低合金化Mg-Bi基合金腐蚀机制与组织特征间的依赖关系研究

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相比于钛合金、不锈钢以及钴铬合金等传统的医用植入材料,镁合金展现出其独特的优良性能,例如:与人体骨骼相似的弹性模量和密度,优良的铸造性能以及较高的比强度。此外,镁合金还可以在植入人体后自行降解为镁离子,被人体吸收后排出体外,避免二次手术对患者造成的伤害。综上所述,镁合金有潜力成为新一代的可降解生物医用材料。然而,镁合金的耐腐蚀性能差且腐蚀过程不可控,这极大的限制了其在医学领域中的应用。目前提高镁合金耐腐蚀性能的主要方法之一就是合金化,但是传统高合金化容易导致合金中生成大量的第二相从而诱发严重的微电偶腐蚀并且提高合金成本,因此采用低合金化的方式改善镁合金的耐蚀性能是有效办法之一。本文选取Mg-Bi基合金作为研究对象,通过向合金中添加少量的Al、Ca、Sn、Mn、In等元素以及挤压变形工艺调控合金的微观组织,从而改善镁合金的腐蚀模式并提高其耐蚀性能。此外,通过对合金微观组织的表征以及其腐蚀行为的研究,揭示出两者之间的依赖关系。本文的研究内容和结果如下:(1)研究了Ca元素含量的变化对Mg-1Bi-1Al-x Ca(x=0,0.6,1.2 wt.%)合金微观组织以及腐蚀行为的影响。结果表明:所研究合金的平均晶粒尺寸、织构强度以及耐腐蚀性能均随着Ca含量的增加先增加后减小。此外,由于合金表面生成的腐蚀产物膜对合金的保护作用以及第二相所诱发的微电偶腐蚀的影响,在初始浸泡阶段,所研究合金的腐蚀模式从无Ca合金的点蚀转变为含Ca合金中点蚀与丝状腐蚀混合的腐蚀模式。随着浸泡时间的增加,Mg-1Bi-1Al-0.6Ca合金的腐蚀模式仍然以丝状腐蚀为主,然而Mg-1Bi-1Al-1.2Ca合金的腐蚀产物膜由于第二相Mg2Bi2Ca的脱落而迅速破裂,因此其表面的腐蚀程度更加严重。(2)研究了微量Mn元素对Mg-0.5Bi-0.5Sn-x Mn(x=0,0.5 wt.%)合金微观组织以及腐蚀行为的影响。结果表明:随着Mn元素的添加,合金的平均晶粒尺寸以及位错密度均明显降低,并且还能够观察到新生成的Mg26.67Mn65.47Fe7.86相。此外,含Mn合金的晶界处还出现了大量Sn原子的偏析现象,因此该合金表现出以晶间腐蚀为主的腐蚀模式并且晶界处偏析的Sn原子被溶解,最终导致含Mn合金的腐蚀产物层中出现了Sn O2中间产物层。这种提高了该合金腐蚀产物膜的保护作用,使得含Mn合金的耐腐蚀性能显著提升。(3)设计制备了一种新型的低合金化挤压态Mg-0.5Bi-0.5Sn-0.5In合金(挤压比:25:1和36:1),通过对不同挤压比以及不同测试平面进行微观组织表征和腐蚀性能测试,研究了晶体缺陷以及晶体取向对合金腐蚀行为的影响。结果表明:挤压比为36:1平行于挤压方向的平面具有最佳的耐腐蚀性。这归因于以下两个因素:较高体积分数的(0001)取向的晶粒能够降低合金的阴极电流密度、提高其腐蚀电位并且减少合金的总表面能;均匀且稳定的微观组织,例如较低的局部取向差、较低的位错密度以及均匀分布的溶质原子,导致合金表面形成浅而均匀的腐蚀损伤以及致密的腐蚀产物膜。
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