MgZnCa基非晶及其復(fù)合材料的制備、力學和腐蝕性能研究.pdf

1、Mg合金因低密度和生物可降解性等優(yōu)點具有廣泛的生物應(yīng)用前景。但傳統(tǒng)晶態(tài)鎂合金在降解過程中存在強度下降過快、伴有H2產(chǎn)生以及降解不可控等問題，限制了其生物應(yīng)用。因此，非晶態(tài)鎂合金因其具有極高強度和優(yōu)異的耐腐蝕性能而受到廣泛關(guān)注。其中Mg-Zn-Ca非晶以其高比強度和良好的生物相容性，被選為一種有前途的材料。
　　 然而，單一Mg-Zn-Ca非晶合金室溫塑性差。解決這一問題行之有效的方法是制備得到Mg-Zn-Ca基非晶復(fù)合材料。另外

2、，Mg-Zn-Ca合金在共晶點附近成分也表現(xiàn)出不同的玻璃形成能力。鑒于目前制備鎂基非晶復(fù)合材料一般采用高純原料，不利于其應(yīng)用推廣，且其腐蝕行為不同于完全非晶和傳統(tǒng)的晶態(tài)鎂合金。因此，本文利用工業(yè)純原料，在Mg-Zn-Ca合金基礎(chǔ)上添加具有生物相容性的Y、Mn和Fe顆粒元素，采用銅模噴注的方法制備得到Mg-Zn-Ca基非晶及其復(fù)合材料，并通過x射線衍射分析(XRD)、差熱分析(DSC)和掃描電子顯微鏡(SEM)對材料結(jié)構(gòu)進行表征。通過壓縮

3、和腐蝕實驗，研究了樣品的力學和腐蝕性能。
　　 首先，本論文選擇共晶點附近成分，在低真空下，利用工業(yè)純原料，采用銅模噴注的方法制備得到Mg69Zn27Ca4和Mg68Zn28Ca4樣品。發(fā)現(xiàn)直徑為1.5mm的Mg69Zn27Ca4樣品是完全非晶，其玻璃形成能力好于Mg68Zn28Ca4合金，并且具有較高強度和很好的耐腐蝕性能，斷裂強度為550MPa，腐蝕電位為-1.286V。通過研究冷速對完全非晶樣品Mg69Zn27Ca4組織和

4、結(jié)構(gòu)的影響。發(fā)現(xiàn)隨著冷卻速度的降低，Mg69Zn27Ca4樣品的玻璃形成能力降低，當直徑為3mm時，在樣品中除非晶基體外，還有Mg相和Ca2Mg6Zn3相等晶體相析出。
　　 其次，通過研究添加Y元素對Mg69Zn27Ca4非晶合金組織和性能的影響。發(fā)現(xiàn)添加1％Y時，力學性能得到了顯著改善，Mg68Zn27Ca4Y1樣品的強度達到1012MPa，塑性超過3％。產(chǎn)生這一結(jié)果的主要原因是Mg12YZn韌性相的出現(xiàn)。但進一步增加Y含量

5、，由于晶體相數(shù)量和尺寸增加，會導(dǎo)致樣品強度下降。另外，添加Y之后，樣品在模擬海水(3.5％NaCl溶液)和模擬體液(SBF溶液)使完全非晶的腐蝕性能稍有下降，這主要是由于非晶復(fù)合材料中晶體相的存在，其與非晶基體存在電位差，進而降低了合金的耐腐蝕性能。但是仍好于傳統(tǒng)的鎂合金及純鎂。
　　 再次，通過研究添加Mn元素對Mg69Zn27Ca4非晶合金組織和性能的影響。發(fā)現(xiàn)Mn的添加會降低完全非晶樣品玻璃形成能力。當Mn含量為0.5％時

6、，其耐腐性能超過了完全非晶樣品。在模擬海水中的腐蝕電位僅-1.128V，比完全非晶樣品高160mV。而且在模擬體液中浸泡85h后，其表面平整，無裂紋，表現(xiàn)出很好的生物腐蝕性能。
　　 最后，通過研究添加Fe顆粒對Mg69Zn27Ca4合金組織和性能的影響，發(fā)現(xiàn)添加5at.％Fe粉之后，α-Mg、Mg-Zn枝晶相彌散分布于非晶基體中，同時Fe粉仍以Fe顆粒形式存在。Fe顆粒的添加，使完全非晶Mg69Zn27Ca4合金強度提高了20