搅拌时间及Zr添加量对WE43合金微观组织的影响

研究了WE43合金中Zr添加量（1．8％～3．6％）和搅拌时间变化对合金微观组织的影响规律，试验结果表明：与未加Zr合金相比，当Zr添加量为1．8％时，晶粒度降低显著。随锆含量增加，晶粒度继续降低，当加入的Zr为3．6％时，晶粒尺寸最小；WE43合金随搅拌时间增加，晶粒度显著降低，当搅拌时间为15～25min时，合金的晶粒度最低；继续增加搅拌时间，晶粒度变化不明显；随锆含量增加，锆含量在晶粒内部的固溶度没有明显变化，而在晶界处显著升高，在晶界处存在含有Mg-Y、Mg-Nd的稀土相，随Zr含量增加，这些相变得细小弥散；这是因为适量的添加Zr，可增加异质形核质点数量，从而细化WE43合金的组织。

热处理对WE43合金组织及力学性能的影响

本文采用覆盖剂法制备了WE43稀土镁合金,并对其进行了热处理。采用SEM、EPMA和XRD研究铸态、T4和T6态显微组织演变和力学性能变化。结果表明,铸态合金主要由Mg24Y5,Mg12Nd,Mg17La2,Mg17Ce2相组成,经T6热处理后,合金的第二相均匀弥散分布,组织明显得到改善,合金的力学性能得到提高,断口具有准解理和韧性断裂混合特征,其中延伸率室温达到5.57%,在250℃下,可达到13.5%,塑性成形能力好,易于支架材料的生产加工,而且弹性模量约42.6 GPa,接近人体骨的模量,满足支架材料的生物力学相容性。因此WE43合金的T6态可成为生物可降解支架基体材料。

不同加载路径下挤压WE43镁合金的高速冲击力学响应及本构模型

利用分离式霍普金森压杆和多种显微表征方法,研究了不同热处理状态和加载路径下挤压WE43镁合金的室温动态力学响应行为。结果表明挤压WE43镁合金的各向异性较弱,其真应力-真应变曲线都为“C”形,屈服强度和极限强度都具有正的应变速率敏感性。不同热处理状态和加载路径下,挤压WE43镁合金都产生了较多的形变孪晶,同时伴有少量的孪晶交叉。孪晶虽然对热处理状态和加载路径都不敏感,但能够促进胞状位错亚结构的形成。当加载应变速率增至4120 s^(-1)时,在绝热温升及其诱导的动态回复作用下,孪晶密度反而降低。孪生和非基面滑移相协调是室温下挤压WE43镁合金的主导变形机制。基于经典J-C本构,采用应变和应变速率的多项式函数对应变硬化项和应变速率硬化项进行修正,构建了不同热处理状态和加载路径下挤压WE43镁合金的力学本构模型。拟合结果与实验的偏差均在±10%以内,相关系数R和平均相对误差AARE分别为0.952和3.28%。

偏析缺陷等级对WE43A镁合金力学性能及耐蚀性能的影响

通过金相显微镜和扫描电子显微镜观察、室温拉伸测试、四点弯曲疲劳测试及电化学测试等方法,研究了不同偏析等级对WE43A镁合金力学性能及耐腐蚀性能的影响。结果表明,偏析组织主要以连续网格状Mg_(41)Nd_(5)相和较小颗粒状Mg_(24)Y_(5)相组成,且偏析主要分布在晶界位置。当偏析等级不大于PX4级时,WE43A镁合金的抗拉强度和塑性指标小幅度下降;当偏析等级大于PX4级时,其抗拉强度和塑性指标开始显著下降,抗拉强度、延伸率、断面收缩率分别最大下降约48%、81%、89%。偏析缺陷对WE43A镁合金的屈服强度和弹性模量影响不明显。疲劳寿命(lg)和疲劳极限最大下降比例约为33%和39%。随着偏析缺陷等级的增加,WE43A镁合金腐蚀电位从-1.573 V正移至-1.432 V,腐蚀电流密度从2.090×10^(-5)A/cm^(2)增加至2.467×10^(-3)A/cm^(2),其数量级跨度为2。WE43A镁合金在3.5ω%NaCl溶液中的腐蚀产物主要为MgO和MgCl_(2)。

