生物医用Mg-Zn-Nd-Ca合金组织和性能的研究

发布时间：2020-03-18 03:06

【摘要】：镁合金由于其可降解性、降解产物无毒、弹性模量与人骨相近等一系列优点,在生物医学领域具有广阔的应用前景。然而镁合金力学性能较差和降解速率过快导致其力学性能失效仍然是当前研究的瓶颈问题,并且当前对镁合金降解的机理研究不成熟。合金化、热处理和变形处理是提高镁合金耐蚀性、力学性能方面的研究的主要方法,另外稀土元素在熔体净化、细化晶粒、固溶强化等方面具有显著的效果。本文选取Mg-Zn-xNd-xCa合金,通过SEM、TEM、XRD、FITR等分析手段,从合金化、热处理和变形处理三方面进行研究,探究Nd、Ca添加量,热处理以及变形处理对Mg-Zn-xNd-xCa合金的微观组织、耐腐蚀性能和力学性能的影响,并根据腐蚀产物测试结果,对Mg-6Zn-xNd-xCa合金的腐蚀机理进行了分析。研究结果表明:未添加Ca的Mg-6Zn-xNd合金的晶粒尺寸随Nd添加量的升高而逐渐减小,晶粒大小均匀,第二相体积分数逐渐增加,腐蚀速率先降低后升高,经过T4处理,Nd添加量为0.5wt.%合金在模拟人体体液(SBF)中的腐蚀速率为2.75mm/a,V/G的值为0.089-0.192。将Ca元素加入Mg-6Zn-xNd合金中后,微观组织方面,由于Ca元素的细化晶粒作用,Mg-6Zn-0.5Nd-xCa合金的晶粒得到细化,而经过T4处理后合金晶粒尺寸变大;耐腐蚀性能方面,Mg-6Zn-0.5Nd-xCa合金在SBF溶液中的腐蚀速率先降低后升高,当Ca添加量为0.8wt.%时腐蚀速率为3.93mm/a,经过T4处理后,腐蚀速率降低至1.26mm/a;力学性能方面,Mg-6Zn-0.5Nd-xCa合金表现出良好的力学性能,Ca添加量为1.3wt.%的合金压缩断裂强度为320.6MPa,屈服强度为187.3MPa,T4处理后,由于固溶强化的作用,合金的强度提高,塑性有所下降,Ca添加量为0.3wt.%合金的抗压强度和屈服强度分别提高至319.3MPa和207.5MPa。对合金的腐蚀机理进行探究发现,Cl~-在整个腐蚀过程中起到催化作用,但是由于NaOH、MgCl、Ca(OH)_2的存在,生成的表层致密且层状堆积的Mg(OH)_2腐蚀产物,附着在合金表面,可以有效阻碍Cl~-的迁移,从而阻碍腐蚀反应的进行,使Mg-6Zn-0.5Nd-xCa合金的耐蚀性得到提高。挤压温度为280℃和220℃时合金的表面光滑无裂纹,微观形貌显示,第二相破碎,形状为不规则块状或断裂的线状。对Mg-6Zn-0.5Nd-0.5/0.8Ca合金进行再结晶退火、固溶和时效处理(O+T6)后,合金的晶粒大小均匀,且晶粒为尺寸小的等轴晶,能够有效阻碍腐蚀反应的进行,从而使得腐蚀性能得到大幅提升,Mg-6Zn-0.5Nd-0.5/0.8Ca合金的腐蚀速率分别为0.82mm/a和2.98mm/a;与铸态合金相比,耐腐蚀性能得到显著提升。挤压后O+T6热处理的Mg-6Zn-0.5Nd-0.5/0.8Ca合金的力学性能得到显著地提高。两组合金的应力-应变曲线均具有明显的屈服平台,Mg-6Zn-0.5Nd-0.5Ca合金的弹性极限为168.54MPa,屈服强度为173.33MPa,抗拉强度为222.47MPa,伸长率为20.16%;Mg-6Zn-0.5Nd-0.8Ca合金的弹性极限为229.70MPa,屈服强度为235.78MPa,抗拉强度为287.15MPa,均高于Mg-6Zn-0.5Nd-0.5Ca合金,而伸长率为18.37%。合金的断口多为等轴韧窝,韧窝直径小,断裂机制均为韧性断裂。
【图文】：

