【摘 要】
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随着可生物降解金属材料的发展,镁基合金和铁基合金均因为降解速率及降解时的并发症等问题陷入技术瓶颈。Zn基合金则是在前两者的基础上开发出的新型可生物降解材料。它具有更优异的降解性能和生物相容性,但纯Zn的力学性能较差。因此,本文通过添加不同含量Zr、Ag以及对各成分铸态合金进行轧制,研究合金元素Zr、Ag和热轧对Zn-1.5Cu-yAg-xZr合金微观组织、力学性能和降解性能的影响。其结果如下:合金
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随着可生物降解金属材料的发展,镁基合金和铁基合金均因为降解速率及降解时的并发症等问题陷入技术瓶颈。Zn基合金则是在前两者的基础上开发出的新型可生物降解材料。它具有更优异的降解性能和生物相容性,但纯Zn的力学性能较差。因此,本文通过添加不同含量Zr、Ag以及对各成分铸态合金进行轧制,研究合金元素Zr、Ag和热轧对Zn-1.5Cu-yAg-xZr合金微观组织、力学性能和降解性能的影响。其结果如下:合金元素Zr具有细化铸态Zn-1.5Cu-1.0Ag-xZr合金晶粒尺寸的作用。添加Zr之后,铸态Zn-1.5Cu-1.0Ag-xZr合金中立即析出Zn22Zr;且随着Zr含量增多,Zn22Zr的数量增多,尺寸增大,形态也由点状逐渐演变为较大块状和长条状;而合金中的(Ag,Cu)Zn4数量却随Zr含量增多而逐渐减少,直至0.5wt%Zr时完全消失。其中,点状Zn22Zr可以提高合金强度,块状及长条状Zn22Zr则会引起严重的应力集中现象,使得铸态Zn-1.5Cu-1.0Ag-xZr(x=0.5,1.0)合金的力学性能显著恶化。因此,铸态Zn-1.5Cu-1.0Ag-0.1Zr合金的力学性能最优。此外,Zr还会增大铸态Zn-1.5Cu-1.0Ag-xZr合金的腐蚀倾向和腐蚀速率。但是,Zn22Zr组织的耐腐蚀性较强,而Zr含量较高的铸态合金表面Zn22Zr组织分布也较多,反而使得铸态Zn-1.5Cu-1.0Ag-1.0Zr合金耐腐蚀性能的降幅有所减小。Ag也可以细化铸态Zn-1.5Cu-yAg-0.1Zr合金的晶粒大小。当Ag含量较低时,合金元素Ag固溶于Zn中,可起到固溶强化的作用。当Ag含量达到0.5wt%时,铸态Zn-1.5Cu-yAg-0.1Zr合金中才析出粒状组织(Ag,Cu)Zn4,其数量也随Ag含量增加而增加。此外,(Ag,Cu)Zn4对Zn基合金具有第二相强化的作用。因此在细晶强化、Ag固溶强化以及(Ag,Cu)Zn4第二相强化的共同作用下,铸态Zn-1.5Cu-0.5Ag-0.1Zr合金的力学性能最优。在降解性能方面,Ag会增大铸态及轧制态Zn-1.5Cu-yAg-0.1Zr合金发生腐蚀的倾向以及其腐蚀速率,降低合金的耐腐蚀性能。但1.0wt%Ag的铸态合金表面形成的钝化膜保护作用较强,使得该合金腐蚀速率的增幅减小。热轧时,所有铸态Zn-1.5Cu-yAg-xZr合金均发生部分动态再结晶,这部分合金的晶粒尺寸有所减小,未发生动态再结晶的晶粒则呈现伸长状;而Zn22Zr可促进热轧时的动态再结晶,减少伸长晶粒的数量。同时,热轧后,(Ag,Cu)Zn4沿轧制方向略有伸长,Zn22Zr则被轧碎成尺寸较小的组织,并且所有轧制态合金在原有铸态合金的物相基础上均形成了新相Cu Zn5,伸长状的晶粒组织对Cu Zn5析出也具有一定的促进作用。Zr和Ag则对轧制态合金的晶粒尺寸无明显影响。在力学性能方面,轧制态Zn-1.5Cu-yAg-xZr合金的强度和延伸率均明显优于同成分铸态合金,并且Zr和Ag也可以提升轧制态合金的力学性能。但高含量Zr(x=0.5,1.0)的轧制态合金因为块状及长条状Zn22Zr组织应力集中现象严重,而使轧制态合金的力学性能有所降低。因此,轧制态Zn-1.5Cu-1.0Ag-0.1Zr合金是实验材料中力学性能最优的成分,其屈服强度、抗拉强度和延伸率分别为218.14MPa,244.83MPa,64.50%。在降解性能方面,轧制态合金中新出现的Cu Zn5,降低了合金的耐腐蚀性能;合金元素Zr和Ag也会降低轧制态合金的耐蚀性能。但是,Zn22Zr组织的大量析出,却使得轧制态Zn-1.5Cu-1.0Ag-1.0Zr合金的耐腐蚀性能有所改善。综上所述,合金元素Zr、Ag和热轧均可明显改善Zn-1.5Cu-yAg-xZr合金的组织及性能。轧制态Zn-1.5Cu-1.0Ag-0.1Zr合金的力学性能良好,降解速率也介于支架材料与骨植入器械材料之间,因此该合金有望发展成一种新型的生物降解材料。
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