高速冲击载荷下WE43镁合金的动态力学响应行为

采用分离式霍普金森压杆和多种显微表征方法研究了两种固溶温度下挤压WE43镁合金的室温动态力学响应行为,应变速率为2580~4120 s^(-1)。结果表明,在高速冲击载荷下,形变孪晶具有较强的正应变速率敏感性,以致流变应力随应变速率的增加而增加。形变孪晶在变形中前期随应变的增加迅速增殖,使得其应变硬化率在应变为0.03~0.10时呈“驼峰”状。基面滑移和孪生相协调是高速冲击载荷下挤压态WE43镁合金的主导塑性变形机制。采用多项式修正了原始J-C本构模型,构建了能够准确描述挤压态WE43镁合金动态力学响应行为的本构模型。本构拟合结果与实验结果的偏差在±10%以内,其相关系数R和平均绝对相对误差e AARE分别为0.962和3.21%。

热等静压对低压铸造WE43镁合金组织和室温及高温力学性能的影响

采用低压金属型铸造方法制备了WE43(Mg-4.1Y-2.3Nd-1.5Gd-0.5Zr)镁合金,对其进行了热等静压处理。利用光学显微镜、扫描电镜、能谱仪和拉伸试验等分析了合金的显微组织和室温及高温下的力学性能,研究了热等静压对低压铸造WE43镁合金组织和力学性能的影响。结果表明:低压铸造得到的WE43合金晶粒细小,时效态合金的屈服强度为(197.7±1.2)MPa、抗拉强度为(287.0±12.0)MPa、断后伸长率为(6.7±3.1)%。热等静压显著提高了合金的抗拉强度与塑性,经过热等静压之后,时效态合金的屈服强度为(199.0±2.0)MPa、抗拉强度为(306.7±7.8)MPa、断后伸长率为(8.0±1.7)%。由低压铸造-热等静压工艺制备的WE43合金在室温至250℃范围内表现出优异的力学性能,其原因是合金具有细小的晶粒组织以及消除了缩松缩孔。

热挤压WE43镁合金的高温断裂行为研究

采用Gleeble-3800热模拟试验机在350℃以0.001 s^(-1)、0.01 s^(-1)、0.1 s^(-1)和1 s^(-1)的应变速率对热挤压WE43镁合金进行了拉伸试验随后氩气淬火。拉伸试验后采用光学显微镜和扫描电子显微镜检测了试样的显微组织和断口形貌。结果表明:WE43镁合金在350℃已发生再结晶,以这四种应变速率拉伸试验的WE43合金的真应力-真应变曲线均为典型的动态再结晶曲线;以0.01~1 s^(-1)的应变速率拉伸试验的WE43合金的流变应力对应变速率变化不敏感,而以0.001~0.01 s^(-1)的应变速率拉伸试验的WE43合金的流变应力对应变速率的变化较敏感;以0.01 s^(-1)的应变速率拉伸试验时WE43合金的塑性最好,应变达0.385;以1 s^(-1)的应变速率拉伸试验时试样为准解理断裂,而以0.001~1 s^(-1)的应变速率拉伸试验时试样为韧性断裂;第二相粒子对WE43镁合金的高温断裂行为有显著影响。

消除WE43A镁合金流线型偏析的工艺方法

WE43A镁合金机匣类铸件的结构特点是整体壁厚薄,壁厚差大,另外因WE43A镁合金中含Zr元素,在铸造成形过程中易出现偏析缺陷,而流线型偏析是镁合金偏析中比较典型的偏析种类。解决流线型偏析的方法与冷隔类似,分别对调整产品浇注温度、铸型表面增设网格、调整浇注系统3种方案进行了生产验证,最终消除该缺陷,产品合格率由38.9%提升至81.2%。

WE43镁合金电子束焊接温度场的数值模拟研究

通过分析焊接温度场数据,相关工作人员可以及时了解焊接温度分布状态。研究人员基于WE43镁合金电子束焊接模型,对焊接温度场进行网格划分并建立热源模型,在使用SYSWELD元件对WE43镁合金电子束焊接时,还需要对温度场数据变化情况进行模拟。此外,研究人员基于温度场云图,总结WE43镁合金焊接过程中金属板材温度分布变化的特点,并对焊接工艺参数进行优化,以期提高电子束焊接水平。

