新型生物醫(yī)用Mg-Dy-Sr-Nd-Zr合金及其壓鑄態(tài)的組織與性能研究.pdf

1、生物鎂合金材料憑借其良好的生物相容性、力學(xué)相容性及生物可降解性，受到醫(yī)學(xué)界及材料界的廣泛關(guān)注，但是降解過(guò)程的控制及精密成型等難題限制了其在醫(yī)療領(lǐng)域的臨床應(yīng)用。近年來(lái)，稀土元素成為生物鎂合金材料在合金化方面的研究熱點(diǎn)，含有稀土的W E43醫(yī)用鎂合金同時(shí)具有良好的力學(xué)性能及耐腐蝕性能。為了開發(fā)出更能適應(yīng)人體環(huán)境的生物醫(yī)用鎂合金，在WE43合金的基礎(chǔ)上，替換其中稀土元素，選擇了沒有毒性的稀土元素 Dy及生物相容性良好的元素 Sr作為合金化元素

2、。利用金屬模澆鑄制備了Mg-xDy-ySr-2.4Nd-0.5Zr（x=2、6、10；y=0.5、1.5、2）合金，通過(guò)光學(xué)顯微鏡（OM）、掃描電鏡（SEM）、室溫拉伸試驗(yàn)、電化學(xué)及失重實(shí)驗(yàn)分別分析了不同含量的 Dy以及 Sr元素對(duì)生物醫(yī)用鎂合金材料的顯微組織、力學(xué)性能以及生物降解性能的影響。針對(duì)生物鎂合金塑性差的問(wèn)題，再對(duì)具有良好力學(xué)性能及耐腐蝕性能的 Mg-10Dy-0.5Sr-2.4Nd-0.5Zr合金采用壓鑄成型工藝，并對(duì)比分析

3、鑄態(tài)及壓鑄態(tài)生物醫(yī)用鎂合金的組織與性能之間的內(nèi)在規(guī)律。
　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴鑄態(tài)Mg-xDy-ySr-2.4Nd-0.5Zr合金的晶粒呈樹枝狀生長(zhǎng)，其平均晶粒尺寸隨著 Dy元素含量的增加發(fā)生明顯細(xì)化。Sr元素對(duì)生物鎂合金的晶粒尺寸細(xì)化效果并不明顯，但是過(guò)量的 Sr元素會(huì)增加鎂合金偏聚的傾向。鑄態(tài)合金中第二相由Mg2Dy、Mg3Dy、Mg17Sr2、Mg12Nd相組成并沿著晶界析出。Dy元素的增加可以通過(guò)固溶強(qiáng)化、細(xì)晶強(qiáng)化的作

4、用使鎂合金的力學(xué)性能得到提高。然而過(guò)量的Sr元素導(dǎo)致鎂合金晶粒分布不均從而產(chǎn)生應(yīng)力集中，因此鎂合金的力學(xué)性能隨著Sr含量的增加反而下降。鑄態(tài)生物醫(yī)用Mg-10Dy-0.5Sr-2.4Nd-0.5Zr合金具有最佳的力學(xué)性能，其抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度及延伸率依次為203MPa、128MPa、7.4%。⑵生物醫(yī)用Mg-xDy-ySr-2.4Nd-0.5Zr合金的耐腐蝕性能隨著Dy元素的增加通過(guò)細(xì)化晶粒得到增強(qiáng)。Mg17Sr2容易與α-Mg相發(fā)生電

5、偶腐蝕，因此鎂合金的腐蝕速率隨著Sr元素含量的增加呈增大的趨勢(shì)。鑄態(tài)Mg-10Dy-0.5Sr-2.4Nd-0.5Zr合金在PBS模擬體液中具有最佳的耐腐蝕性能，降解速率為0.58mm/a。⑶壓鑄成型沒有改變Mg-10Dy-0.5Sr-2.4Nd-0.5Zr合金的相組成，但是沿晶界分布的第二相呈細(xì)小網(wǎng)格狀分布。壓鑄態(tài)合金的晶粒尺寸明顯細(xì)化至18μm，晶粒形態(tài)由樹枝晶向等軸晶轉(zhuǎn)變。晶粒大小不均勻并且合金內(nèi)部的氣孔導(dǎo)致壓鑄態(tài)Mg-10Dy-

6、0.5Sr-2.4Nd-0.5Zr合金的強(qiáng)度降低，但是壓鑄態(tài)鎂合金的拉伸斷口出現(xiàn)大量的韌窩和撕裂棱，并且延伸率增加，說(shuō)明壓鑄態(tài) Mg-10Dy-0.5Sr-2.4Nd-0.5Zr合金的塑性明顯增強(qiáng)，斷裂類型屬于準(zhǔn)解理斷裂。因此，壓鑄成型技術(shù)改善了生物醫(yī)用鎂合金的塑性變形能力。⑷壓鑄態(tài)鎂合金的腐蝕產(chǎn)物溶解速率大于其修復(fù)速率，在鎂合金的腐蝕層中沒有形成穩(wěn)定的Mg(OH)2保護(hù)膜，極化曲線同樣表明壓鑄態(tài)鎂合金沒有發(fā)生鈍化行為。因此壓鑄成型降低