MgZnCa基非晶及其复合材料的制备、力学和腐蚀性能研究

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Mg合金因低密度和生物可降解性等优点具有广泛的生物应用前景。但传统晶态镁合金在降解过程中存在强度下降过快、伴有H2产生以及降解不可控等问题,限制了其生物应用。因此,非晶态镁合金因其具有极高强度和优异的耐腐蚀性能而受到广泛关注。其中Mg-Zn-Ca非晶以其高比强度和良好的生物相容性,被选为一种有前途的材料。然而,单一Mg-Zn-Ca非晶合金室温塑性差。解决这一问题行之有效的方法是制备得到Mg-Zn-Ca基非晶复合材料。另外,Mg–Zn–Ca合金在共晶点附近成分也表现出不同的玻璃形成能力。鉴于目前制备镁基非晶复合材料一般采用高纯原料,不利于其应用推广,且其腐蚀行为不同于完全非晶和传统的晶态镁合金。因此,本文利用工业纯原料,在Mg-Zn-Ca合金基础上添加具有生物相容性的Y、Mn和Fe颗粒元素,采用铜模喷注的方法制备得到Mg–Zn–Ca基非晶及其复合材料,并通过X射线衍射分析(XRD)、差热分析(DSC)和扫描电子显微镜(SEM)对材料结构进行表征。通过压缩和腐蚀实验,研究了样品的力学和腐蚀性能。首先,本论文选择共晶点附近成分,在低真空下,利用工业纯原料,采用铜模喷注的方法制备得到Mg69Zn27Ca4和Mg68Zn28Ca4样品。发现直径为1.5mm的Mg69Zn27Ca4样品是完全非晶,其玻璃形成能力好于Mg68Zn28Ca4合金,并且具有较高强度和很好的耐腐蚀性能,断裂强度为550MPa,腐蚀电位为-1.286V。通过研究冷速对完全非晶样品Mg69Zn27Ca4组织和结构的影响。发现随着冷却速度的降低,Mg69Zn27Ca4样品的玻璃形成能力降低,当直径为3mm时,在样品中除非晶基体外,还有Mg相和Ca2Mg6Zn3相等晶体相析出。其次,通过研究添加Y元素对Mg69Zn27Ca4非晶合金组织和性能的影响。发现添加1%Y时,力学性能得到了显著改善,Mg68Zn27Ca4Y1样品的强度达到1012MPa,塑性超过3%。产生这一结果的主要原因是Mg12YZn韧性相的出现。但进一步增加Y含量,由于晶体相数量和尺寸增加,会导致样品强度下降。另外,添加Y之后,样品在模拟海水(3.5%NaCl溶液)和模拟体液(SBF溶液)使完全非晶的腐蚀性能稍有下降,这主要是由于非晶复合材料中晶体相的存在,其与非晶基体存在电位差,进而降低了合金的耐腐蚀性能。但是仍好于传统的镁合金及纯镁。再次,通过研究添加Mn元素对Mg69Zn27Ca4非晶合金组织和性能的影响。发现Mn的添加会降低完全非晶样品玻璃形成能力。当Mn含量为0.5%时,其耐腐性能超过了完全非晶样品。在模拟海水中的腐蚀电位仅有-1.128V,比完全非晶样品高160mV。而且在模拟体液中浸泡85h后,其表面平整,无裂纹,表现出很好的生物腐蚀性能。最后,通过研究添加Fe颗粒对Mg69Zn27Ca4合金组织和性能的影响,发现添加5at.%Fe粉之后,α-Mg、Mg-Zn枝晶相弥散分布于非晶基体中,同时Fe粉仍以Fe颗粒形式存在。Fe颗粒的添加,使完全非晶Mg69Zn27Ca4合金强度提高了20%,断裂强度达到680MPa,同时塑性也有一定提高,达到1.7%。这与Fe颗粒本身是韧性相,而且其与基体能较好的结合密不可分。腐蚀结果表明,Fe颗粒的添加并没有明显降低完全非晶Mg69Zn27Ca4样品的耐腐蚀性能。
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