻随仿生溶液浸泡时间延长的下降幅度,认为溅射Ti层微弧氧化后的耐蚀性能优于镁合金及镁合金微弧氧化涂层。
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