低频动载作用下镁合金及其涂层降解行为研究

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镁合金由于其在人体内过快的降解速度并不适合直接作为生物医用材料植入人体内,为了提高镁合金的耐腐蚀性,在实际的应用过程中需要对其进行表面处理。此外,现有的镁合金体外模拟降解实验大多为静态浸泡降解实验,而人体实际生理环境会对服役的镁合金器械产生低频动态载荷作用,并直接影响其降解速率和降解机制,因此,研究模拟生理应力环境中镁合金及其涂层的降解行为具有重要的理论意义和应用价值。本文以AZ31B为主要研究对象,分别采用微弧氧化处理(MAO)和氟转化处理方法在该镁合金表面制备出了 MAO氧化镁(MgO)涂层和氟化镁(MgF2)涂层。基于模拟生理应力环境的电化学试验平台,分别进行了镁合金、载有MAO涂层的镁合金、载有氟化镁涂层的镁合金的体外模拟生理应力加载降解实验,系统研究了镁合金基体和两种载有涂层的镁合金在无外加载荷作用、静态拉伸载荷作用、静态压缩载荷作用和循环拉压交变载荷作用下降解行为的演变规律,对比研究了模拟生理应力载荷大小、频率、载荷形式和降解时间对镁合金及其涂层降解行为的影响,研究发现:静态载荷加速了镁合金及其涂层的降解,随载荷增大,降解速度加快,且静态拉伸载荷的加速效果更明显。与MAO涂层相比,氟化镁涂层可更好的提升镁合金的耐腐蚀性能。镁合金和两种载有涂层的镁合金的腐蚀电流密度icorr在不同的腐蚀阶段与外加静态载荷σ之间服从lnicorr~σ的线性关系:在降解初期(0 h~24 h),镁合金基体的这种线性关系更为明显,而载有两种涂层的镁合金则是在降解进行一段时间后才逐渐表现出这种线性规律,其中,载有MAO涂层的镁合金在降解12 h后,icorr的实验值与理论模型的计算结果之间的吻合程度较好,而载有氟化镁涂层的镁合金则是在降解24 h后逐渐表现出越来越明显的线性规律。动态载荷引起的镁合金及其涂层的破坏与腐蚀介质引起的电化学腐蚀互相耦合作用,对镁合金及其涂层的降解行为产生更复杂的影响,载有不同涂层的镁合金表面会重复腐蚀产物沉积—膜层(包括涂层和腐蚀产物沉积层)滑移—膜层的破裂和溶解—部分膜层脱落的动态过程,外加动态载荷频率越高,该动态过程在镁合金及其涂层降解中循环出现的次数也会相应增加,造成了镁合金及其涂层降解程度的进一步加剧。动态载荷作用下,镁合金及其涂层的腐蚀电流密度与载荷频率之间呈现近似的一次线性关系。施加在镁合金样品竖直方向上规律性的交变载荷引起的机械振动有利于其表面Ca-P相的沉积,且这种规律性振动的频率越高,对Ca-P相沉积的促进作用越明显。
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