【摘 要】
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AZ31B镁合金属于可生物降解材料,因具有与人骨相近的性质可适用于医用材料植入领域,但进入人体后的高腐蚀速率及引发的生物相容性问题限制了它的应用。现有的表面处理方法如微弧氧化、喷丸强化、激光熔凝等,在解决以上不足时有危及生物相容性和降低机械特性的风险。激光冲击强化技术通过在材料表面引入高幅残余应力,细化表面组织,能够有效改善材料的生物相容性和耐腐蚀性。本课题以AZ31B镁合金为研究对象,通过激光冲
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AZ31B镁合金属于可生物降解材料,因具有与人骨相近的性质可适用于医用材料植入领域,但进入人体后的高腐蚀速率及引发的生物相容性问题限制了它的应用。现有的表面处理方法如微弧氧化、喷丸强化、激光熔凝等,在解决以上不足时有危及生物相容性和降低机械特性的风险。激光冲击强化技术通过在材料表面引入高幅残余应力,细化表面组织,能够有效改善材料的生物相容性和耐腐蚀性。本课题以AZ31B镁合金为研究对象,通过激光冲击强化技术对表面进行改性,研究了不同脉冲能量激光冲击对AZ31B镁合金电化学腐蚀性能和细胞相容性的影响,主要研究内容如下:(1)通过表层微观组织、表面形貌与粗糙度分析,显微硬度、残余应力测试,研究了不同脉冲能量激光冲击强化对AZ31B镁合金表面完整性的影响:激光冲击细化了表面组织,诱导表面产生塑性变形和应变硬化,增大了表面粗糙度,且均随脉冲能量的增大而增大。OM结果表明,激光冲击后试样表层晶粒细化,冲击影响层深度随脉冲能量的增大而增大。TEM观测中发现冲击后晶粒纳米化,同时产生大量孪晶和高密度位错缠结。根据EBSD晶粒尺寸分布计算LSP 2 J、LSP 3 J、LSP 4 J试样的晶粒尺寸大小分别为4.370μm、3.865μm、3.062μm,与原始材料的晶粒度12μm相比细化63.6%、67.8%、74.5%。XRD分析发现冲击后试样的主衍射峰出现宽化、左移现象,次衍射峰消失,未产生新的物相,说明冲击后晶粒细化,微观应变增大,出现了第二相固溶的现象。(2)通过在0.9 wt.%的NaCl溶液中进行电化学腐蚀试验,研究了不同脉冲能量激光冲击强化对AZ31B镁合金电化学腐蚀性能的影响:长时间浸泡后,激光冲击强化后AZ31B镁合金体现出较好的耐腐蚀性。浸泡初始阶段,AR试样、脉冲能量为2 J、3 J、4 J时冲击试样的开路电位分别为-1.542 V、-1.562 V、-1.571 V和-1.583 V。浸泡24小时后四组试样的开路电位分别为-1.504 V、-1.482 V、-1.478 V和-1.470 V,冲击后试样表现出较低的自腐蚀倾向。对阻抗谱曲线进行分析发现,AR试样的阻抗值持续降低,冲击后试样阻抗谱随浸泡时间出现先减小后增大的趋势,表面腐蚀产物堆积形成保护膜能够有效减缓腐蚀的速率。(3)通过在试样提取液中进行细胞活性检测,研究了激光冲击强化对AZ31B镁合金细胞相容性的影响:细胞存活率和细胞形态观察结果表明,激光冲击强化AZ31B镁合金对其表面细胞的生长繁殖没有毒害作用,不改变细胞形态,在长时间培养下对细胞存活率体现出一定的促进作用,脉冲能量越大,促进作用越强。培养7天时,冲击后试样组细胞存活率较AR试样组平均提高35.6%。激光冲击强化使β相固溶,表面Al、P元素的含量随脉冲能量的增大而提高,在试样表面形成富铝层和富磷层,耐腐蚀性和细胞相容性提高。综上所述,本文的研究为激光冲击强化AZ31B镁合金提升耐腐蚀性和细胞相容性提供了可供参考的理论与试验依据。
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