新型镁—锡—锌—钙系生物镁合金的腐蚀行为及室温力学性能

发布时间：2020-04-18 22:16

【摘要】：镁及镁合金的密度、弹性模量与自然骨接近,作为医用金属材料可以有效的降低应力遮挡效应;镁元素是人体必需元素之一,具有优异的生物相容性,因此在医用金属材料领域有广泛的应用前景。此外,镁及镁合金植入人体后会主动降解,不需要二次手术取出,极大的降低了患者的疼痛和经济负担。但是镁合金在生理环境中降解速率较快,导致组织还未完全愈合就丧失了其机械完整性,限制了其在医用金属材料领域的广泛应用。目前对镁-锡(Mg-Sn)系合金的研究较多,但在Mg-Sn系合金中添加锌(Zn)和钙(Ca)元素并通过轧制变形改善其力学性能和耐腐蚀性能的研究较少。因此,本文开发了新型可降解Mg-xSn-1Zn-0.5Ca(x=1、3、5 wt.%)生物镁合金。本研究结合塑性变形(轧制)和合金化共同改善合金的力学性能和耐腐蚀性能;研究了Sn含量对铸态和轧制态Mg-xSn-1Zn-0.5Ca合金微观组织、室温力学性能和腐蚀行为的影响;优化了Mg-xSn-1Zn-0.5Ca合金中的Sn含量;并且为了进一步提高基体合金的耐腐蚀性能,在综合性能更优的轧制态Mg-1Sn-1Zn-0.5Ca合金表面制备了羟基磷灰石(HA)涂层和羟基磷灰石/氧化石墨烯(HA/GO)复合涂层,探究了涂层对基体合金耐腐蚀性能的影响并对比分析了GO对涂层形貌及耐腐蚀性能的影响,主要研究结果如下:(1)随着Sn含量的增加,铸态Mg-xSn-1Zn-0.5Ca合金的强度和塑性均逐渐增加,耐腐蚀性能逐渐下降;探究了第二相及晶粒尺寸对合金强塑性的影响,揭示了铸态Mg-xSn-1Zn-0.5Ca合金在Hank’s溶液中的腐蚀行为,发现第二相尺寸及数量对镁合金的耐腐蚀性能有显著影响。(2)开发了新型Mg-xSn-1Zn-0.5Ca合金的细晶多道次轧制工艺;经过轧制后晶粒明显细化,Mg-5Sn-1Zn-0.5Ca合金的晶粒尺寸达到6.6±1.1μm;随着Sn含量的增加晶粒尺寸逐渐减小,第二相数量明显增加,室温抗拉强度(UTS)和屈服强度(YS)略有增加,延伸率逐渐下降,Mg-1Sn-1Zn-0.5Ca合金的室温延伸率最高可达到15.3%。(3)基于EBSD和SEM的分析,研究了Sn含量对轧制态Mg-xSn-1Zn-0.5Ca合金再结晶行为的影响,发现随着Sn含量的增加,Mg-xSn-1Zn-0.5Ca合金的再结晶体积分数明显下降,Mg-1Sn-1Zn-0.5Ca合金几乎完全再结晶,其主要原因是细小弥散分布的Mg_2Sn颗粒抑制再结晶和晶粒长大。(4)电化学测试实验和浸泡实验的研究结果表明,轧制态Mg-xSn-1Zn-0.5Ca合金的腐蚀速率随着Sn含量的增加逐渐增加,轧制态Mg-1Sn-1Zn-0.5Ca合金具有最佳的耐腐蚀性能;说明与晶粒尺寸相比,Mg_2Sn相对轧制态Mg-xSn-1Zn-0.5Ca合金耐腐蚀性能的影响更为显著;并且探究了轧制态Mg-xSn-1Zn-0.5Ca合金在Hank’s溶液中的腐蚀机制。(5)在综合性能更优的轧制态Mg-1Sn-1Zn-0.5Ca合金表面制备了HA涂层和HA/GO复合涂层,对比研究了涂层对基体合金耐腐蚀性能的影响,发现在沉积电压为10 V时制备的HA/GO复合涂层具有最佳的耐腐蚀性能;探究了GO对HA晶体形核的影响机制。
【图文】：

此外，镁合金具有合适的力学性能，相比于其他医用 g/cm3）和弹性模量（41 45 MPa）更接近于自然骨，因此减轻应力遮挡效应，有利于骨组织愈合，并且可以防止局的是，镁合金作为医用植入金属材料，是可吸收、可降解金元素后，其具有良好的生物安全性。镁元素是人体必需中存在大量镁离子，其含量仅此于钙离子、钾离子、钠有的人体新陈代谢过程，参与蛋白质的合成，激活人体内人体骨骼的生长[27,28]。近年来，人们对镁合金的生物相容内实验研究，研究结果表明，镁合金具有良好的生物相容未见明显的不良反应[29]。镁合金植入人体后，释放镁离理浓度（0.7 1.5 mmol/L），且成人每人每日需要量超过 3为心血管支架时，其释放的镁离子有利于心血管疾病的痊

和 JDBM 合金在体内的腐蚀形貌和腐蚀速率：（a）Mg 和貌；（b）Mg 和 JDBM 合金植入大鼠股骨髓腔 4 周后的腐蚀g and JDBM corrosionin vivo. (a) SEM images of Mg andsion rate after implantation in the femur medullary cavity oweeks[52 54]-Young Ha[55]等人对比研究了纯镁和 Mg 5Sn（wt.%）合金在腐蚀性能，发现 Mg 5Sn（wt.%）合金的耐腐蚀性能优中浸泡之后，通过 XPS 检测发现，，Mg 5Sn（wt.%）合金一层富锡层，正是由于富锡层的存在，有效的阻止了氯离
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：R318.08;TG146.22

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本文编号：2632596