WE43镁合金的血液相容性和对骨髓间充质干细胞增殖及成骨分化的影响

目的初步探讨WE43镁合金生物材料血液相容性和对SD大鼠骨髓间充质干细胞的细胞增殖及成骨分化的影响。方法溶血率实验、动态凝血时间实验和血小板黏附实验评价WE43镁合金的血液相容性。显微镜观察BMSCs细胞形态,流式细胞仪鉴定细胞。分别采用培养基、WE43镁合金浸提液、TC4钛合金浸提液培养细胞,CCK-8检测细胞增殖情况。采用成骨诱导液、WE43镁合金浸提液+成骨诱导液、TC4钛合金浸提液+成骨诱导液培养细胞,qRT-PCR检测成骨相关基因骨钙素(OCN)、Ⅰ型胶原(COL-Ⅰ)的mRNA表达;茜素红染色检测成骨矿化能力。结果WE43镁合金和TC4钛合金的溶血率均小于5%,符合医用材料溶血率要求,不会产生溶血作用。与TC4钛合金相比,WE43镁合金的溶血率和动态凝血时间并没有明显差异(P>0.05),但WE43镁合金表面黏附的血小板更少且变形程度轻,具有更好的抑制血小板聚集和变形的能力,血液相容性更优。镜下观BMSCs呈纤维状,FCM检测P3-P4代BMSCs膜表面抗原高表达CD29(99.3%)、CD90(99.87%),低表达CD45(1.93%),符合SD大鼠BMSCs的特点。细胞增殖实验中,与空白对照组相比WE43镁合金处理组和TC4钛合金处理组均促进了细胞增殖,且WE43镁合金组的细胞增殖率高于TC4钛合金组(P<0.05)。细胞成骨诱导后,WE43镁合金组OCN、COL-I的mRNA表达高于TC4钛合金(P<0.05),且WE43镁合金组的茜素红染色较TC4钛合金更为明显。结论WE43镁合金有着较好的血液相容性,可以促进BMSCs的细胞增殖和成骨分化。

WE43/Zn/1060异种金属搅拌摩擦焊接头组织及性能研究

Mg/Al异种合金搅拌摩擦焊(friction stir welding,FSW)存在相容性差、接头易形成脆性金属间化合物等问题,Zn作为中间层对改善接头中脆性金属间化合物的成分及含量有重要影响。以WE43稀土镁合金和1060铝合金为研究对象,选焊接进给速度为50 mm/min、转速为1050 r/min、Zn夹层厚度为0.05 mm,进行异种合金搅拌摩擦焊试验。用X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、能谱分析(EDS)、硬度及拉伸测试等对焊接后接头的显微组织和力学性能进行研究。结果表明:添加Zn后焊缝表面无宏观变形、裂纹等缺陷;接头形成细小的Mg-Zn脆性金属间化合物Al_(5)Mg_(11)Zn_(4)、Mg-Zn,代替了无Zn接头中的Mg-Al脆性金属间化合物Al_(3)Mg_(2)、Al_(12)Mg_(17),减少了Mg-Al脆性金属间化合物的生成,从而改善接头中脆性金属间化合物(IMC)的种类与数量,添加Zn的FSW接头静载拉伸断口为脆-韧混合断裂,代替了无Zn接头的脆性断裂。因此,Zn为中间层可减少接头脆性金属间化合物的产生,提高接头的伸长率、抗拉强度等。

搅拌摩擦加工对WE43合金组织与性能的影响

采用搅拌摩擦加工工艺制备了WE43稀土镁合金,研究了旋转速度和行走速度对WE43合金显微组织和力学性能的影响,探讨了组织转变规律及其作用机理。结果表明:搅拌摩擦加工处理的WE43合金主要由α-Mg、Mg24Y5和Mg41Nd5相组成;WE43合金的最佳搅拌摩擦加工工艺为旋转速度800 r/min、行走速度60 mm/min;搅拌摩擦加工可以起到细化晶粒、破碎粗大第二相和提高合金强塑性的作用,其强化机制主要为:固溶强化、细晶强化和第二相强化。

生物可降解医用WE43合金流变行为及热加工图

采用Gleeble1500D热模拟试验机,在变形温度为350~500℃,应变速率为0.001~1s^(-1),最终应变量为60%的条件下,对可降解生物医用镁合金WE43的流变行为进行研究,并建立该合金的热加工图。结果表明:该合金的流变应力随着变形温度的升高和应变速率的减小而降低;同时,利用双曲正弦模型获得该镁合金的热激活能及其应力指数,并建立该合金的流变应力本构关系。在热加工图中,功率耗散因子η随着应变速率的减小和变形温度的增加而先增后减。并得到该合金的最佳加工区间为温度400~450℃,应变速率为0.003~0.02s^(-1)。

均匀化退火对WE43镁合金铸坯组织和性能的影响

为改善铸态WE43镁合金的成形加工性能,对钢模铸坯试样进行了均匀化退火处理,通过组织观察和维氏硬度测试,分析了不同均匀化退火温度和时间对合金组织和显微硬度的影响。通过拉伸试验测定了其退火后的力学性能,并用SEM观察了断口形貌。结果表明,最优的均匀化退火制度为440℃×18h;在该工艺下均匀化退火后,合金表现出了较好的塑性。

