激光熔凝对AZ91D镁合金耐腐蚀性能及细胞相容性的影响

发布时间：2020-05-23 16:27

【摘要】：镁合金良好的生物学性能以及机械性能备受人们关注,但是由于镁合金不耐腐蚀的性质限制了它的应用。目前,有很多表面改性的方法对镁合金进行处理,例如,磁控溅射法、仿生矿化法等等。其中,激光表面熔凝因为其处理厚度可控,结构致密以及环境污染小等优点而成为镁合金表面改性的主要选择。目的:通过对镁合金表面进行激光熔凝处理,改善镁合金的耐腐蚀性能以及细胞相容性。方法:使用气体激光器熔凝镁合金表面。利用扫描电镜,金相显微镜,X线能谱分析仪,接触角实验,X线衍射仪,三维形貌仪分别对激光熔凝镁合金表面的结构,组成,表面能,表面粗糙度进行测试。通过动电位极化曲线,析氢实验,细胞粘附实验以及MTT,对激光熔凝镁合金的耐腐蚀性以及细胞相容性进行研究。结果:经过激光表面熔凝处理,激光熔凝层厚度为1300μm;而且晶粒细化,β-Mg_(17)Al_(12)的大小从61μm细化到5μm;Mg的含量从89.88%减少到70.13%,然而,Al的含量从9.23%增加到28.08%,而且Al的分布更加均匀;接触角从71.5°(±1.1,N=10)减小到53.9°(±1.3,N=10),熔凝层的表面能增大;表面粗糙度从0.16±0.02μm增加到2.53±0.03μm。动电位极化曲线以及析氢实验结果显示,激光熔凝镁合金展示出高的腐蚀电位(-1154 mV vs.Ag/AgCl)和低的腐蚀电流密度(8.920×10~-55 A/cm~2),相比于基材,激光熔凝处理的镁合金的腐蚀电位正移了156 mV,腐蚀电流密度降低了10倍。另外,析氢实验结果显示,激光熔凝处理镁合金氢气析出速率远低于基材的氢气析出速率。细胞黏附实验结果显示,经过7天的培养,激光熔凝处理组镁合金表面的细胞数量更多,而且细胞平铺在材料表面,细胞和材料以及细胞与细胞间相互黏连。细胞毒性试验分析显示,激光熔凝处理镁合金浸提液培养1、4、7天后的细胞活性与基材无区别,但两者增值率均大于80%,表明对细胞无毒性。结论:激光熔凝处理镁合金表面能够显著提高其耐腐蚀性能和细胞黏附性能,且对细胞无毒性。
【图文】：

XRD图谱,激光熔凝处理,基材,XRD图谱

图 2-1 基材 AZ91D 及激光熔凝处理后镁合金表面的 XRD 图谱⑴图 2-1 显示激光熔凝处理后镁合金和基材表面的 XRD 图谱，从 XRD 图像分析，AZ91D 镁合金由α相和β相组成[3-5]。从放大的图像中我们可以发现，在经过激光处理后，α-Mg 和β-Mg17Al12的衍射峰均向低角度偏移（大约 0.2°）。有文献报道，这是在激光熔凝处理过程中，铝在镁中固溶导致镁的晶格参数减小而使镁合金中晶相的衍射峰均向右发生偏移[6-7]。然而，本实验研究结果与文献报道正好相反，主要原因可能是在激光器处理过程中，在镁合金中引入了应力导致的。还有可能就是激光照射镁合金表面时，熔池较快的冷却速率使激光熔凝层发生了部分的非晶化以及晶粒细化[3]。

基材,激光熔凝处理,金相结构,镁合金

图 2-1 基材 AZ91D 及激光熔凝处理后镁合金表面的 XRD 图谱⑴图 2-1 显示激光熔凝处理后镁合金和基材表面的 XRD 图谱，从 XRD 图像分析，AZ91D 镁合金由α相和β相组成[3-5]。从放大的图像中我们可以发现，在经过激光处理后，α-Mg 和β-Mg17Al12的衍射峰均向低角度偏移（大约 0.2°）。有文献报道，，这是在激光熔凝处理过程中，铝在镁中固溶导致镁的晶格参数减小而使镁合金中晶相的衍射峰均向右发生偏移[6-7]。然而，本实验研究结果与文献报道正好相反，主要原因可能是在激光器处理过程中，在镁合金中引入了应力导致的。还有可能就是激光照射镁合金表面时，熔池较快的冷却速率使激光熔凝层发生了部分的非晶化以及晶粒细化[3]。
【学位授予单位】：兰州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG178;TG665

【参考文献】