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合金化是提高镁合金力学性能的一个重要途径。添加少量Zn可显着改善合金的力学性能,且对人体害作用。挤压态的Mg-Zn 合金有望发展成为理想的可生物降解的骨组织工程植入物。Zr元素具有的生物相容性和骨相容性,是一种良好的晶粒细化剂添加元素,常用于改善镁合金的力学性能。
Mg-4Zn-0.3Zr合金锭由高纯Mg(99.95%,质量分数,下同)、高纯Zn(99.90%)和Mg-30Zr中间合金制备。合金熔炼在全程通有N2(98%,体积分数)和SF6(2%,体积分数)保护气体的电阻炉中进行。在720 ℃下熔化高纯Mg 后,升温至780 ℃ 加入Mg-30Zr中间合金,待中间合金熔化后降温至720 ℃加入高纯Zn,保温30 min后捞渣,准备浇注。将金属液倒入放在电磁搅拌器中圆柱形陶瓷模具中,在磁力搅拌器的作用下完全凝固,电磁搅拌的电流和频率分别为150A 和6 Hz。
镁(Mg)和镁合金已成为结构部件的竞争性替代品,因为运输中对高强度重量比材料的需求不断增长。尽管如此,制造镁部件的一个重要限制是织构镁合金的大拉伸-压缩屈服不对称性,这导致变形过程中的早期断裂。这种行为基本上可以归因于在拉伸和压缩过程中激活的不同变形机制,这是由于热机械加工产生的强烈纹理以及{10`1 2}延伸孪生的极性。
挤压态Mg-2Nd合金表现出高达30% 的拉伸延伸率与缓慢均匀的降解速率,但是材料的断裂强度只有193 MPa,比较高的塑性变形性能使Mg-2Nd合金在心血管支架、食道粘膜支架等方面具有良好的应用前景。Mg-Nd变形镁合金普遍表现出较高的塑性,这是因为Nd固溶于镁合金中,可以大幅降低镁合金的晶间层错能,使非基面滑移变得容易起来。
Zn元素是人体中的微量元素之一,在人体生长发育、生殖遗传、、内分泌等重要生理过程中起着极其重要的作用。同时,它还是镁合金中常用的合金元素之一,具有显著的固溶强化效果,并且还可以提高镁合金的腐蚀电位, 提高其耐蚀性。为此本文中通过在Mg-Nd合金中添加适量Zn元素来弥补Mg-Nd合金强度较低的不足,期望新的MgNd-Zn合金在保持良好的塑性变形能力的同时,还具备较高的强度,满足镁合金用于制作缝合线、吻合钉等植入物产品的性能要求。本文研究了Zn含量变化对铸态及挤压态Mg-2Nd-x Zn(x=0.2, 1.0, 2.0)合金和Mg-0.5Nd-x Zn(x=2.0, 4.0,6.0)合金的微观结构、力学性能以及腐蚀性能的影响。
为了使镁合金棒材的挤压可以顺利进行,挤压前对铸锭进行了均匀化退火处理。棒材的挤压在3MN立式挤压机上进行。选取的挤压参数为 :铸锭预热温度为653 K,预热时间为1h,挤压温度为663K,入口处挤压速度为20mm/s, 挤压比为64:1。在挤压凹模和挤压套筒内部均匀涂上油剂石墨来减小坯料与模具之间的摩擦,起到润滑作用,从而利于合金的挤压变形,改善挤压棒材的表面质量。
在挤压棒材上利用线切割加工出 Φ10×2 mm的片状试样,然后依次使用400#、800#、1200# 和2000# 的Si C砂纸打磨。把打磨好的样品,放置于装有酒精的烧杯中,超声波清洗5 min后,电吹风吹干备用。实验过程中,将试样浸泡于装有Hank’s溶液的离心管内,置于37 ℃的恒温箱内,模拟材料在人体内的降解行为,试验样品表面积(cm2) 与Hank’s液体体积(m L)的比例为2.5:1,每种合金选取9个平行样。在浸泡过程中,每24h记录一次Hank’s溶液的p H之变化,并更换一次溶液以保持溶液的p H值保持在正常的人体范围内。分别于1、2、3周后,每种合金取出其中3个样品,放入25wt.% 的铬酸中超声清洗3min以除去样品表面腐蚀产物,然后依次使用水和酒精进行清洗,电吹风吹干后用电子天平称重,计算出平均腐蚀速率,并使用扫描电子显微镜观察样品的腐蚀形貌。平均腐蚀速率的计算公式为 :
平均腐蚀速率=(K×W)/(A×T×D) (1)
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