不同激光冲击方式对AZ31B镁合金的抗腐蚀性及细胞相容性影响的研究

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镁资源在地球上储量极为丰富且镁合金各方面性能优良。在汽车制造、医疗器械、军事装备等领域应用极为广泛。尤其在医学领域,镁合金因具有与体骨骼相近的性质可适用于医用植入物。但镁合金也有缺点,就是其抗腐蚀性差,因腐蚀失效导致的灾难事故时有发生。激光冲击强化技术可以有效改变材料的微观组织和力学性能,进而提高材料的抗腐蚀性能以及细胞相容性。激光冲击强化分为有吸收层的激光冲击强化和无吸收层的激光冲击强化,关于这两种冲击方式对镁合金抗腐蚀性能以及细胞相容性的影响方面,尚缺乏系统的研究。因此,本文以AZ31B镁合金为研究对象,系统研究了有无吸收层两种冲击方式对镁合金抗腐蚀性能以及细胞相容性的影响,主要研究内容如下:(1)通过对激光冲击前后试样表面形貌和物相的分析,研究了激光冲击前后AZ31B镁合金表面形貌和物相的变化规律。与未冲击(NP)试样相比,两种冲击方式均增大了AZ31B镁合金的表面粗糙度。无吸收层的激光冲击强化(LSPwC)增大更明显,LSPwC试样表面的Ra值是有吸收层的激光冲击强化(LSP)试样的Ra值的2.44倍。LSPwC试样局部形成了一些烧蚀坑,试样表面氧元素含量明显上升。X射线衍射分析发现冲击后试样出现了第二相固溶,局部放大图表明LSPwC表面产生了氧化物。(2)通过对激光冲击前后(NP、LSP、LSPwC)试样表层及深度方向上微观组织观察和残余应力分析,研究了激光冲击前后AZ31B镁合金表层及深度方向上微观组织及力学性能的变化规律。研究结果表明,NP试样晶粒尺寸呈现出一种大小不一的状态,LSP和LSPwC试样表层及深度方向上晶粒均细化,LSPwC对晶粒的细化作用明显强于LSP。残余应力测试表明,在材料表面LSP试样表现为较大的残余压应力,均值为-51.7MPa,LSPwC试样表现为残余拉应力,均值为4 MPa。深度方向上随着深度的增加,两种冲击后试样内部的残余压应力均先增大后减小,总体上看LSPwC产生的残余压应力更大,残余压应力层更深。(3)在0.9 wt.%的Na Cl溶液中进行了电化学腐蚀试验,根据上述研究中表面形貌、微观组织和残余应力的分析结果,研究了激光冲击前后(NP、LSP、LSPwC)AZ31B镁合金抗电化学腐蚀性能的变化规律。极化曲线分析结果显示,NP、LSP、LSPwC试样的腐蚀电流密度分别为1.902μA/cm~2、3.005μA/cm~2、1.787μA/cm~2。即相对于NP试样而言,LSPwC能够有效改善AZ31B镁合金的抗电化学腐蚀性能。LSP材料的抗电化学腐蚀性能反而减弱。电化学阻抗谱和拟合电路的更精确分析,以及对腐蚀后试样宏观形貌的观察均得出与上述一致的结论。(4)通过细胞相容性实验,研究了激光冲击前后AZ31B镁合金细胞相容性的变化,并分析了改变的机理。研究结果表明:在长时间培养下,LSP和LSPwC后的材料都能够促进细胞的生长繁殖,其中LSPwC对细胞存活率提升最明显。7天后,NP试样、LSP试样和LSPwC试样组的细胞存活率分别为84.7%、122.6%和144.58%。NP、LSP和LSPwC试样表面均出现了富铝腐蚀层,NP试样表面还出现了富磷层,LSP和LSPwC对富铝层的形成具有促进作用。腐蚀降解层和富铝腐蚀层对细胞的生长繁殖具有一定的促进作用,且LSPwC后材料表面有氧化物产生,该氧化物更容易让细胞沾附生长。细胞内外渗透压、腐蚀降解层厚度和氧化物的含量以及富铝腐蚀层多方面综合作用影响冲击后AZ31B镁合金材料的细胞相容性。综上所述,本文系统研究了三种方式(NP/LSP/LSPwC)对AZ31B镁合金的抗腐蚀性及细胞相容性的影响,为镁合金的推广应用提供了可供参考的理论与试验依据。
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