固溶处理对挤压WE43镁合金的影响

为了改善WE43镁合金的室温塑性,提高其利用价值,研究了不同固溶处理方法对WE43镁合金挤压件力学性能和微观组织的影响.结果表明:固溶处理对WE43镁合金挤压件的抗拉强度影响不大,但能够大幅度提高其室温的伸长率和断面收缩率,从而使WE43镁合金具有优良的综合力学性能.当固溶温度为525℃、固溶时间为8 h时,全部的Mg-Y-Nd稀土相和大部分的Mg12Nd溶解到Mg基体中,剩余少量的Mg12Nd转变为细小的颗粒状,均匀分布在晶界处,此时挤压件的抗拉强度为223 MPa,室温伸长率达到峰值29.2%.

WE43合金中第二相对腐蚀降解性能的影响

采用显微组织观察、EDS分析、失重实验和电化学测试研究了固溶和固溶-时效WE43合金的腐蚀性能。结果表明,通过热处理改变基体中第二相,可得到不同腐蚀性能,固溶-时效试样经0和6 h浸泡后的腐蚀速率高于固溶处理试样的腐蚀速率,然而在浸泡24h后腐蚀速率低于固溶处理试样。镁合金在腐蚀过程中,腐蚀速率先减小后增大。通过建立数学模型解释第二相对腐蚀性能的影响,以及腐蚀速率随时间改变的原因。

WE43镁合金在大鼠体内的降解规律及其元素分布

目的研究能够与骨形成建立良好动态重建平衡关系的降解性镁合金,探讨WE43镁合金作为骨科固定材料的可行性。方法在18只SD大鼠股骨内分别植入WE43镁合金棒(9只)及Mg-Mn合金棒(9只),术后不同时间处死动物,取肝、肾行病理分析;体视镜及扫描电镜下观察移植物/新骨界面区,并计算降解率;电子探针全扫描分析合金元素分布状态。结果两种镁合金均发生不同程度降解,WE43比Mg-Mn合金具有更好的新骨诱导性和耐腐蚀性能,两种材料降解均未对大鼠肝、肾造成不良影响。实验组WE43中的稀土元素可在大鼠股骨体周围形成少量存留,并对骨生成起促进作用,两种合金中的镁元素及Mg-Mn合金中的锰元素在大鼠股骨体周围均不形成存留。结论 WE43镁合金比Mg-Mn合金的降解速率慢,更适合与新骨重建形成良好平衡关系,是一种可降解性内固定材料。

Gd与Zr对WE43镁合金组织、力学及腐蚀性能的影响

为了研究WE43镁合金作为生物材料的可行性,研究了Zr和Gd元素对WE43挤压态镁合金组织、力学性能和腐蚀性能的影响.采用金相显微镜和扫描电镜观察了挤压态镁合金的微观组织,采用拉伸实验和浸泡实验分别测试了镁合金的力学性能与腐蚀性能.结果表明:Zr元素对镁合金的挤压态组织具有显著细化作用;当进一步加入Gd元素后,组织细化作用不明显.在WE43镁合金中加入Zr元素后,镁合金的抗拉强度和屈服强度分别提高了约22%和15%.进一步添加Gd元素后镁合金的抗拉强度和屈服强度分别达到了262 MPa和200 MPa,且分别提高了约29%和33%.相反,Zr和Gd元素的加入降低了镁合金的伸长率,同时并未提高镁合金的耐蚀性.

WE43镁合金壳体熔模铸造工艺数值模拟与试验研究

通过ProCAST软件对WE43镁合金壳体铸件的充型、凝固过程及缩松、缩孔缺陷分布进行了数值模拟,优化了铸造工艺,进行了熔模铸造试验,并对铸件棱柱和侧壁部位进行了金相组织分析和室温拉伸力学性能测试。结果表明:铸件充型完整,无明显缩松、缩孔缺陷。固溶处理后,合金抗拉强度和伸长率明显提高;时效态合金屈服强度和抗拉强度显著提高,伸长率降低。铸件侧壁处合金晶粒尺寸小于棱柱处,力学性能较高。

时效热处理对WE43镁合金组织与力学性能的影响

采用金相显微组织观察和硬度测试等手段,研究了时效热处理对WE43镁合金显微组织和力学性能的影响。结果表明,固溶热处理可以明显改善稀土镁合金的铸态组织,520℃×8 h固溶处理后,枝晶偏析消除,组织均匀;时效热处理可使稀土化合物均匀弥散析出,大大提高合金的硬度,225℃×12h时效处理时,WE43镁合金的硬度最大。