Mg-Zn-Ca合金的体外降解行为

背景:鉴于人体复杂的生理环境,目前降解实验中使用的模拟生理体液种类繁多,因此分析Mg-Zn-Ca合金在不同模拟体液中的降解行为具有重要意义。目的:研究Mg-Zn-Ca合金在不同模拟体液中的降解过程和性能变化,明确Ca含量和模拟体液种类对合金的影响。方法:采用熔融挤压成型工艺制备含钙质量分数分别为0.2%,0.5%,1%的Mg-Zn-Ca合金,依次命名为Mg-Zn-0.2Ca、Mg-Zn-0.5Ca、Mg-Zn-1Ca合金,以Mg-Zn合金作为对照。将每种合金分别置于3种模拟体液(生理盐水、PBS和Hank’s液)中,对合金降解过程中的形貌、成分变化、质量损失、pH值及力学性能等进行表征分析。结果与结论:①随着降解时间的延长,4种合金表面生成了大量的纳米级片层和柱状结构,主要成分是MgO和Mg(OH)2,4种合金在生理盐水中的降解速度最快,在Hank’s液中的降解速率最慢,在生理盐水中的降解速率快慢为:Mg-Zn<Mg-Zn-0.2Ca<Mg-Zn-0.5Ca<Mg-Zn-1Ca,在PBS和Hank’s液中的降解速率快慢为:Mg-Zn<Mg-Zn-0.2Ca≈Mg-Zn-0.5Ca<Mg-Zn-1Ca;②随着降解时间的延长,4种合金都有一定的质量损失,其中在生理盐水中降解最快,在Hank’s液和PBS中降解缓慢,并且在相同模拟体液中,随着合金中钙含量的增加,合金的腐蚀速率明显加快;③4种合金降解环境pH值的上升主要集中在1 d内,之后趋缓,在PBS中的pH值上升幅度较其他两种模拟体液大,并且在相同模拟体液中,随着合金中钙含量的增加,降解环境pH值上升显著;④在初始状态下,各Mg-Zn-Ca合金的弹性模量均高于Mg-Zn合金;置于模拟体液中后,随着降解时间的延长,4种合金的弹性模量均有所降低,其中在生理盐水中降低最明显;⑤结果显示,Ca加入改善了Mg-Zn合金的力学性能,少量Ca不会加快合金的降解速率,但过量Ca加快了合金的降解速率,降解过程中生理盐水模拟体液对合金力学强度的影响最显著。

MgF_(2)涂层对Mg-Zn-Ca合金在模拟体液中应力腐蚀开裂行为的影响

采用慢应变拉伸测试方法对Mg-3wt.%Zn-0.2wt.%Ca(质量分数)(MZC)合金和氟化镁(MgF_(2))涂层Mg-3wt.%Zn-0.2wt.%Ca合金(MZC-MF)的应力腐蚀开裂行为进行研究。结果表明,MgF_(2)涂层可以显著提高MZC合金在模拟体液(SBF)中的耐腐蚀性并延长其断裂失效时间。MgF_(2)涂层明显降低MZC合金在SBF中的应力腐蚀敏感性,应力腐蚀开裂敏感性指数(Iscc)分别降低21%(UTS),22%(tf),23%(δ),7%(φ)和15%(A)。

Cu含量对Mg-Zn-Ca合金组织和性能的影响

为了开发适合生物医学应用的可降解镁合金,采用真空铜模铸造法制备了直径为6 mm的Mg_(66)Zn_(30-x)Ca_(4)Cu_(x)(x=0,0.5,1.0,1.5,2.0)系列梯度合金。采用X射线衍射仪(XRD)、(DSC)、扫描电镜(SEM)分别对样品的相结构、热稳定性和形貌进行了表征;同时,采用万能拉伸试验机和电化学工作站分别对样品的压缩性能和耐腐蚀性能进行了测试。结果表明:直径为6 mm的棒状样品的表面为非晶态,内部为晶态;随着Cu含量的增加压缩断裂强度逐渐提高,耐腐蚀性能逐渐降低。

