血管支架用Mg-Zn-Y-Nd(-Zr)合金组织及性能研究

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目前,在国内外镁合金血管支架材料成为研究热点。商业用镁合金由于其力学性能和生物相容性等性能的限制,不能满足血管支架用材料的要求。通过塑性变形加工可在一定程度上改善镁合金的组织,从而提高其力学性能和耐腐蚀性能;但由于镁合金的晶体类型限制了镁合金的变形。因此,开发出一种新型的易变形、具有力学性能和耐腐蚀性能优异的血管支架用材料成为目前亟需解决的问题。本文针对镁合金血管支架加工工艺及性能要求,根据镁合金的性能及生物相容性,开发出了一种新型血管支架用Mg-Zn-Y-Nd(-Zr)合金。通过优化Y、Nd元素的含量得到组织均匀弥散的合金;加入Zr元素,细化合金组织。采用挤压加工工艺,进一步细化合金组织,提高合金的力学性能和耐腐蚀性能,从而获得满足血管支架用新型镁合金。通过OM、SEM&EDS、HRTEM,XRD分析,电化学测试,显微硬度、拉伸试验等方法研究铸态、挤压态Mg-Zn-Y-Nd(-Zr)合金的力学性能和耐腐蚀性能。组织分析结果表明:随着Y含量增加,合金中第二相增多,组织中出现明显的枝晶;随着Nd含量的增加,合金中第二相增多、枝晶更明显;Zr的加入使合金的组织趋于等轴晶;经挤压后,合金组织细化明显,其中Nd含量为1.0%时,组织更加均匀;由XRD分析可知Nd含量的增加使合金中出现了MgZn2新相;Zr的加入及挤压加工不影响第二相的组成。综合组织分析,优化出合金成分Mg-Zn-Y-xNd(-Zr)合金(x=0.5,1.0%)。力学性能测试表明:合金元素Nd的加入对铸态合金的力学性能影响不大。挤压后,Mg-Zn-Y-0.5Nd合金和Mg-Zn-Y-1.0Nd合金的屈服强度分别为231MPa和249MPa,与铸态相比分别提高了79.2%和121.3%。Mg-Zn-Y-0.5Nd-Zr合金和Mg-Zn-Y-1.0Nd-Zr合金挤压后合金的抗拉强度分别为345MPa和280MPa,与铸态相比分别提高了60.46%和36.59%,屈服强度分别为280MPa和265MPa,与铸态相比分别提高了201.08%和170.41%;伸长率分别为28.5%和29.8%,与铸态相比分别降低了25.97%和21.33%。而挤压后WE43合金的屈服强度为235MPa抗拉强度为294MPa,伸长率为25.4%。研究表明,Mg-Zn-Y-xNd(-Zr)合金(x=0.5,1.0%)的屈服强度较WE43合金提高了近18%,伸长率提高了近17%,满足了其作为血管支架材料的要求。由腐蚀性能测试可知:对于铸态合金而言,Mg-Zn-Y-0.5Nd合金与Mg-Zn-Y-1.0Nd合金浸泡120h时的腐蚀速率分别为0.534mg/(cm2·h)和0.921mg/(cm2·h);加入Zr元素后,合金浸泡120h时的腐蚀速率分别降低为0.501mg/(cm2·h)和0.217mg/(cm2·h),分别降低了6.2%和76.4%。经挤压后,Mg-Zn-Y-0.5Nd合金、 Mg-Zn-Y-1.0Nd合金、 Mg-Zn-Y-0.5Nd-Zr合金、Mg-Zn-Y-1.0Nd-Zr浸泡120h时的腐蚀速率分别为0.235mg/(cm2·h)、0.064mg/(cm2·h)、0.176mg/(cm2·h)和0.077mg/(cm2·h),较铸态合金分别降低了56.0%、93.1%、64.9%和64.5%;由腐蚀产物分析可知,Nd含量的增加使合金在腐蚀过程中析出Nd、Zn元素,增加了腐蚀层的致密性,降低了合金的腐蚀速率。合金的腐蚀性能由电化学、失重实验及析氢实验共同验证。研究表明,经挤压后,Mg-Zn-Y-xNd(-Zr)合金(x=0.5,1.0%)的耐腐蚀性能较挤压态WE43合金的浸泡120h时的腐蚀速率为0.266mg/(cm2·h),提高近70%。
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