可生物降解Zn-2Ag-0.04Mg合金生物相容性及体内骨再生能力的动物实验研究

目的:采用动物实验的方式,分析可生物降解Zn-2Ag-0.04Mg合金生物相容性及体内骨再生能力。方法:将30只实验兔随机均分为Zn支架组、Zn-2Ag支架组和Zn-2Ag-0.04Mg支架组(每组10只),建立兔股骨缺损模型后,分别使用不同材料的支架固定,术后6周及术后6个月,取出部分大白兔股骨,使用Micro-CT对股骨远端入口周围直径为3 mm的区域进行扫描和三维重建,分析支架体内成骨性能,使用X线观察局部骨缺损愈合情况,并观察股骨组织学情况。结果:入组实验兔实验中未出现异常行为及死亡现象,伤口均愈合良好,无感染及渗出情况出现;二维和三维显微CT结果显示,Zn-2Ag-0.04Mg支架组的新生骨明显多于Zn支架组,Zn-2Ag-0.04Mg合金支架组的骨体积更大(P<0.05);Zn-2Ag-0.04Mg支架组的成骨指数也高于Zn支架组(P<0.05);术后6个月时,Zn-2Ag-0.04Mg组的支架比Zn组或Zn-2Ag组小(P<0.05);肝脏、肾脏和心脏的HE染色未检测到任何异常,证实了Zn-2Ag-0.04Mg合金支架的生物安全性。结论:Zn-2Ag-0.04Mg支架具有良好的生物相容性和体内骨再生能力,具有较好的临床应用前景。

Y、Mg_(3)Zn_(3)Y_(2)对Mg合金的强化作用:第一性原理研究

利用第一性原理研究了Mg-Zn-Zr合金添加Y元素对其力学性能的影响,取Y/Zn摩尔比为0.5,研究了第二相化合物Mg_(3)Zn_(3)Y_(2)对Mg-Zn-Zr-Y合金力学性能的影响。研究结果显示,Mg-Zn-Zr、Mg-Zn-Zr-Y合金分别在应变约为0.19和0.21时,应力达到极大值,Mg-Zn-Zr-Y合金理想抗拉强度明显高于Mg-Zn-Zr合金。态密度和差分电荷密度分析结果显示,Mg-Y键有较强的共价性,导致Mg-Zn-Zr-Y合金的理想抗拉强度得到提高。计算得到Mg_(3)Zn_(3)Y_(2)的杨氏模量E为70.26 GPa,泊松比ν为0.261,柯西压力C_(12)-C_(44)<0,说明Mg_(3)Zn_(3)Y_(2)是脆性的且提高了Mg-Zn-Zr-Y合金的刚度。

基于CAFE模拟Cu-3Ni-0.96Si-0.15Mg合金的铸锭凝固组织演变

采用ProCast软件中CAFE(元胞自动机有限元法)模型模拟计算了Cu-3Ni-0.96Si-0.15Mg铸锭凝固过程中枝晶生长组织演变过程,并将预测的凝固组织与实验微观组织进行了对比,验证了模型的准确性。结果表明,模拟预测的凝固组织与实验基本一致,说明该模型可以很好地模拟实际凝固组织。然后,利用此模型模拟研究了过热度以及形核密度对铸锭凝固组织的影响。结果表明:增大形核率以及适当降低浇注温度可以明显细化晶粒,提高等轴晶区的占比,当过热度为20℃,最大形核密度为1×10^(9)m^(-3)时,铸锭凝固组织几乎为等轴晶组织,其等轴晶区占比达到92.34%。

Al−Cu−Li−Mg合金纳米相之间溶质配分行为的第一性原理研究

采用一性原理计算考察25种合金化元素在大多数商业牌号Al−Cu−Li−Mg合金中主要纳米相(δʹ-Al3Li、θʹ-Al2Cu、T1-Al6Cu4Li3和S-Al2CuMg)之间的溶质配分能和配分行为。计算结果表明,主合金化元素Li不能直接影响θʹ和S相,Cu不能直接影响δʹ相,Mg不能直接影响θʹ和δʹ相,但可以较弱地固溶于T1相。对于微合金化元素,Si是唯一一种可以固溶于4种纳米相的元素。Au能固溶于δʹ、θʹ和S相,Cd能固溶于δʹ、T1和S相,Zr能固溶于δʹ和T1相,Ni仅有微弱的趋势固溶于θʹ和S相。Ti、V、Zn、Ag和Mo只能固溶于δʹ相,而Cr、Mn、Fe和Co对这4种纳米相均没有直接影响。几乎所有的稀土元素均能强烈固溶于T1、δʹ和S相,但无法固溶于θʹ相。仅Sc略显特殊,对S相没有明显的固溶趋势。计算预测的溶质配分能构成了一个原型数据库,有利于指导和加速Al−Li合金及其他相关Al合金的设计。