冷却速率对Mg-Zn-Ca合金显微组织、力学性能及腐蚀性能的影响(英文)

采用铜模喷铸法制备直径为1.5、2和3mm的Mg69Zn27Ca4合金。采用X射线衍射(XRD)、力学性能实验及电化学实验研究冷却速率对合金的显微组织、力学性能及腐蚀性能的影响。结果表明:当直径为1.5mm时,合金为完全非晶态;随着冷却速率的下降,合金中出现韧性的α-Mg和Mg-Zn相,使得3mm直径样品的压缩应变量达到3.1%,优于1.5mm非晶合金的1.3%。此外,制备的Mg-Zn-Ca合金在模拟海水中的抗腐蚀性能远好于传统的ZK60镁合金。

Mg-Zn-Ca合金的非晶形成能力及力学性能

利用铜模铸造制备直径为1~4 mm的Mg72-xZn28Cax（x=1~6）合金,采用XRD、DSC、SEM和力学性能试验机分别对合金的非晶形成能力、相组成、断口形貌和力学性能进行研究。结果表明：在x为3、4和5时,Mg72-xZn28Cax合金的非晶形成能力（以直径表示）分别为2、3和2 mm;而当x为1、2和6时,Mg72-xZn28Cax合金的非晶形成能力低于直径为2 mm的;当x为3和5时,直径为2 mm的非晶态合金的屈服强度分别为591 MPa和662 MPa,塑性变形量分别为0.5%和0.2%;直径为3、2和1 mm的Mg68Zn28Ca4非晶合金的屈服强度分别为540、611和610 MPa,塑性变形量分别为0.48%、1.28%和6.2%,Mg68Zn28Ca4非晶合金是目前所报道的塑性变形量最大的镁基非晶合金;单位剪切面上弹性能的减少及其分布均匀性的改善是样品尺寸减小促使塑性应变量提高的主要原因。

Cu对Mg-Zn-Ca合金非晶形成能力与力学性能的影响

采用铜模铸造制备直径为3mm的Mg70-xZn25Ca5Cux(x=1,2,3.5,5)系列合金。分别采用扫描电镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)、力学性能试验装置研究合金的显微组织、相组成和铸态样品的压缩性能,并对断口形貌进行分析。结果表明:Mg69Zn25Ca5Cu1可以形成直径为3mm的非晶合金,其强度和塑性应变分别为690MPa和1.7%。与Mg-Zn-Ca合金相比,其非晶形成能力和塑性应变均有提高。同时这也是目前在直径大于2mm的Mg基非晶合金中所发现的最大塑性应变量。

Mg-Zn-Ca合金在Hank’s模拟体液中的腐蚀行为研究

采用溶剂保护法制备了Ca的质量分数分别为1%,2%和3%的Mg-Zn(w(Zn)=6%)-Ca合金,通过腐蚀浸泡实验腐蚀率的测定和电化学测试等方法对3种镁合金在Hank’s模拟体液中的腐蚀行为进行了研究.实验结果表明,在Hank’s模拟体液中,Ca的质量分数为1%的Mg-Zn(w(Zn)=6%)-Ca合金腐蚀速率最小;电化学测试结果显示,Ca的质量分数为1%的Mg-Zn(w(Zn)=6%)-Ca合金极化电阻最大且极化电流密度最小,说明Ca的质量分数为1%的Mg-Zn(w(Zn)=6%)-Ca合金表现出了良好的抗腐蚀性能.

Mg-Zn-Ca合金的性能及降解速率控制

以经过铸造和热挤压的Mg-Zn-Ca合金为研究对象,利用光学显微镜、万能试验机对合金的微观组织以及机械性能进行了分析测试.采用仿生法在该合金表面形成了羟基磷灰石(HA)涂层.利用X射线衍射仪和扫描电子显微镜对涂层结构和形貌进行分析与观察,并对有、无涂层试样进行腐蚀实验研究.结果表明:采用铸造和热挤压技术制备的Mg-Zn-Ca合金抗拉强度和抗压强度与人骨接近,分别为365 MPa和338 MPa;屈服强度为360 MPa,延伸率为10.25%,弹性模量为41.69 GPa.HA涂层能一定程度上降低合金试样的降解速率.

