【摘 要】
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镁合金因其良好的生物相容性、力学相容性和可降解性等,已经受到了医学界和材料领域的广泛关注,有望发展成为新一代生物可降解材料。镁合金作为植入材料,其降解速率不可控、腐蚀速率过快等问题仍然制约其在生物医用领域的推广应用。因此,提高和改善生物可降解镁合金的腐蚀性能已成为众多医学者和材料学者的研究重点之一。针对这一突出问题,本文选用高强塑性Mg-5Sn-2Zn-0.5Zr合金为研究对象,通过金属模浇铸、固
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镁合金因其良好的生物相容性、力学相容性和可降解性等,已经受到了医学界和材料领域的广泛关注,有望发展成为新一代生物可降解材料。镁合金作为植入材料,其降解速率不可控、腐蚀速率过快等问题仍然制约其在生物医用领域的推广应用。因此,提高和改善生物可降解镁合金的腐蚀性能已成为众多医学者和材料学者的研究重点之一。针对这一突出问题,本文选用高强塑性Mg-5Sn-2Zn-0.5Zr合金为研究对象,通过金属模浇铸、固溶处理、正挤压及等通道转角挤压(ECAP)等工艺,制备了不同状态的Mg-5Sn-2Zn-0.5Zr合金。利用光学显微镜(OM)、X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜及能谱仪(SEM和EDS)等设备对不同状态Mg-5Sn-2Zn-0.5Zr合金的微观组织进行分析,并采用析氢法、失重法和电化学方法对不同状态的Mg-5Sn-2Zn-0.5Zr合金进行体外降解研究。取得以下结论:(1)经固溶处理后,Mg-5Sn-2Zn-0.5Zr合金的微观组织得到优化,合金的耐腐蚀性能也得到提升。对比铸态合金,固溶态合金析氢体积为11.71 m L/cm~2,下降了1.17 m L/cm~2;最小平均腐蚀速率为1.339 mm/a,降低0.315 mm/a;合金的腐蚀电位也由-1.533 V偏移至-1.469 V,腐蚀电流密度由77.02μA/cm~2下降至31.58μA/cm~2。同时,两种合金的腐蚀行为由微电偶腐蚀和点蚀构成,且腐蚀产物由大量的Mg(OH)2和Mg O、少量的Ca-P化合物、微量的Sn O2和Zn O构成。固溶处理能够改变合金腐蚀产物形貌,由絮状转变为球状,改善了腐蚀产物层的致密性,从而提升了Mg-5Sn-2Zn-0.5Zr合金的腐蚀性能。(2)经正挤压变形后,Mg-5Sn-2Zn-0.5Zr合金的微观组织转变为细小的再结晶组织。挤压温度为300℃态合金的微观组织细小均匀,其平均晶粒尺寸为6.57μm。随挤压温度升高,晶粒发生长大,伴有孪晶的出现和细小的第二相颗粒沿晶界处析出。同时,Mg-5Sn-2Zn-0.5Zr合金的耐腐蚀性能进一步得到提升。挤压温度为300℃态合金的耐腐蚀性能最好,其析氢体积和最小平均腐蚀速率分别为5.24 m L/cm~2和0.827 mm/a,且具有最正的自腐蚀电位、较小的腐蚀电流密度和较大直径的阻抗弧。随挤压温度升高,合金的耐腐蚀性能降低。所有正挤压态合金的腐蚀产物由Mg(OH)2、Mg O、Ca-P化合物、微量的Sn O2和Zn O构成,随着挤压温度的升高,腐蚀产物层的致密性逐渐变差,Mg-5Sn-2Zn-0.5Zr合金的耐腐蚀性能逐渐降低。(3)经ECAP挤压后,Mg-5Sn-2Zn-0.5Zr合金的微观组织再次细化,随挤压道次增加,合金的晶粒尺寸先减小后增大,3道次合金的平均晶粒尺寸最小,为2.13μm,4道次晶粒尺寸最大,为8.98μm,且ECAP变形后,合金析出更多的细小弥散的第二相颗粒。同时,Mg-5Sn-2Zn-0.5Zr合金的耐腐蚀性能也受到了一定的影响。ECAP 3P态合金的耐腐蚀性能最好,ECAP 1P态合金的耐腐蚀性能最差,其析氢量由3.25 m L/cm~2(ECAP 3P)上升至10.01 m L/cm~2(ECAP 1P),其平均腐蚀速率由1.158 mm/a(ECAP 3P)上升至3.156 mm/a(ECAP 1P),腐蚀电流密度由1.79×10-5 A/cm~2增加到3.91×10-5 A/cm~2。ECAP 1P态Mg-5Sn-2Zn-0.5Zr合金腐蚀产物形貌完全不同于ECAP 2P、ECAP 3P、ECAP 4P态合金的腐蚀产物形貌,ECAP 1P态合金腐蚀产物结构为细长的针尖状,ECAP 2P、ECAP 3P、ECAP 4P态合金腐蚀产物结构为球状颗粒。由于细长的针尖状腐蚀产物结构,导致ECAP 1P态Mg-5Sn-2Zn-0.5Zr合金表现出最差的腐蚀性能。
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