心血管支架用Mg-4Zn-xCa-yY生物镁合金的微观组织和性能研究

发布时间：2017-10-30 19:33

  本文关键词：心血管支架用Mg-4Zn-xCa-yY生物镁合金的微观组织和性能研究

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【摘要】：现代社会中,人们生活条件的改善和生活方式的转变造成了心血管疾病的发病率居高不下。心血管疾病已成为危害人类公共健康排名第一的疾病。支架植入手术治疗心血管疾病有突出的优势,所以对心血管支架的研究有举足轻重的意义。血管支架材料的选择多种多样,镁合金因其良好的生物相容性,无毒无害且能在人体内降解等诸多优异性能,被人们视为新一代的支架材料。本文旨在研发一种新型、可用于血管支架的生物镁合金材料,并通过评估材料的腐蚀性能、力学性能来判定其是否可用作血管支架。在本次研究中选取了生物相容性好,能提高合金腐蚀性能和机械性能的Ca、Y元素作为合金化元素,设计出Mg-Zn-Ca和Mg-Zn-Ca-Y系生物镁合金。采用金属型铸造法熔炼出Mg-Zn-Ca和Mg-Zn-Ca-Y合金试样,然后通过OM、XRD、SEM、EDS、浸泡实验、电化学实验、腐蚀形貌、产物分析和拉伸实验对合金的微观组织、腐蚀性能以及力学性能做了研究,研究结果如下:(1)不同Ca含量(0.2wt%、0.5wt%、0.7wt%、1.0wt%)的Mg-4Zn-x Ca合金,随着Ca元素含量的增加,合金的晶粒尺寸减小。Mg-4Zn-0.2Ca合金主要由α-Mg基体和Mg Zn相组成。当元素Ca含量为0.5wt.%时,合金中析出了Ca2Mg6Zn3相,而Ca含量超过0.5wt.%后析出的第二相转变为Ca2Mg6Zn3相和Mg2Ca相。(2)微量Ca元素的添加能增强合金的抗腐蚀能力。这是因为Ca能细化合金晶粒,合金中Ca2Mg6Zn3相的增多会减少Mg和Zn结合生成Mg Zn相的机率,第二相数量变少从而提高合金的抵抗腐蚀的能力。但是当合金中Ca元素含量增大超过0.5wt.%,合金中生成了Mg2Ca相,这种新相会和镁基体形成微电偶,造成合金抗腐蚀性能降低。(3)Mg-4Zn-x Ca合金中元素Ca能细化晶粒,改善合金组织,增强合金的机械性能。其中Mg-4Zn-0.5Ca具有最大的抗拉强度为190MPa。但当Ca元素含量超过0.5wt.%后,合金中的新生的Mg2Ca相会割裂晶体的组织,造成合金力学性能的变差。所以控制Ca元素的含量是提高Mg-4Zn-x Ca合金力学性能的关键。(4)在Mg-4Zn-0.5Ca合金中添加Y元素后,合金中的第二相结构发生较大改变。未添加元素Y的合金中第二相为花瓣状分布,添加元素Y后第二相呈现树枝状分布。添加Y后合金晶粒细化,并且Y元素含量越高合金的晶粒尺寸越小。(5)一部分Y在Mg-4Zn-0.5Ca-y Y合金中固溶,形成了固溶相,另一部分Y和Zn、Mg结合,在晶界析出形成新相。当Y的含量在0.5wt.%-1 wt.%之间,合金中新析出的含Y相为I(Mg3YZn6)相,而Y的含量为1.5w.%时,合金中新析出的含Y相转为I相和W(Mg3Y2Zn3)相。(6)少量Y元素的添加可以提高Mg-4Zn-0.5Ca-y Y合金的耐腐蚀性能。这是因为Y元素能细化合金的晶粒,均匀化合金组织,从而提高合金的抗腐蚀性能。含Y量为1wt.%的合金中的第二相在晶界处连续分布,能在一定程度上阻止腐蚀的展开,降低腐蚀速率。而Y元素含量为1.5wt.%时,第二相在晶界上大量聚集,第二相会和α-Mg基体和形成微电池,造成合金抗腐蚀能力的降低。(7)Y元素在Mg-4Zn-0.5Ca-y Y合金中具有固溶强化、析出强化和细晶强化的作用,所以Y能改善合金的机械性能。少量Y元素添加,合金中析出了I相,I相能和α-Mg基体结合,加强晶体的结合力,增大合金的抗拉强度。但Y含量超过1wt.%后,合金中会析出W相,W相就会成为合金中的裂纹源,造成了合金力学性能的下降。其中Mg-4Zn-0.5Ca-1.0Y合金的力学性能和耐腐蚀性能最好,其平均腐蚀速率为0.165 mm/a,抗拉强度为216 MP,伸长率为12.36%。
【关键词】：Mg-Zn-Ca-Y合金 腐蚀性能 力学性能 微观组织
【学位授予单位】：太原理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TG146.22;R318.08
【目录】：

