Mg-1Zn-xCa合金的显微组织及在SBF溶液中的腐蚀行为研究

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镁合金具有资源丰富、密度小、强度高、与人骨弹性模量接近、拥有良好的生物相容性以及可以在人体内生物降解等优点,被视为最有潜力的可降解生物医用金属材料之一。人体生理环境下的腐蚀行为对于医用金属材料的应用至关重要。本文选择Zn、Ca作为合金化元素,通过合金化、均匀化热处理、正挤压、等通道转角挤压(ECAP)等系列手段制备出不同Ca含量的Mg-1Zn-xCa(x=0.2,0.4,1.0,1.5,wt%)镁合金。研究了Ca含量、加工状态对合金微观组织和在SBF溶液中腐蚀行为的影响,讨论了合金显微组织与腐蚀行为之问的关系。得出如以下主要结论:  (1)随Ca含量的提高,铸态Mg-1Zn-xCa合金晶粒尺寸会随之减小。对于高Ca含量的铸态合金Mg-1Zn-1Ca和Mg-1Zn-1.5Ca,其凝固过程为初生α-Mg枝晶+二元共晶(α-Mg+M92Ca)+三元共晶(α-Mg+Ca3Mg6Zn3+Mg2Ca)。对于低Ca含量的铸态合金Mg-1Zn-0.2Ca和Mg-1Zn-0.4Ca,其凝固过程为初生α-Mg枝晶+二元共晶(α-Mg+Ca2Mg6Zn3)。  (2)铸态Mg-1Zn-xCa合金经过正挤压和ECAP挤压后,晶粒尺寸和第二相大小、形态及分布均发生了很大变化。ECAP态Mg-1Zn-1Ca合金的平均晶粒尺寸为0.8μm,相较于铸态合金和正挤压态合金,晶粒尺寸分别减小了99.6%和88.6%。铸态时,第二相在晶界处呈网状分布;正挤压后,呈不连续聚集分布: ECAP后,第二相变得细小且弥散分布于基体上。  (3)正挤压态Mg-1Zn-1Ca合金静态浸泡腐蚀时,质量损失最小,耐蚀性能最高,腐蚀以点蚀为主。在浸泡腐蚀的过程中,高活性的Mg2Ca相作为阳极率先发生腐蚀,从而对周围α-Mg基体起到一定保护作用;而Ca2Mg6Zn3相活性最低,加剧了α-Mg基体的腐蚀。腐蚀产物由HA(Ca10(OH)2(PO4)6)、CaCO3、MgCl2和Mg(OH)2组成。  (4)与正挤压态合金相比,ECAP挤压使Mg-1Zn-1Ca合金耐蚀性能下降,腐蚀行为以均匀腐蚀为主。这主要是由于ECAP挤压使得合金中的第二相破碎并且弥散分布于基体上,削弱了第二相的阻挡腐蚀作用,增强了第二相的电偶效应,因此降低了其耐蚀性能。
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