医用Mg-Zn-Ca合金丝材的制备、组织与性能研究

发布时间：2020-10-12 19:13

　　 由于镁合金良好的生物相容性和可降解吸收性,近年来可用于胃肠吻合、止血夹和伤口组织缝合等用的可降解镁合金丝材在生物材料领域引起了人们的极大关注。然而,鉴于镁合金的室温塑性较差,目前国内外有关医用镁合金丝材的研究甚少,且关于Mg-Zn-Ca丝材的拉拔研究还未有报道。本文选取Mg-3.0wt%Zn-0.2wt%Ca合金为原始材料,通过铸造、挤压、冷拉拔成功制备得到了Φ0.8 mm的Mg-3Zn-0.2Ca镁合金细丝,并利用金相观察、XRD、拉伸实验、EBSD、析氢实验、电化学分析和浸泡实验等方法系统研究了Mg-3Zn-0.2Ca丝材的显微组织、织构、力学性能和在模拟体液(SBF)中的腐蚀行为。此外,还对丝材进行了氟化表面处理并研究了其对Mg-3Zn-0.2Ca丝材耐蚀性的影响。最后,利用Mg-3Zn-0.2Ca丝材制备了一种新型可降解镁合金皮肤缝合钉,并对其应用的可行性进行了初步研究。研究的主要结论如下:(1)通过对Φ2.0 mm拉拔至Φ0.8 mm的拉拔工艺详细研究可知,采用平均单道次变形量为8%,多道次连续冷拉拔并结合适当中间退火工艺,可获得54.44%的最大累积冷变形量且仅进行了两次中间退火。经最终退火工艺处理后,Mg-3Zn-0.2Ca丝材的平均晶粒尺寸由Φ2.0 mm时的6.73μm被细化至3.96μm,其抗拉强度、屈服强度和延伸率分别为253 MPa、212 MPa和9.2%,表现出了较好的综合力学性能。(2)EBSD分析表明,丝材经连续冷拉拔后,在拉拔方向上形成了较强的(0001)10-10//DD基面织构类型。经再结晶退火后,丝材的基面织构强度显著下降,且呈弥散随机分布特征,这与合金中加入的Ca元素有关。此外,研究表明丝材的LS截面上主要由(0001)和(10-10)、(11-20)晶面取向的晶粒组成,TS面上主要由(10-10)和(11-20)晶面取向的晶粒组成。通过对两者耐蚀性的研究发现,TS截面比LS截面的耐蚀性好,这说明调控镁合金织构是改善其耐蚀性的一种有效方法。(3)Φ0.8 mm拉拔态Mg-3Zn-0.2Ca丝材在SBF中浸泡7天后的腐蚀速率为8.16mm/y。在退火处理后,丝材的腐蚀速率降低为5.06 mm/y,且腐蚀行为得到了较大改善。此外,丝材表面的微裂纹应该是导致丝材局部腐蚀严重和提前断裂的主要原因。对丝材进行表面氟化处理,制备得到了厚度约为0.7μm的致密MgF_2涂层。实验表明经HF处理后的丝材在浸泡7天后,其腐蚀速率可降低至1.53 mm/y,说明氟化处理可有效提高Mg-3Zn-0.2Ca丝材的耐蚀性。(4)对镁合金皮肤缝合钉的研究表明,闭合后仅在弯曲部位出现了少量孪晶,且并未在弯曲部位发现微裂纹,这表明Mg-3Zn-0.2Ca缝合钉具有良好的成型性。氟化处理的缝合钉在闭合后,弯曲部位的MgF_2涂层在受到应力的作用下并未出现裂痕。体外浸泡实验表明,未处理的缝合钉表现出相对均匀的腐蚀行为,力学完整性能维持在7天左右。通过氟化处理后,Mg-3Zn-0.2Ca缝合钉的力学完整性提高到约11天,接近满足两周左右失效的临床要求,其腐蚀降解时间得到了有效延长。
【学位单位】：天津理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TG146.22;R318.08
【文章目录】：
摘要
abstract
第一章 绪论
    1.1 镁及镁合金概述
    1.2 镁合金的塑性变形与拉拔工艺
        1.2.1 镁合金的塑性变形机制
        1.2.2 镁合金拉拔工艺及其研究进展
    1.3 镁合金织构的国内外研究现状
    1.4 镁合金的腐蚀及其表面处理
    1.5 镁合金作为生物医用材料的应用
    1.6 医用镁合金丝材的国内外研究现状
    1.7 课题研究目的及意义
    1.8 课题研究内容
第二章 实验材料与方法
    2.1 材料制备
        2.1.1 实验原始材料
        2.1.2 材料制备过程