医用Mg-Zn-Ca合金的腐蚀规律

采用熔剂保护法制备了3种钙质量分数分别为0.5%,1%和2%的Mg-6%Zn-x%Ca合金,对3种镁合金在Hank’s模拟体液中进行了浸泡腐蚀试验及电化学试验。浸泡失重试验结果表明,在Hank’s模拟体液中,钙质量分数为0.5%的Mg-Zn-Ca合金腐蚀速率最小;电化学测试结果显示,钙的质量分数为0.5%的镁合金容抗弧最大且自腐蚀电阻、自腐蚀电位最高,自腐蚀电流密度最小,说明钙的质量分数为0.5%的镁合金具有良好的抗腐蚀性能。

Sr对Mg-Zn-Ca合金显微组织和力学性能的影响

研究了元素Sr对铸态和固溶处理态Mg-Zn-Ca合金显微组织和力学性能的影响。结果表明,Sr在一定程度上可以细化合金的铸态和固溶态组织,提升合金的室温和150℃的拉伸力学性能。Mg-Zn-Ca合金适宜的Sr添加量为0.8%,该成分下适宜的时效制度为200℃×4 h。

添加Al、Sn元素对Mg-Zn-Ca合金组织和力学性能的影响

以Mg-Zn-Ca合金为基体,同时添加1wt%Al-(0.5,1,1.5)wt%Sn元素,研究Al、Sn元素对铸造Mg-Zn-Ca合金组织和力学性能的影响。对合金进行了金相(OM)、扫描电镜(SEM)、X射线衍射(XRD)等分析,发现添加Al、Sn元素会细化基体的晶粒,而且会生成雪花状、条状和块状的新相,同时会提高铸造Mg-Zn-Ca合金的力学性能。在添加1wt%Al+1.5wt%Sn时,合金抗拉强度和断后伸长率分别由未添加Al、Sn的151MPa和2.0%提高到188MPa和3.7%。

Mg-Zn-Ca合金中Zn对腐蚀性能的影响

采用熔剂保护法制备了3种Zn含量分别为0.5%,1%和2%的Mg-Zn-Ca合金,其在Hank’s模拟体液中进行了浸泡腐蚀实验及电化学实验测试.实验结果表明:在Hank’s模拟体液中,含锌量为0.5%镁合金腐蚀速率最小且自腐蚀电位最高;三种成分镁合金的交流阻抗谱以含锌量为0.5%镁合金的容抗弧最大,说明含锌量为0.5%的镁合金耐腐蚀性能最佳.

近共晶Mg-Zn-Ca合金非晶形成能力和腐蚀性能研究

为解决镁合金作为生物医用材料降解过快的问题.通过相图计算软件Pandat计算了Mg-Zn-Ca三元合金相图,采用熔体旋淬法制备了Mg-Zn-Ca三元合金非晶带材.利用X-射线衍射仪、透射电子显微镜和差示扫描量热仪表征了合金的非晶形成能力,通过电化学方法测试了合金的腐蚀行为.从热力学和动力学角度讨论了合金成分对非晶形成能力的影响.研究结果表明:最低共晶温度点合金的化学成分为Mg_(58)Zn_(33)Ca_9,化学成分位于相图计算深共晶点左侧的Mg_(60)Zn_(33)Ca_7合金是所研究的三个合金中液相稳定性最高和抗结晶能力最强的合金,具有最高的非晶形成能力.通过电化学腐蚀测试Mg-Zn-Ca合金的自腐蚀电流密度随着Ca含量的增加而减小,表明Mg_(57)Zn_(33)Ca_(10)合金的耐蚀性较好.

