ZM61-0.5Ca0.4Nd合金组织和性能的优化研究

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在材料科学技术高速发展的21世纪,人类健康问题被学术界放在了相当重要的科研位置。相比于传统的植入物材料,可降解并具有生物相容性的材料在作为承载植入物方面发挥着重要作用。传统植入材料,如不锈钢、钛合金、钴-铬合金均有引发机体局部炎症的风险。相比之下,镁合金因其生物相容性好、降解速率可控、消除应力遮挡效应以及能够避免二次手术等优点,有望成为新一代生物医学材料应用于人工骨、心血管支架等植入领域。在人体电解质环境中,由腐蚀引起的过快降解速率成已为制约镁合金植入物实现临床应用的主要因素之一。因此,提高耐蚀性是医用镁合金的一个重要研究课题。针对这一问题,本文通过对ZM61-0.5Ca0.4Nd合金进行热挤压和热处理来改善其组织结构,探索了采用表面处理技术提高镁合金材料耐蚀性能的方法。利用浸泡腐蚀失重、析氢试验及电化学测试研究了不同状态合金在37.4±0.3℃模拟体液(SBF)中的腐蚀行为。采用x射线衍射仪(XRD)分析合金的物相组成,采用光学金相显微镜(OM)及带能谱(EDS)的扫描电镜(SEM)观察合金显微组织和腐蚀形貌特征。并对不同状态合金进行体外生物毒性测试,以期为一种新型生物医用镁合金材料的开发做前期探索。研究结果表明:1、铸态ZM61-0.5Ca0.4Nd合金在热挤压过程中发生了动态再结晶,形成了大量细小的等轴晶粒,同时,Ca2Mg6Zn3和Mg41Nd5+Ca2Mg6Zn3混合物被破碎并以条带状沿挤压方向分布。随着变形的增加,合金内部会继续发生大量的再结晶,所产生的等轴晶晶粒占合金组织的比例上升。2、热挤压能有效提高ZM61-0.5Ca0.4Nd合金的腐蚀性能,合金的耐腐蚀性能随着挤压比的增加呈先下降后上升的趋势。本实验条件下,当挤压比为25时,合金的耐蚀性能最优。3、固溶处理后晶粒较挤压态长大,组织均匀性上升,部分第二相溶入基体,部分仍沿挤压方向呈链状分布;时效处理后,晶内出现了弥散分布的颗粒状析出物。本实验条件下,挤压并经过380℃×2h固溶+150℃×24h时效处理的ZM61Ca0.5Nd0.4合金,在37.4℃的SBF溶液中腐蚀过程较为均匀,具有最佳的耐蚀性能。4、对具有最佳综合耐蚀性能的ZM61-0.5Ca0.4Nd合金在pH3.5的Na2HPO4(3.1%)+Ca(NO3)2(5.3%)水溶液中进行45℃×6h保温处理,能在镁合金表面形成一层均匀致密的二水磷酸氢钙(DCPD)+羟基磷灰石(HA)涂层,阻止镁合金在SBF中的腐蚀析氢。5、经MTT毒性测试表明,不同处理状态(铸态、挤压态、固溶处理、固溶+时效处理、表面DCPD+HA涂层处理) ZM61-0.5Ca0.4Nd合金对L-929小鼠成纤维细胞无毒性,显示出良好的生物相容性。
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