孔隙和α-Al(Fe/Mn)Si相对高压压铸Al-7Si-0.2Mg合金塑性的影响

采用高压压铸工艺制备两批次不同尺寸的Al-7Si-0.2Mg(质量分数,%)合金,获得显微组织和孔隙非均匀分布的薄壁铸件,并对比研究孔隙和显微组织对铸态合金塑性的影响。结果表明:不同铸件和不同位置样品的伸长率有较大波动(9.7%~17.9%)。当合金存在大面积孔隙时,有效承载面积减小导致由孔隙产生的应力集中使合金伸长率显著降低。当合金只存在小面积孔隙时,塑性变形过程中合金中的α-Al(Fe/Mn)Si相先于共晶硅相发生脆性断裂,α-Al(Fe/Mn)Si相的数量密度对伸长率的波动起主导作用,具有高数量密度α-Al(Fe/Mn)Si相试样的伸长率显著降低。此外,局部较高的冷却速率导致铸件α-Al(Fe/Mn)Si相数量密度的增加。

Al-4.1Cu-1.4Mg合金均匀化退火工艺研究

半连续水冷铸造的Al-4.1Cu-1.4Mg合金出现枝晶偏析。采用光学显微镜、扫描电镜、差热分析等手段研究工业化生产条件下合适的均匀化退火制度。研究结果表明:适宜于工业化生产的均匀化退火制度为(490±5)℃20 h。按该制度均匀化退火后Al-4.1Cu-1.4Mg合金枝晶偏析消除,弥散相分布也趋于均匀,铸造应力下降,加工性能良好。

不同取向下选区激光熔化TA1-AlSi10Mg合金的动态响应行为

本文在分离式Hopkinson压杆装置上系统地进行了动态压缩实验,研究了成形方向对选区激光熔化(SLM) Ti-Al-Si系合金在不同应变率压缩载荷下的动态力学性能和断裂行为的影响。动态压缩试验在样品上进行,样品的成形方向平行(0˚)、对角(45˚)、垂直(90˚)于压缩方向。讨论了合金的初始组织、动态压缩应力–应变响应、冲击吸收功、应变率硬化效应和断裂行为。结果表明:3种取向的样品均具有明显的应变率敏感性,0˚样品具有较好的屈服强度,90˚样品具有较好的冲击吸收功;0˚样品在低于45˚、90˚样品的应变率下发生断裂,三种取向的样品的断口形貌都具有韧性韧窝和光滑表面,表明样品同时存在韧性断裂和脆性断裂。

固溶处理对激光选区熔化AlSi10Mg合金显微组织、拉伸性能和残余应力的影响

利用光学显微镜、场发射扫描电子显微镜、透射电子显微镜、拉伸实验和拉曼光谱仪研究固溶处理对激光选区熔化AlSi10Mg合金的显微组织、拉伸性能和残余应力的影响规律。结果表明:沉积态合金组织细小,强度较高,但存在明显的各向异性和较大的残余拉应力。直接人工时效后,抗拉强度和屈服强度均明显提升,但熔池和共晶硅的形貌与沉积态合金基本相同。固溶处理可以显著改善组织和拉伸性能的各向异性,彻底消除残余拉应力,但导致组织粗化,合金的抗拉强度和屈服强度仅为沉积态的50%左右。在固溶处理的基础上进行人工时效,合金的组织特征、各向异性和残余应力情况无明显变化,抗拉强度和屈服强度分别达到330 MPa和270 MPa,断后伸长率约为10%~11%。人工时效后强度的提升主要得益于GP区的析出。

固溶处理时间对铸造Al-Si-Mg合金低温力学性能的影响

对铸造Al-7Si-0.3Mg合金进行了20℃、-20℃和-60℃的拉伸试验,研究了固溶时间对其力学性能和显微组织的影响,并分析了Si相对断裂行为的影响及其作用机理。结果表明,随着固溶时间的延长,合金在20℃、-20℃和-60℃下屈服强度、抗拉强度和伸长率都呈先增加后降低的趋势,在固溶时间为10 h时取得最大值。随着固溶时间的延长,合金中Si相的尺寸和长宽比有所减小,在固溶时间为10 h时,合金中尺寸较小的Si相主要呈颗粒状,继续延长固溶时间至15 h时,Si相的尺寸和长宽比增加。随着试验温度的降低,Si相附近的滑移带数量呈现逐渐减少的趋势,较低温度下合金断口附近出现了较多的断裂Si相,但是相对而言,固溶时间为10 h的断裂Si相处的裂纹较小,且断口以小解理平面和韧窝为主,韧性相对未固溶时更好。