添加Nd对Mg-Zn-Ca合金非晶形成能力和耐蚀性的影响

采用真空铜模喷铸法制备了直径为2 mm的Mg68-xZn28Ca4Ndx(x=0,0.5,1,1.5)合金,研究了Nd添加量对合金的非晶形成能力以及耐腐蚀性能的影响。利用SEM、EDS能谱分析了模拟体液中浸泡不同时间后非晶合金的显微组织与成分,利用XRD和DSC分析了合金的相组成和非晶形成能力,利用电化学工作站对合金在模拟体液中的电化学性能进行了测试。结果表明,随着Nd添加量的增加,合金的非晶形成能力下降,当Nd元素的添加量为1.0%和1.5%时,α-Mg相在非晶基体上析出,试样由纯非晶结构转变为晶体和非晶的复合结构。Mg67.5Zn28Ca4Nd0.5非晶试样展现了最好的抗腐蚀性能。

Mg-Zn-Mn合金和Mg-Zn-Ca合金的组织及耐蚀性比较

研究了Mg-1.5Zn-xCa(x=0.5,1.0)合金和Mg-1.5Zn-xMn(x=0.5,1.0)合金在Hank's模拟体液中浸泡腐蚀32 d的腐蚀规律,并对上述两种合金的形貌进行分析。结果表明:Mg-1.5Zn-xMn(x=0.5、1.0)合金的显微组织由Mg-Zn、α-Mn和α-Mg相组成;Mg-1.5Zn-xCa(x=0.5、1.0)合金的显微组织由α-Mg、Mg-Zn、Mg_2Ca相组成。在Hank’s模拟体液中浸泡32d,Mg-1.5Zn-xCa(x=0.5、1.0)合金比Mg-1.5Zn-xMn(x=0.5、1.0)合金的表面腐蚀面积大,程度深。Mg-1.5Zn-xMn(x=0.5、1.0)合金比Mg-1.5Zn-xCa(x=0.5、1.0)合金的容抗弧半径大,腐蚀电位高,腐蚀电流密度小,因此Mg-1.5Zn-xMn(x=0.5、1.0)合金的耐蚀性能更好。

不同锌合金镀层的制备及其耐腐蚀与机械性能研究

利用电沉积方法在铜基体上分别制备Zn-Ni合金镀层、Zn-Co合金镀层、Zn-Ni-P合金镀层和Zn-Ni-W合金镀层,并研究不同锌合金镀层的微观形貌、晶相结构、结合强度、耐腐蚀性能、硬度、韧性与耐磨性能。结果表明:不同锌合金镀层完全覆盖铜基体,并且结合强度高,但它们的形貌特征及物相有所不同,耐腐蚀与机械性能也存在差异。Zn-Co合金镀层的晶粒呈团簇颗粒状,堆积紧密;Zn-Ni-P合金镀层的晶粒呈细小块状,堆积紧密;Zn-Ni-W合金镀层的晶粒呈花蕊状,以缠绕形式紧密结合。它们的致密性和耐腐蚀性能明显好于Zn-Ni合金镀层,硬度较Zn-Ni合金镀层分别提高约68 HV、62 HV、109 HV,磨损体积较Zn-Ni合金镀层分别降低约65%、40%、42%。Zn-Ni-P合金镀层的耐腐蚀性能最好,具有最高的电荷转移电阻4.04×103Ω·cm2和低频阻抗模值1.10×104Ω·cm2,而Zn-Ni-W合金镀层具有高硬度(421.8 HV),还表现出良好的韧性与耐磨性能。

