Al和Mo微合金化对Mg-Zn-Y-Mn合金的微观组织和性能的影响

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镁及镁合金具有独特的生物可降解性和生物相容性,接近人骨的弹性模量等优点,在生物医用领域中拥有广阔的应用前景。然而,镁合金在植入人体后,其过快的腐蚀速率往往会导致局部碱化发炎,破坏植入材料的机械完整性,不能确保其在服役期间正常使用,这极大程度地限制其在临床医学中的应用。目前,具有长周期结构(LPSO)的Mg-Zn-Y系合金由于其优异的力学性能和耐腐蚀性而引起人们的广泛关注。研究表明,微合金化是进一步提高Mg-Zn-Y系合金性能最常用的方法之一。通过调控合金元素的含量,可以改变合金的晶粒尺寸,影响第二相或金属间化合物等的析出、形貌与分布,改善合金的性能。最近研究发现Al与Y会形成高效的异质形核剂Al2Y,有效细化晶粒。Al的添加可以改变由快速凝固法制备的Mg-Zn-Y-Al合金的表面膜成分和结构,形成Al3Y4Zn3化合物,提高合金的耐蚀性。但是,廉价的Al元素在常规铸造含LPSO相的Mg-Zn-Y系镁合金中是否会形成新的化合物相,能否有效细化合金的晶粒,以及Al含量对该合金的相组成和性能的影响目前尚不清楚。此外,Mo作为人体必需的微量元素,参与人体多种新陈代谢活动。但关于Mo加入Mg-Zn-Y-Mn系合金中的作用效果及机制仍需要深入研究。基于以上目的,本文通过常规铸造制备出不同含量A l和M o的Mg-Zn-Y-Mn-Al(Mo)合金。对不同组织状态合金的力学和耐腐蚀性能进行研究,发现:(1)Al的加入,会在α-Mg基体内形成(Al,Zn)2Y新相,作为异质形核剂有效细化铸态Mg-Zn-Y-Mn合金的晶粒,还会改变合金中第二相(18R-LPSO和W相)的数量及形貌。随着Al含量的增加,合金中(Al,Zn)2Y相的数量增加,其形貌由点状、杆状变为汉字状,18R-LPSO相的体积分数略微下降。当Al含量为0.3 wt.%时,合金的晶粒尺寸最小,耐蚀性、抗拉强度和伸长率均最优。这是由于晶粒细化、体积分数以最优匹配的短棒状(Al,Zn)2Y相和18R-LPSO相共同作用所致。(2)Mo的添加,可以细化铸态Mg-Zn-Y-Mn合金的晶粒,促进18R-LPSO相的形成,改善W相的生长形态,使其由鱼骨状变为珊瑚状。当Mo含量为0.3 wt.%,合金的晶粒尺寸最小,18R-LPSO相的体积分数最大。该合金具有最优的耐蚀性和力学性能,与Mg-Zn-Y-Mn-0.3Al合金相比,该合金具有更优异的力学性能,但其耐蚀性能稍差。(3)Al和Mo复合添加起到协同强化的作用,进一步细化Mg-Zn-Y-Mn-0.3Al合金晶粒,获得更大体积分数的18R-LPSO相,优化析出相的形貌和微观结构。当Mo含量为0.3 wt.%,合金晶粒最细,18R-LPSO相的体积分数最大,合金的耐蚀性最好,抗拉强度和伸长率也最优。(4)经AFM测试与分析发现,铸态合金中的第二相及(Al,Zn)2Y相与α-Mg基体之间存在电位差。W相的阴极腐蚀效应最强,其次是(Al,Zn)2Y相和18R-LPSO相。通过有效调控Al和Mo的含量,可以获得更少W相、均匀细小的(Al,Zn)2Y相及更多的18R-LPSO相,进一步提高其耐腐蚀性能。(5)固溶处理后,块状的18R-LPSO相均不同程度地溶解,基体内层片状的14H-LPSO相析出。同时,W相发生球化,棒状(Al,Zn)2Y相固溶变得更加短小,固溶态合金的性能提高。特别当合金经过正挤压后,发生动态再结晶,晶粒进一步细化,18R-LPSO相和14H-LPSO相发生扭折,球化的W相和(Al,Zn)2Y相碎化。挤压态合金的抗拉强度为385MPa,伸长率为20.5%,失重腐蚀速率仅为0.39mm/y。
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