直接在体内降解，就可减轻患者再次痛苦，这是其他生医用金属材料达不到的。生物医用镁合金的具体应用实例如图 1.1。图1.1 镁合金目前应用的医学器件（a）心血管支架[36]（b）MAGNEZIX螺钉（获得欧洲CE标志）[37]（c）喉显微手术（纯镁）[38]（d）可降解骨科植入物[39]（e）创伤愈合辅助设备（WZ21）[40]

图 1.2 的血管夹是由纯镁制备，此血管夹较传统金属血管夹相比，不会干扰 CT 扫描，不需要取出；与可降解聚合物制成的血管夹相比，其力学性能优于后者。图1.2 血管夹目前用于 Mg 松质骨的主要材料是高纯度 Mg，Mg-Ca 合金，Mg-Al 合金，和 Mg-稀土（RE）合金[43-46]。这些 Mg 松质骨已经植入小鼠股骨，猪股骨，羊髋骨和兔股骨轴[47,48]。Han[49]等人将未涂覆的高纯 Mg 螺钉和 PLLA 螺钉植入兔股骨髁。研究表明 Mg螺钉均匀降解并且比 PLLA 螺丝更稳定。Tan[50]等人将 Ti6Al4V 合金，PLLA 螺丝和AZ31B 合金，植入兔子的股骨 21 周后，根据他们的研究，AZ31B 合金与 Ti6Al4V 合金相比
【学位授予单位】：济南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG146.22;R318.08

【参考文献】

相关期刊论文 前10条

1 龚晓毅;戚文军;黄正华;邓运来;;生物医用Mg-6Zn-xGd合金的组织与力学性能[J];铸造技术;2013年11期

2 李涛;张海龙;何勇;张金玲;王西涛;;生物医用镁合金研究进展[J];功能材料;2013年20期

3 张保丰;蔡海勇;李庆奎;;利用海绵锆制备低成本ZK60A镁合金的研究[J];铸造;2013年01期

4 李锴锴;王冰;严彪;;镁合金作为生物医用材料的腐蚀与防护研究进展[J];腐蚀科学与防护技术;2012年03期

5 朱艳英;武光明;赵清;;镁基生物医用材料研究进展[J];中国生物医学工程学报;2010年06期

6 李积武;赵云;;阳极/阴极面积比对Zr-4合金腐蚀磨损的影响[J];润滑与密封;2007年12期

7 王忠军;张彩碚;崔建忠;乐启炽;邵晓宏;孙跃;;铒和钕对铸态ZK60镁合金显微组织和力学性能的影响[J];中国稀土学报;2006年06期

8 王小平,王丽琴,周曾同;稀土抗细胞突变及抗癌作用研究进展[J];口腔颌面外科杂志;2004年02期

9 纪云晶,栗建林,王宗惠,肖白,区桂萼,王淑惠;轻稀土化合物抑癌作用及机制的研究[J];职业与健康;2004年05期

10 冯骅,冯洪臣;网状阳极在储罐底板阴极保护中的应用[J];腐蚀与防护;2001年02期

相关博士学位论文 前2条

1 姜东梅;Mg-Zn-Ca-Zr/Nd/Y生物镁合金组织、力学性能和腐蚀行为研究[D];吉林大学;2014年

2 余琨;稀土变形镁合金组织性能及加工工艺研究[D];中南大学;2002年

相关硕士学位论文 前6条

1 张金洋;Mg-Zn-Gd合金中准晶相的形成与转变研究[D];济南大学;2017年

2 许敏;含准晶、长周期结构相的Mg-Zn-Y合金微观组织与性能研究[D];济南大学;2016年

3 魏文博;Mg-10%Ca-6%Zn合金力学及腐蚀性能研究[D];长安大学;2015年

4 杨超平;凝固速度和热处理对Mg-Zn-Nd准晶合金组织演变的影响[D];济南大学;2015年

5 耿继伟;Mg-Zn-Y准晶合金凝固过程及准晶相的转变研究[D];济南大学;2014年

6 金金;搅拌摩擦加工对生物医用Mg-Zn-Y-Nd合金组织和性能的影响[D];郑州大学;2013年

，

本文编号：2588114