(Ti_(60)Cr_(30)Nb_(10))_(100-x)Al_(x)轻质中熵合金的力学与腐蚀性能

研究轻质(Ti_(60)Cr_(30)Nb_(10))_(100-x)Al_(x)(x=0,5,7.5,10,摩尔分数,%)中熵合金在铸态和均匀化态下的显微组织、力学性能和腐蚀行为。结果表明,随着Al含量从0增加到10%(摩尔分数),铸态合金均由相同的相组成,即体心立方(BCC)相和少量TiCr2型Laves相组成。均匀化后,所有合金均由单相BCC组成。此外,(Ti_(60)Cr_(30)Nb_(10))_(95)A_(l5)中熵合金表现出在铸态和均匀态条件下最优异的力学性能,屈服强度分别约为1048 MPa和1017 MPa,同时保持超50%压缩应变。与TC4和铸态(Ti_(60)Cr_(30)Nb_(10))_(95)A_(l5)合金相比,均匀态(Ti_(60)Cr_(30)Nb_(10))_(95)A_(l5)合金表现出更优异的耐腐蚀性能,这主要归因于均匀的显微组织与化学成分。

铜基偏晶合金的研究现状

铜基偏晶合金(Cu-Co、Cu-Fe、Cu-Cr等)具有优异的电、磁、力学等特性,受到国内外材料科学领域学者的广泛关注。在制备过程中,铜基偏晶合金由于发生液相分离行为并形成严重的偏析组织现象,被称为不混溶合金。过去的研究主要集中于寻求使铜基偏晶合金组织均匀的制备方法,然而近期研究表明,偏析组织异质结构的强度-韧性协同作用有利于提高材料的韧性,这为铜基偏晶合金的进一步发展提供了新思路。本文综述了目前国内外对铜基偏晶合金的液相分离和偏析组织形成机理的理论研究成果(包括液相分离组织结构演变、液相分离热力学以及第二相液滴形核生长动力学研究),归纳了目前主流的改善偏析组织方法(包括微合金化法、快速凝固法和激光成形法),阐述了铜基偏晶合金因液相分离特性产生的双相复合微观组织结构的强度-韧性协同作用,最后对铜基偏晶合金未来的研究发展方向进行了展望。

TiC对Fe_(55)Nb_(15)Ti_(15)Ta_(15)合金非晶形成能力、微观组织及热稳定性的影响

铁基非晶合金存在非晶形成能力低、室温塑性差等问题,极大地限制了其在工程中的应用。基于“近混合焓+有效原子尺寸差”非晶合金成分设计理念设计了Fe_(55)Nb_(15)Ti_(15)Ta_(15)全金属组元粉末,采用机械合金化球磨工艺成功制备出非晶态合金粉末,并研究了TiC陶瓷粉末的加入对Fe_(55)Nb_(15)Ti_(15)Ta_(15)合金粉末非晶形成能力、微观形貌和热稳定性的影响。结果表明:Fe_(55)Nb_(15)Ti_(15)Ta_(15)合金粉末具有较好的非晶形成能力和热稳定性,TiC陶瓷粉末均匀稳定的分布于Fe_(55)Nb_(15)Ti_(15)Ta_(15)非晶合金粉末中。添加质量分数15%TiC陶瓷粉末延缓了球磨过程中Fe_(55)Nb_(15)Ti_(15)Ta_(15)合金粉末的合金化和非晶化进程,降低了热稳定性,使得球磨后粉末粒度变小,分布范围变宽。该项工艺可制备出具有较大室温塑性的大块铁基非晶合金原始粉末。

Al-Mg系合金中合金化元素作用及其对力学性能的影响

铝镁合金是轻量化材料应用领域中一种重要的金属材料,属于中高强度铝合金,具有较高的塑性、良好的耐蚀性以及优良的焊接性等优势,目前在航空航天、交通运输和军工制造等领域具有广阔的应用前景。笔者综述了铝镁合金力学性能特点以及用途,介绍了Al-Mg系合金中的强化机制,重点阐述了Al-Mg系合金中主合金化元素Mg及其含量对合金微观组织和力学性能的影响规律及机理,详细论述了Mn、Zr、Ti、Sc、Er、Y等微合金化元素的作用以及对Al-Mg系合金微观组织和力学性能的影响规律。最后,结合Al-Mg系合金当前研究现状,提出了今后值得研究的方向。