工艺参数对选区激光熔化成形AlSi10Mg合金缺陷的控制与分析

研究了选区激光熔化(SLM)AlSi10Mg合金工艺参数对组织性能的影响,在不同工艺参数下成形了AlSi10Mg合金试样。结果表明,激光功率350 W是最佳热输入,可以将成形过程中的热毛细对流及表面张力控制在对合金质量最有利的状态。扫描间距为0.09 mm是熔池搭接率最佳的参数,既可以使足够的液相进入重叠区,又可以将重叠区的多次热影响所造成的缺陷降至最低。在激光功率350 W、扫描间距0.09 mm下成形试样的致密度最高(为99.2%),缺陷最少。试样的综合力学性能最好,抗拉强度为495.02 MPa,延伸率为9.675%,显微硬度为135.67 HV。

热处理时间对Al-4.8Cu-1.8Zn-1Ti-0.6Mg合金力学性能和组织的影响

首先对新型Al-4.8Cu-1.8Zn-1Ti-0.6Mg合金进行了不同时间的530℃固溶处理及不同时间的165℃人工时效处理,随后进行不同时间的自然时效处理。采用电子万能试验机和扫描电镜研究了不同工艺处理后合金的力学性能和微观组织。结果表明:新型Al-4.8Cu-1.8Zn-1Ti-0.6Mg合金经530℃固溶处理8 h及165℃人工时效3 h后,其抗拉强度可达387.72 MPa,屈服强度达245.54 MPa,断后伸长率为9.8%;经15、75和135天自然时效后,合金的抗拉强度分别为422.97、390.09和387.72 MPa,断后伸长率分别为5.03%、8.4%和9.8%。可以看出随着自然时效时间增加合金的抗拉强度降低、断后伸长率升高,最终趋于稳定;热处理后合金内存在3种第二相组织,其中亮银色θ(Al_(2)Cu)相在晶界处粗大析出会导致合金的抗拉强度下降,暗灰色Al_(3)Ti相易聚集,聚集后的粗大Al_(3)Ti相会导致合金的变形能力下降。

机械振动对AlSi7Mg合金组织和力学性能的影响

研究了不同机械振动强度下制备出AlSi7Mg合金的凝固组织,随着机械振动的加强,合金的初生相平均尺寸和晶粒改性产生明显变化,初生相平均尺寸呈减小的趋势,相对应的晶粒细化程度逐渐增加。当机械振动强度分别为0、1.5、3.0、4.5和6 mm·Hz时,合金的初生相平均尺寸分别为48.99、47.06、43.75、39.12、28.67μm;合金的抗拉强度分别为158.03、165.25、170.12、176.37、186.29 MPa;屈服强度分别为127.74、132.42、140.57、143.61、147.86 MPa;伸长率分别为2.20%、2.48%、2.71%、3.56%、4.80%。合金的力学性能随机械振动的加强逐渐升高。

扫描策略对激光熔融AlSi10Mg合金制件组织性能的影响

采用单向扫描、双向扫描、交叉扫描和双向单通道层旋90°扫描四种扫描策略与SLM工艺参数:激光功率、扫描速度、扫描间距、铺粉厚度进行正交组合,对AlSi10Mg合金制件的表面形貌、显微硬度、密度和力学性能进行研究。结果表明:孔隙率是降低表面粗糙度的主要原因;采用交叉扫描策略改善了制件的表面质量,使制件显微硬度达到了231.44 HV,但能量密度与显微硬度呈现负相关;扫描策略对密度影响较为显著,高重叠率扫描策略得到的试件密度高于低重叠率扫描策略;相同扫描策略下,制件的力学性能与能量密度呈正相关。极差和方差分析结果显示,激光功率和铺粉厚度是主要的影响因素。扫描策略的加入,成功控制了选择性激光熔融AlSi10Mg合金制件的孔隙率,提高试件的表面质量和力学性能。

Cu-Ti-Ni-Mg合金的热变形行为及热加工图

通过真空熔炼制备了Cu-1Ti-1Ni-0.1Mg合金,采用Gleeble-1500D数控动态-力学模拟试验机,在0.001~10 s^(-1)应变速率和550~950℃变形温度下,对Cu-1Ti-1Ni-0.1Mg合金进行了热变形试验。在流变应力的基础上得到了合金的本构方程,绘制了其热加工图,分析了合金的微观组织演变和析出相类型。结果表明:Cu-1Ti-1Ni-0.1Mg合金的峰值应力随着变形温度的降低和应变速率的增加而增大。变形温度的升高对动态再结晶有促进作用,合金的主要析出相为CuNi2Ti。Cu-1Ti-1Ni-0.1Mg合金的最佳热加工区域为应变速率0.001~0.15 s^(-1),变形温度850~950℃。

