挤压镁和Mg-Zn/Mn镁合金的制备及组织性能的研究

来源 :西南交通大学 | 被引量 : 8次 | 上传用户:sad_pacific
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镁基生物材料具有良好的生物相容性和可降解性,是一种理想的人体植入材料,目前用于血管支架和骨内固定材料方面的生物可降解研究已取得了较大进展。但镁及其合金由于其力学性能较低、在人体内降解速度过快进而导致其力学性能消失,已成为限制其在生物医用领域应用的最大障碍。因此,提高镁及其合金的力学性能和耐腐蚀性能已成为科学家们研究的热点之一合金化和变形等加工处理是提高镁基生物材料力学性能和耐腐蚀性能的有效手段。论文首先从杂质Fe含量、变形状态等方面研究了镁在Hanks’溶液中的腐蚀规律;然后采用合金化的方法,利用生物相容性能较好的Zn和Mn元素以及微量的稀土元素(RE)制备Mg-Zn系和Mg-Mn-RE合金;最后采取了常规挤压和等通道挤压(ECAP)两种方法,对比研究了常规挤压和等通道挤压对镁及其合金微观组织、力学性能和腐蚀性能的影响。采用光学显微镜、扫描电子显微镜、X-射线衍射仪分析了材料的微观组织。用电子万能材料试验机和微观硬度测试仪测试了材料的室温力学性能。用电化学和体外浸泡试验系统检测了材料的腐蚀行为。所得结论具体内容如下:1.镁中Fe元素含量越低,镁晶粒越细小,镁在Hanks’溶液中耐腐蚀越好。镁的腐蚀速率可通过减少Fe含量、细化晶粒等方法进行控制。合金化能有效细化晶粒,在Mg中加入2wt.%Zn后,比铸态镁的晶粒更细小均匀,提高了耐腐蚀性能;在Mg-2Zn镁合金中加入0.1wt.%RE后,进一步细化了铸态ZE20镁合金晶粒。2.挤压温度对ZE20镁合金的腐蚀性能影响明显。铸态ZE20镁合金分别在230℃、280℃和330℃经常规挤压后,合金在330℃时晶粒尺寸最小,约为7 μm,力学性最佳能,其屈服强度、抗拉强度、延伸率分别为160MPa、272 MPa、12.8%;耐腐蚀性能最强,其析氢腐蚀速率为0.235 mLcm-2day-1。3.挤压比对Mg-1Mn-0.1RE镁合金的力学性能和耐腐蚀性能影响明显。在360℃温度下挤压,随着挤压比的增大,棒材镁合金的晶粒逐渐变小,力学性能和耐腐蚀性能不断提高。当挤压比上升到32时,镁合金晶粒尺寸约为3μm,屈服强度为185 MPa,抗拉强度为311 MPa,抗弯强度为533 MPa-,延伸率为10.5%,析氢腐蚀速率为0.156mLcm-2day-14.铸态镁在常规挤压过程中,随着挤压比增加,挤压温度降低,晶粒逐渐细化,力学性能和腐蚀性能逐渐提高。铸态镁在挤压比为25、温度分别在230℃、280℃、330℃进行常规挤压后,其力学性能和腐蚀性能随着温度的升高而逐渐降低;在挤压温度360℃、挤压比分别为13和32进行常规挤压后,其力学性能和腐蚀性能随着挤压比的增大而逐渐提高;在挤压比为25、挤压温度为230℃条件下进行常规挤压后的镁力学性能和腐蚀性能最好,其抗拉强度达到了177 MPa,延伸率达到了24%。镁在230-C经常规挤压后,在280℃经过1道次等通道挤压变形,晶粒得到了细化且力学性能得到了更大的提高。5.在等通道挤压过程中,随着挤压温度降低、挤压道次增多,晶粒进一步细化,镁的力学性能逐渐提高,耐腐蚀性能先降低后升高。铸态镁在360℃挤压1道次后,以A路径进行降温等通道挤压变形,分别在300℃、250℃和200℃各挤压3道次,其力学性能随挤压温度降低而逐渐增加;铸态镁在300℃变形3道次后耐腐蚀性能最高,在200℃变形3道次后耐腐蚀性能次之,其腐蚀速率为0.222mLcm-2day-1,在250℃变形3道次后耐腐蚀性能最差。在200℃分别以A、C路径等通道挤压变形后,随挤压道次的增多,铸态镁的力学性能提高。经A路径等通道挤压变形4道次后的镁抗拉强度最高,为165 MPa,其延伸率也较高,为15%,表明该工艺下镁的综合力学性能是较好的;经C路径等通道挤压变形4道次后镁的屈服强度最高,达到75 MPa。在200℃经A路径等通道挤压变形后的镁耐腐蚀性能比同一温度下经C路径等通道挤压变形后的镁耐腐蚀性能更好。6.常规挤压态Mg-2Zn镁合金在等通道挤压变形过程中,其耐腐蚀性能随着挤压道次的增加而降低。与常规挤压态相比,Mg-2Zn镁合金在270℃至330℃经1道次等通道挤压变形后,合金的延伸率得到了提高。在A路径下,当镁合金的等通道挤压变形温度高于常规挤压态的挤压温度时,镁合金的抗拉强度和屈服强度在1道次后降低,经过2道次后合金的强度逐渐增加。常规挤压态Mg-2Zn镁合金具有较好的耐腐蚀性能,腐蚀速率为0.035mLcm-2day-1,经过等通道挤压变形后其腐蚀率有所增加,且随着挤压道次的增加合金的腐蚀速率也增加。
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