    2.2 拉拔工艺方案
    2.3 实验方法
        2.3.1 金相显微组织观察
        2.3.2 XRD物相分析
        2.3.3 EBSD织构分析
        2.3.4 力学拉伸实验
        2.3.5 显微硬度测试
        2.3.6 电化学分析
        2.3.7 析氢实验
        2.3.8 体外浸泡实验
第三章 Mg-3Zn-0.2Ca合金丝材的组织与力学性能研究
    3.1 Mg-3Zn-0.2Ca合金的铸态组织及物相分析
    3.2 拉拔冷变形程度对Mg-3Zn-0.2Ca合金显微组织和力学性能的影响
        3.2.1 冷变形程度对Mg-3Zn-0.2Ca丝材显微组织的影响
        3.2.2 冷变形程度对Mg-3Zn-0.2Ca丝材加工硬化的影响
        3.2.3 冷变形程度对Mg-3Zn-0.2Ca丝材宏观织构的影响
    3.3 退火温度和保温时间对Mg-3Zn-0.2Ca丝材组织和力学性能的影响
    3.4 拉拔过程中Mg-3Zn-0.2Ca丝材显微组织和力学性能的变化
    3.5 拉伸断口形貌分析
    3.6 本章小结
第四章 Mg-3Zn-0.2Ca丝材的织构分析及其对腐蚀行为的影响
    4.1 Mg-3Zn-0.2Ca合金丝材的形变织构分析
        4.1.1 拉拔态Mg-3Zn-0.2Ca丝材不同截面的金相显微组织
        4.1.2 拉拔态Mg-3Zn-0.2Ca丝材不同截面的XRD分析
        4.1.3 拉拔态Mg-3Zn-0.2Ca丝材不同截面的EBSD分析
    4.2 Mg-3Zn-0.2Ca合金丝材的再结晶织构分析
        4.2.1 退火态Mg-3Zn-0.2Ca丝材不同截面的金相显微组织
        4.2.2 退火态Mg-3Zn-0.2Ca丝材不同截面的XRD分析
        4.2.3 退火态Mg-3Zn-0.2Ca丝材不同截面的EBSD分析
    4.3 织构对Mg-3Zn-0.2Ca合金在模拟体液中腐蚀行为的影响
        4.3.1 不同截面的电化学分析
        4.3.2 不同截面的析氢实验
        4.3.3 不同截面的腐蚀形貌观察与分析
    4.4 本章小结
第五章 Mg-3Zn-0.2Ca丝材在模拟体液中的腐蚀行为及其表面改性
    5.1 不同加工状态Mg-3Zn-0.2Ca丝材在模拟体液中的腐蚀行为
        5.1.1 电化学分析
        5.1.2 析氢实验
        5.1.3 体外浸泡试验
        5.1.4 腐蚀形貌观察与分析
    5.2 Mg-3Zn-0.2Ca丝材的表面氟化改性处理
        5.2.1 涂层的制备
        5.2.2 涂层的表征与分析
    5.3 表面改性处理的Mg-3Zn-0.2Ca丝材在模拟体液中的腐蚀行为
        5.3.1 电化学分析
        5.3.2 体外浸泡实验
        5.3.3 腐蚀形貌观察与分析
    5.4 本章小结
第六章 可吸收镁合金皮肤缝合钉制备与体外降解研究
    6.1 镁合金皮肤缝合钉的设计与制备
        6.1.1 镁合金皮肤缝合钉的设计
        6.1.2 镁合金皮肤缝合钉的制备
    6.2 闭合前后缝合钉的显微组织及表面涂层形貌观察
        6.2.1 闭合前后缝合钉的显微组织观察
        6.2.2 闭合后缝合钉的表面涂层形貌观察
    6.3 闭合前后缝合钉的硬度分布变化
    6.4 体外降解行为研究
        6.4.1 失重变化
        6.4.2 腐蚀形貌观察与分析
    6.5 本章小结
第七章 全文结论
参考文献
发表论文和科研情况说明
致谢

【参考文献】

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本文编号：2838162