Gd和Ca对生物医用Mg-6Zn合金组织与性能的影响

摘要

镁合金由于具有良好的生物适用性、可生物降解性和优良的力学性能，被认为是下一代理想的生物医用植入材料之一，受到了越来越多科研工作者的关注，并对其进行了大量的实验研究。但是直到目前为止，镁合金还没有在临床上实际应用，主要是一些关键的问题还未解决，如力学性能过低、腐蚀降解速率过快、一些合金元素的生物相容性不明朗等。针对上述问题，本课题拟开发一种具有高塑/中强和较好耐腐蚀性能的新型Mg-Zn系合金，为可降解镁合金血管支架的开发提供材料基础。实验以Mg-6Zn合金为研究对象，通过合金的成分设计、材料制备与挤压变形等实验手段，运用等离子体原子发射光谱仪(ICP)、光学显微镜(OM)、扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射(XRD)、电子拉伸试验和电化学工作站等检测手段，系统地研究了添加Gd和Ca对铸态与挤压态Mg-6Zn合金组织与力学性能的影响以及挤压态合金在模拟体液（Hanks溶液）中的耐蚀性能。得到以下主要结论:
　　在Mg-6Zn合金中分别单独加入0～3.41wt％Gd和0～1.35wt％ Ca后，随着Gd、Ca含量的增加，铸态组织逐渐细化，生成的高热稳定性Mg-Zn-Gd、Mg6Zn3Ca2新相逐渐增多，而低热稳定性MgZn2相逐渐减少直至完全消失，第二相趋于连续网状分布于晶界处。铸态综合拉伸力学性能整体上先提高后降低，Mg-6Zn-0.66Gd和Mg-6Zn-0.085Ca合金的拉伸力学性能达到最佳，Mg-6Zn-0.66Gd合金的抗拉强度σb为215 MPa，屈服强度σ0.2为78 MPa，延伸率δ为13％;Mg-6Zn-0.085Ca合金的σb、σ0.2和δ分别为230 MPa、84 MPa和14％。
　　经挤压后，合金发生明显的动态再结晶现象，组织得到明显细化，第二相粒子发生破碎且在挤压方向上趋于带状分布，抑制再结晶晶粒的长大，因此挤压态平均晶粒尺寸从Mg-6Zn合金的15μm分别逐渐减至Mg-6Zn-3.41Gd合金的2μm和Mg-6Zn-0.47Ca合金的10μm。挤压态综合拉伸力学性能明显提高，σb和σ0.2分别从Mg-6Zn合金的295 MPa和193MPa逐渐提高至Mg-6Zn-3.41Gd合金的350 MPa和325 MPa，而δ先降低后提高，且均不低于10％，尤其以Mg-6Zn-0.66Gd合金的塑性最好，为16.5％。而在Mg-6Zn-xCa中又以Mg-6Zn-0.085Ca合金综合力学性能最佳，σb、σ0.2和δ分别为290MPa、183MPa和19％。可见，上述开发的Mg-6Zn-xGd和Mg-6Zn-xCa合金均呈现出中强和高塑的特点。
　　对于挤压态Mg-6Zn-xGd合金，Mg-6Zn合金的腐蚀速率较慢，但其腐蚀方式为典型的局部腐蚀;添加少量Gd元素(0.66％)后，合金的腐蚀速率稍微增大，但腐蚀变得更均匀，腐蚀朝着均匀腐蚀的方式发展;当添加较多量Gd（1.66％和3.41％）时，合金的耐蚀性能急剧恶化。对于挤压态Mg-6Zn-xCa合金，随着Ca元素含量的增加，合金的腐蚀速率增大，腐蚀电流变大，腐蚀电位逐渐降低，合金的耐蚀性能变差。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 镁及其镁合金概述

1．2 镁合金的分类及Mg-Zn系合金的研究现状

1．3 生物医用材料的研究现状

1．3．1 心血管支架及其材料的使用现状及存在的问题

1．3．2 生物医用镁合金材料的研究现状

1．4 镁合金强化机理和腐蚀机理的研究现状

1．5 本课题的研究意义和内容

2 实验方法

2．1 实验过程

2．2 组织观察与性能测试

2．2．1 组织观察和物相分析

2．2．2 拉伸力学性能测试

2．2．3 腐蚀性能测试

3 Gd和Ca对Mg-6Zn合金铸态组织与力学性能的影响

3．1 Gd和Ca对铸态Mg-6Zn合金组织的影响

3．2 Gd和Ca对铸态Mg-6Zn合金力学性能的影响

3．3 分析与讨论

3．3．1 相分析

3．3．2 铸态组织细化分析

3．3．3 铸态力学性能分析

3．4 本章小结

4 Gd和Ca对挤压态Mg-6Zn合金组织与力学性能的影响

4．1 Gd和Ca对挤压态Mg-6Zn合金组织的影响

4．2 Gd和Ca对挤压态Mg-6Zn力学性能的影响

4．3 讨论与分析

4．3．1 挤压态组织细化分析

4．4．2 挤压态力学性能分析

4．4 本章小结

5 挤压态Mg-6Zn-xGd和Mg-6Zn-xCa合金在模拟体液中的腐蚀研究

5．1 挤压态Mg-6Zn-xGd合金的腐蚀性能

5．1．1 挤压态Mg-6Zn-xGd合金的腐蚀速率分析

5．1．2 挤压态Mg-6Zn-xGd合金的腐蚀形貌分析

5．1．3 挤压态Mg-6Zn-xGd合金的极化曲线极化分析

5．2 挤压态Mg-6Zn-xCa合金的腐蚀性能

5．2．1 挤压态Mg-6Zn-xCa合金的腐蚀速率分析

5．2．2 挤压态Mg-6Zn-xCa合金的腐蚀形貌分析

5．2．3 挤压态Mg-6Zn-xCa合金的极化曲线极化分析

5．3 合金在Hanks模拟体液中的腐蚀机理

5．4 本章小结

6 结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术成果目录

致谢