骨植入用镁锌钙锶合金的制备及性能研究

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镁合金具有良好的生物相容性、接近于天然骨的弹性模量、可降解性和易于消毒灭菌等优点。但是,镁合金的耐蚀性能、力学性能和塑性成形能力都较差,本文选用合金化的方法来改善镁合金的组织、增强其力学性能和生物相容性。利用OM、SEM、EDS、XRD、室温拉伸、电化学和失重等检测手段,研究了钙、锶对铸态 Mg-Zn-Ca-Sr合金组织以及性能的影响,优化出了三种综合性能较好的铸态合金,进行均匀化处理和热挤压,研究热挤压态 Mg-Zn-Ca-Sr合金的显微组织、力学性能和在模拟体液中的耐蚀性能。结果表明:  铸态 Mg-Zn-Ca-Sr合金主要由α-Mg、Mg2Zn11、Mg2Ca和Mg17Sr2相组成。钙、锶主要以第二相的形式分布于镁合金的晶界处和晶粒内部,只有极少量固溶到镁基体中。随着钙、锶含量增多,铸态合金组织中的一次枝晶和二次枝晶轴向尺寸不断缩减,合金组织逐渐变为等轴晶粒,第二相数量增多,并且晶界处的第二相逐渐形成连续的网状结构。铸态合金的硬度值、抗压强度、抗拉强度和伸长率也都逐渐升高,但铸态合金的耐蚀性有所降低。  由于钙、锶在镁中的固溶度很低,在凝固过程中,钙、锶被排挤到固液界面前沿从而产生了较强的成分过冷,再加上这些元素扩散较慢等因素造成铸态合金的晶粒趋于等轴化。随着钙、锶含量增多,铸态合金力学性能得到提高的主要原因是细晶强化、固溶强化和第二相强化的共同作用。在铸态合金中作为阴极的第二相与作为阳极的镁基体形成了大量的电偶腐蚀,降低了铸态合金的耐蚀性。  在研究铸态 Mg-Zn-0.1Ca-0.1Sr、Mg-Zn-0.2Ca-0.1Sr、Mg-Zn-0.2Ca-0.3Sr合金组织和性能的基础上,对这三种合金的均匀化处理和热挤压后的组织和性能进行研究。首先确定出均匀化处理的工艺参数为加热温度400℃、保温时间72h,热挤压工艺参数为挤压比为26:1、挤压温度为340℃、挤压速度为1m/min。结果表明,由于在挤压变形过程中镁合金发生了动态再结晶,造成挤压态合金的组织变为细小的等轴晶。当钙、锶含量较多时,较多数量的第二相阻碍了晶粒长大使挤压态合金的晶粒变得更加细小,通过细晶强化、固溶强化、第二相强化和加工硬化的共同作用,使挤压态合金的硬度值、抗压强度、抗拉强度和伸长率得到了提高,但是,大量的晶界发生腐蚀、大量的电偶腐蚀反应、位错和孪晶等因素使挤压态合金的耐蚀性有所降低。  与铸态合金相比,挤压态合金的晶粒尺寸和形状发生了明显细化,挤压态合金的力学性能和耐蚀性能得到了大幅度提升,其主要原因是挤压变形使镁合金发生了动态再结晶、消除了铸态组织缺陷和大量第二相溶解于基体等。挤压态Mg-Zn-0.2Ca-0.3Sr合金的平均晶粒尺寸为2.10μm、硬度平均值为63.4HV、抗压强度达到454.5MPa、抗拉强度达到303.0MPa、伸长率为13.3%、平均腐蚀速率为5.7mg·cm-2·d-1。
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