ECAP对可降解医用镁锌合金组织性能的影响

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镁合金具有良好的生物安全性和生物相容性、与人体骨骼接近的弹性模量,以及在生物体内可降解等特性,有望成为极具潜力的可降解生物医用金属材料。随着人类对自身健康水平与生活质量的要求不断提高,高性能医疗器械的社会需求量日益增加。市场调研表明,我国已成为外科植入(骨科和齿科修复等)和内科介入(心血管支架)医疗器械的全球第二大市场。2015年工信部重点领域发展规划中可降解血管支架被列为重点发展产品。由于镁合金是密排六方晶格,塑性成形能力差,本课题拟通过等通道转角挤压技术(EqualChannel Angular Pressing,简称ECAP)在细化晶粒的同时提升镁合金塑性变形能力。主要研究内容如下:  (1)针对Mg-6Zn合金在ECAP变形前、变形间隙和变形后高温停留阶段的晶粒尺寸演变,建立了镁合金晶粒长大动力学方程。通过等温退火实验和定量金相分析技术,分析了加热温度和保温时间对Mg-6Zn合金平均晶粒尺寸的影响,应用最小二乘法对实验数据进行线性拟合,确定晶粒长大指数n为4,晶粒长大激活能Q为95.45k J/mol,得到Mg-6Zn合金晶粒长大动力学方程:D4-D40=2.25×1011· exp(-95540/RT)·t。  (2)研究了三种不同成分的镁锌合金(Mg-2Zn、Mg-4Zn和Mg-6Zn)在热挤压和ECAP变形条件下的微观组织演变。对三种成分镁合金进行热挤压、2道次和4道次ECAP变形,金相观察、扫描电镜,XRD分析结果表明,三种成分的合金在ECAP变形后都能得到比热挤压态更为细小的晶粒,2道次和4道次ECAP变形时晶粒尺寸差别不大,但是4道次变形时晶粒尺寸均匀性有所增加。当变形条件相同时,Mg-2Zn和Mg-4Zn晶粒尺寸无明显差异,但是Mg-6Zn的晶粒尺寸明显细化,其原因在于不同成分合金中第二相粒子的分布特征不同,Mg-2Zn合金中没有观测到第二相,Mg-4Zn合金仅含有极少量的第二相,而Mg-6Zn合金含有大量且分布均匀的第二相,有效阻碍了再结晶过程中的晶界迁移。  (3)比较了合金成分和变形状态对镁锌合金室温力学性能和高温变形行为的影响。当合金成分相同时,与挤压态相比,4道次ECAP变形镁合金的屈服强度和抗拉强度均有所降低,但是延伸率增加近一倍,分析认为这是织构弱化和细晶强韧化共同作用的结果;相同变形状态下,Mg-2Zn和Mg-4Zn的室温力学性能差别不大,但是Mg-6Zn的强度增加约30MPa,延伸率无明显下降,其原因是第二相粒子及其产生的细晶强韧化效应。屈服强度的计算表明:晶界和Zn原子固溶对室温屈服强度的贡献大于第二相粒子的贡献。根据高温流动应力曲线计算得到Mg-4Zn在热挤压和ECAP状态下的表观变形激活能分别是114.227 KJ/mol和105.2K J/mol,表明ECAP变形态镁合金变形抗力小,塑性变形能力强。
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