挤压和热处理对镁合金及其复合材料的组织与性能的影响

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镁合金凭借其良好的生物相容性、与人骨相近的密度和弹性模量以及可降解性能被视为具有潜力的新一代可降解植入材料。目前,限制镁合金临床应用的主要问题是腐蚀降解速率控制以及塑性加工能力差的问题。本文通过添加生物相容性的Zn和Ca元素设计制备了Mg-3Zn-0.2Ca合金和以其为基体的Mg-3Zn-0.2Ca-1HA的复合材料,研究了挤压与热处理工艺对Mg-3Zn-0.2Ca合金和Mg-3Zn-0.2Ca-1HA复合材料组织与腐蚀行为的影响。通过对Mg-3Zn-0.8Zr-3HA和Mg-3Zn-0.8Zr-5HA复合材料的显微组织和腐蚀性能的测试研究了羟基磷灰石含量对Mg-3Zn-0.8Zr合金组织和腐蚀行为的影响。研究的结果表明:1.铸态Mg-3Zn-0.2Ca合金中的第二相主要为MgZn、Mg7Zn3、Mg2Zn3和Mg4Zn7金属间化合物。与铸态合金相比较,挤压态Mg-3Zn-0.2Ca合金的平均晶粒尺寸从119μm降低了54倍到2.2μm。挤压态合金的屈服强度(0.2%YS)、抗拉强度和延伸率分别是303MPa、328MPa和13.6%。电化学以及浸泡腐蚀测试结果表明挤压态合金由于其细小的晶粒而表现出较好的耐蚀性。新设计出来的Mg-3Zn-0.2Ca合金作为生物医用材料表现出了良好的综合力学性能和耐蚀性。2.通过对铸态Mg-3Zn-0.2Ca-1HA和挤压态Mg-3Zn-0.2Ca-1HA复合材料显微组织的观察可以看出,挤压后的复合材料的晶粒尺寸得到了明显的细化,沿挤压方向呈现了明显的纤维状的组织,HA颗粒的分布也呈纤维状排列。电化学测试和体外浸泡试验结果显示,挤压态复合材料的耐蚀性强于铸态复合材料的耐蚀性。3.将挤压态合金和复合材料在400℃下进行固溶处理。固溶处理可以近一步提高挤压态合金和复合材料的抗腐蚀能力以及塑性,其中以固溶处理3h为最佳,超过3h晶粒过分长大,合金及复合材料的耐蚀性有一定程度降低。将固溶处理后的合金和复合材料170℃进行24h的时效处理后的屈服强度有所提高,耐蚀性变化不明显。4.Mg-3Zn-0.8Zr-5HA复合材料的晶粒尺寸小于Mg-3Zn-0.8Zr-3HA复合材料,说明随着HA颗粒含量的增加,复合材料的晶粒尺寸减小。Mg-3Zn-0.8Zr-3HA复合材料的耐蚀性强于Mg-3Zn-0.8Zr-5HA复合材料,主要原因为HA颗粒过多使Mg-3Zn-0.8Zr合金中的缺陷增加。
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