• 摘要3-6
• ABSTRACT6-13
• 第一章 绪论13-25
• 1.1 心血管疾病的现状与治疗13-14
• 1.1.1 心血管疾病的现状13
• 1.1.2 心血管疾病现阶段治疗技术13-14
• 1.2 心血管支架材料14-16
• 1.2.1 心血管支架的发展现状14-15
• 1.2.2 常用的心血管支架15-16
• 1.3 镁合金血管支架16-21
• 1.3.1 镁合金的性能与优势16-18
• 1.3.2 镁合金血管支架的发展18-20
• 1.3.3 可降解镁合金支架的性能要求20-21
• 1.3.4 镁合金心血管支架的缺点21
• 1.4 本课题的研究意义与内容21-25
• 1.4.1 本课题的研究意义21-22
• 1.4.2 本课题的研究内容22-25
• 第二章 试验过程及研究方法25-35
• 2.1 技术路线25-26
• 2.2 实验原材料及合金的制备26-31
• 2.2.1 实验材料26
• 2.2.2 熔炼保护剂26-27
• 2.2.3 熔炼设备27
• 2.2.4 镁合金的成分的设计27-30
• 2.2.5 合金的熔炼30-31
• 2.3 显微组织的检测31-32
• 2.3.1 金相组织的观察31-32
• 2.3.2 XRD物相分析32
• 2.3.3 扫描电镜分析32
• 2.4 腐蚀性能的检测32-34
• 2.4.1 失重实验32-33
• 2.4.2 电化学性能测试33-34
• 2.5 力学性能的检测34-35
• 第三章 Ca含量变化对Mg-4Zn-x Ca合金的组织与性能的影响35-47
• 3.1 引言35
• 3.2 Mg-4Zn- x Ca合金的显微组织分析35-39
• 3.2.1 Mg-4Zn- x Ca合金的金相组织35-37
• 3.2.2 Mg-4Zn- x Ca合金的成分分析37-39
• 3.3 Ca含量变化对Mg-4Zn- x Ca合金腐蚀性能的影响39-44
• 3.3.1 失重实验39-40
• 3.3.2 电化学实验40-43
• 3.3.3 腐蚀实验结果分析43-44
• 3.4 Mg-4Zn- x Ca合金的力学性能44-45
• 3.5 小结45-47
• 第四章Y含量变化对Mg-4Zn-0.5Ca-y Y合金的组织与性能的影响47-61
• 4.1 引言47
• 4.2 Mg-4Zn-0.5Ca-y Y合金的微组织47-52
• 4.2.1 Mg-4Zn-0.5Ca-y Y合金微观组织47-49
• 4.2.2 Mg-4Zn-0.5Ca-y Y合金的成分分析49-52
• 4.3 Y含量变化对Mg-4Zn-0.5Ca-y Y合金腐蚀性能的影响52-58
• 4.3.1 失重腐蚀52-54
• 4.3.2 电化学腐蚀54-56
• 4.3.3 腐蚀形貌分析56-57
• 4.3.4 腐蚀产物分析57-58
• 4.4 Y含量变化对Mg-4Zn-0.5Ca-y Y合金的力学性能影响58-59
• 4.5 小结59-61
• 第五章 结论与展望61-65
• 5.1 结论61-62
• 5.2 展望62-65
• 参考文献65-73
• 致谢73-75
• 攻读硕士期间发表的论文75

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本文编号：1119022