选区激光熔化成形AlSi10Mg合金微观组织与力学性能研究

在不同激光能量密度下采用选区激光熔化技术(selective laser melting,SLM)制备了AlSi10Mg合金,分析了SLM成形合金的微观组织、成形缺陷和力学性能。结果显示:SLM成形AlSi10Mg合金时,沿激光扫描方向熔池呈不规则椭圆形,沿成形方向组织呈不规则鱼鳞状分布,相互堆叠。随激光能量密度增大,成形合金的孔隙率减小,致密度增大,拉伸性能更好。当激光能量密度为54 J/mm^(3)时,SLM成形合金的抗拉强度为418.9 MPa,伸长率为20.5%。不同激光能量密度下,拉伸断口形貌均呈现脆性和韧性的混合断裂特征。

Al-Nb-B中间合金对Al-12Si-4Cu-2Ni-1Mg合金组织及性能的影响

采用原位生成法制备了Al-Nb-B中间合金,主要研究了Al-Nb-B中间合金的组织,以及Al-Nb-B中间合金对Al-12Si-4Cu-2Ni-1Mg合金的组织和室温拉伸性能的影响。结果表明,Al-Nb-B中间合金主要含有NbB2、Al3Nb两种颗粒。Al-Nb-B中间合金可以细化Al-12Si-4Cu-2Ni-1Mg合金中的α-Al晶粒,并减小二次枝晶间距,进而提高合金的室温拉伸性能。当Al-Nb-B中间合金添加量为2.5wt%时,α-Al晶粒平均尺寸为128.4μm,二次枝晶间距为11.67μm,相较于基体合金分别减小21.5%和32.3%。随着Al-Nb-B中间合金添加量的增加,Al-Si合金的抗拉强度呈逐渐上升的趋势,当Al-Nb-B中间合金添加量为2.5wt%时,Al-12Si-4Cu-2Ni-1Mg合金的抗拉强度为237 MPa,相较于基体合金增加10.7%。通过断口形貌分析可知,Al-Si合金断裂方式为脆性断裂,断裂机理为解理断裂。

冷轧变形对建筑用Al-Si-Mg合金板材组织与性能的影响

采用金相显微镜、透射电镜、硬度测试、拉伸试验等研究了0~75%不同变形量冷轧的Al-1.2Si-0.5Mg合金的微观组织与力学性能。结果表明:随着冷轧变形量的增加,Al-1.2Si-0.5Mg合金晶粒沿轧制方向被逐渐拉长,析出相尺寸逐渐减小,数量逐渐增加。冷轧变形量达到75%时,合金晶粒被完全破碎。随着冷轧变形量的增加,Al-1.2Si-0.5Mg合金的硬度、强度逐渐提高,塑性逐渐下降。75%冷轧的Al-1.2Si-0.5Mg合金的硬度和强度均达到峰值,其硬度、抗拉强度和屈服强度分别为118.3 HV、336.4 MPa和264.5 MPa,其伸长率为17.1%。

热终轧工艺对Al-4.8Mg合金组织性能的影响

本文采用室温拉伸、弯曲试验、晶间腐蚀试验、光学显微镜、扫描电镜与透射电镜等分析手段,研究了热终轧工艺参数对Al-4.8Mg合金组织性能的影响。研究结果表明:当终轧工艺由低温低速向高温高速转变时,材料力学强度下降,而成形性能与抗晶间腐蚀性能提升;当材料金相组织由纤维状向细小再结晶晶粒转变时,通过扫描电镜观察到第二相特征差别不大,但透射电镜观察到位错密度明显下降。

Al-4.8Mg合金热变形后的静态软化行为研究

本文采用Gleeble热压缩模拟试验与金相检测,研究了Al-4.8Mg合金热变形后的静态软化行为。研究结果表明:Al-4.8Mg合金双道次热压缩过程中,材料经过第一道次热压缩及道次间停留后,第二道次流变应力相比第一道次呈现出阶梯状下降特征;提高第一道次的变形温度、应变速率、应变量及延长道次间隔时间,均可提升道次间静态再结晶程度,促进道次间的静态软化。根据实验结果建立了Al-4.8Mg合金的静态再结晶动力学方程,方程计算值与试验值的平均相对误差仅为3.8%。

流变铸造浆料温度对AlSi7Mg合金组织和性能的影响

采用流变铸造生产了AlSi7Mg铝合金的压铸件,对不同浆料温度的压铸件的微观组织进行了观察,并测试了不同参数生产出的压铸件的力学性能。结果表明,不同浆料温度下汽车用流变压铸AlSi7Mg合金的冷却速度随浆料温度的升高而逐渐增大;合金的晶粒平均尺寸随浆料温度的降低而逐渐变大;合金的抗拉强度随浆料温度的升高先升高后降低;合金的断后伸长率随着浆料温度的降低而增加。在浆料温度600℃时,汽车用流变压铸AlSi7Mg合金的力学性能最佳。