面向生物医用的镁合金材料的制备与加工

摘要

本世纪生物医用材料迅猛发展，其中镁合金作为生物医用材料有诸多优于其他金属材料的性能。本论文以制备适于生物医用的镁合金材料为目的，以Mg-Mn和Mg-Zr合金为基础，添加Ca、Zn合金元素，制备适于生物医用材料的MZ1和MZ2合金锭坯，通过对合金锭坯组织的分析，优化合金成分，确定MZ1和MZ2镁合金的成分。将MZ1和MZ2合金锭坯进行均匀化退火后，分别进行挤压、轧制加工成形，对加工工艺进行优化，制备出适于生物医用的镁合金棒材、板材。通过合理的热处理工艺制度，改善镁合金板材的综合力学性能，制备出满足力学性能要求的镁合金生物医用材料。主要工作和研究成果如下：
　　 (1)根据生物相容性要求并通过分析铸锭组织，优化合金成分，确定了MZ1和MZ2合金生物材料的最佳成分配比。
　　 (2)研究了铸锭工艺参数对镁合金组织的影响，确定了最佳铸造工艺参数：浇注温度700℃，冷却水流量5L/min。在此工艺制度下铸锭组织均匀、圆整，晶粒细小。
　　 (3)均匀化退火能消除铸锭组织晶内偏析，使合金元素分布均匀，改善合金铸锭的加工性能。通过对比不同均匀化制度下的组织，发现在铸锭组织不发生明显长大的条件下，温度越高，均匀化所用的时间越短，合金晶界上化合物更细小而弥散，合金的塑性更好。确定MZ1合金的均匀化退火的最佳工艺参数：退火温度为410℃；退火时间为8h;MZ2合金的均匀化退火的最佳工艺参数：退火温度为410℃；退火时间为16h。
　　 (4)通过MZ1合金进行挤压成形实验研究，确定最佳挤压工艺参数：挤压温度350℃，挤压比为10，挤压速度20mm/s，在上述工艺条件下成功制备φ29mm的合金棒材。
　　 (5)通过研究轧制工艺参数对MZ2合金板材组织的影响规律，确定道次间退火温度为380℃、350℃、320℃，由高温到低温分阶段对合金锭坯进行轧制。道次压下量控制在10％～20％，制备出了1.0mm厚适合生物医用材料的镁合金板材。
　　 (6)研究了不同时效制度对MZ1和MZ2合金加工组织及性能的影响。确定MZ1合金最佳时效工艺参数为：时效温度175℃，时效时间12h，合金的抗拉强度可达270MPa，延伸率为8.72％；确定MZ2合金最佳时效工艺参数为：时效温度170℃，时效时间12h，合金的抗拉强度可达320MPa,延伸率为19.2％。

目录

文摘

英文文摘

第1章 绪论

1.1 生物医用材料的概况

1.1.1 生物医用材料的概念

1.1.2 生物医用材料的功能

1.1.3 生物材料的类型与应用

1.2 镁合金作为生物医用材料的可行性分析

1.2.1 镁合金价格低廉及优良的机械性能

1.2.2 镁合金良好的生物活性、诱导成骨作用及生物相容性

1.2.3 镁合金可降解性

1.3 镁的合金化

1.3.1 锌元素对镁合金的作用

1.3.2 锰元素对镁合金的作用

1.3.3 钙元素对镁合金的作用

1.3.4 锆元素对镁合金的作用

1.4 镁合金生物医用材料的发展现状

1.4.1 镁合金生物医用材料的发展现状

1.4.2 镁合金作为生物医用材料存在的问题

1.5 本课题的研究意义及内容

1.5.1 本课题的研究意义

1.5.2 本课题的研究内容

第2章 实验

2.1 合金成分

2.2 实验设备

2.2.1 熔炼设备

2.2.2 轧制设备

2.2.3 挤压设备

2.2.4 热处理加热设备

2.2.5 拉伸设备

2.3 实验方案

2.3.1 合金锭坯的制备

2.3.2 均匀化退火

2.3.3 镁合金生物应用材料的挤压加工

2.3.4 镁合金生物医用材料的轧制

2.3.5 镁合金生物医用材料制品热处理

2.3.6 镁合金生物医用材料制品拉伸

2.4 组织观察与分析

2.4.1 试样制备

2.5.2 试样分析

第3章 合金元素对镁合金生物医用材料铸态组织的影响

3.1 合金元素对MZ1合金组织的影响

3.1.1 Ca元素对MZ1合金组织的影响

3.1.2 Mn元素对MZ1合金组织的影响

3.1.3 Zn元素对MZ1合金组织的影响

3.2 合金元素对MZ2合金组织的影响

3.2.1 Ca元素对MZ2合金组织的影响

3.2.2 Zr元素对MZ2合金组织的影响

3.2.3 Zn元素对MZ2合金组织的影响

3.3 合金元素对镁合金生物医用材料的细化机理

3.3.1 Ca元素对合金组织的细化机理

3.3.2 Mn元素对合金组织的细化机理

3.3.3 Zr元素对合金组织的细化机理

3.3.4 合金元素的细化方式

3.4 本章小结

第4章 镁合金生物医用材料的铸态组织

4.1 镁合金生物医用材料的铸态组织

4.1.1 MZ1合金的铸态组织

4.1.2 MZ2合金的铸态组织

4.2 浇注工艺参数对镁合金铸态组织的影响

4.2.1 浇注温度对镁合金铸态组织的影响

4.2.2 冷却强度对镁合金铸态组织的影响

4.3 本章小结

第5章 镁合金生物医用材料加工的研究

5.1 锭坯的均匀化处理

5.1.1 MZ1合金锭坯的均匀化处理

5.1.2 MZ2合金锭坯的均匀化处理

5.2 MZ1锭坯的挤压加工

5.2.1 挤压工艺参数对MZ1合金挤压成形性能的影响

5.2.2 挤压工艺参数对MZ1合金挤压组织的影响

5.2.3 MZ1合金热挤压组织的演变过程

5.3 MZ2合金的轧制加工

5.3.1 轧制工艺参数对轧制过程的影响

5.3.2 轧制工艺参数对轧制态组织的影响

5.4 结论

第6章 镁合金生物医用材料的热处理与组织性能研究

6.1 Mg-Zn合金的时效强化机制

6.2 MZ1合金的挤压制品热处理组织与性能

6.2.1 MZ1合金挤压制品的时效组织

6.2.2 MZ1合金挤压制品的组织性能

6.3 MZ2合金板材的热处理组织与性能

6.3.1 MZ2合金轧材的时效组织

6.3.2 MZ2合金轧材的时效组织性能

6.4 本章小结

第7章 结论

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的论文