Mg-Zn-Zr-Gd生物镁合金组织与性能研究

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镁合金具有良好的力学性能和较好的生物相容性,成为21世纪极富有前景的生物移植材料。目前作为生物材料广泛应用的镁合金却有植入生物体内降解速率过快等问题,如何提高生物镁合金在生物体中的耐蚀性,降低降解速度,成为该领域研究的重点。少量的稀土元素可以在不影响生物相容性的前提下提高镁合金的综合性能,因此研究稀土合金化生物镁合金具有重要意义。  本文在课题组前期研究工作的基础上,选择 Mg-0.5Zn-0.4Zr镁合金作为基础合金,通过添加不同含量的稀土元素 Gd,采用扫描电子显微镜(SEM)、能谱分析(EDS)、X射线衍射(XRD)、透射电子显微镜(TEM)研究了不同Gd含量对 Mg-0.5Zn-0.4Zr-xGd生物镁合金组织的影响;通过析氢、失重测试及电化学方法研究合金在模拟体液(SBF)中的生物耐腐蚀性能;采用拉伸试验和硬度测试研究其力学性能。另外通过固溶、时效等热处理探讨了不同处理方式对Mg-0.5Zn-0.4Zr-5Gd合金组织和性能的影响。  结果表明,稀土 Gd的添加可以提高合金的耐蚀性能与力学性能,并能减缓合金局部腐蚀程度;适量 Gd的添加使得合金的晶粒得到细化,并形成新的Mg3Gd、Mg5Gd析出相。当 Gd添加量为5wt%时,合金腐蚀速率最低为0.845mm/year,仅为 Mg-0.5Zn-0.4Zr基础合金的26.18%,且此时合金抗拉强度为174.67MPa,断后伸长率达到最大值11.25%。与铸态合金相比,适当温度的固溶处理使得合金中大部分析出相溶于基体,组织更加均匀;合金的腐蚀电位正移,腐蚀电流密度减小,电化学腐蚀性能得到提高;固溶温度为490℃时,腐蚀速率为0.528mm/year,仅为铸态合金的62.48%;固溶处理后合金经200℃保温10 h的时效处理后,合金中有大量的细小弥散状析出相析出,腐蚀速率达到0.486 mm/year,达到生物镁合金的耐蚀性能指标;热处理对Mg-0.5Zn-0.4Zr-5Gd生物镁合金的力学性能有较大提高,其中固溶态合金强度达到200.61MPa,伸长率为15.63%,综合性能最好。
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