医用可降解Zn-3Cu-xMn合金的制备及性能研究

为了探究Zn合金作为生物可降解心血管支架材料的可行性,通过铸造加反向热挤压的方法制备了Zn-3Cu-xMn(x=0,0.5%,1.0%,1.5%)合金,运用金相显微镜、X射线衍射仪、扫描电子显微镜、拉伸测试、电化学测试和SBF浸泡腐蚀实验,探究Mn元素含量变化对Zn合金组织与性能的影响.结果表明,Zn-3Cu-xMn合金组织由Zn基体、CuZn5和MnZn13组成,随合金中Mn含量的升高,抗拉强度升高,屈服强度和延伸率均呈现先增后减的变化趋势,腐蚀速率提高,合金的浸泡腐蚀速率由0.063mm/a增至0.113mm/a.加入Mn元素的合金满足心血管支架材料的机械性能,腐蚀速率高于心血管支架材料的要求,因此,Zn合金具有成为生物可降解心血管支架材料的潜力.

热处理对Mg-3Sn-2Al-1Zn-5Li合金耐蚀性能的影响

对Mg-3Sn-2Al-1Zn-5Li合金进行了不同方式的热处理。利用电化学测试研究了不同热处理状态合金在3.5%NaCl溶液中的腐蚀电化学行为,并通过扫描电镜、能谱以及X射线衍射分析了合金腐蚀形貌及腐蚀产物的成分。结果表明:经固溶处理和时效处理后,合金的耐蚀性能有所提高,并且固溶态的Mg-3Sn-2Al-1Zn-5Li合金有着最佳的耐蚀性能;合金的腐蚀特征为丝状腐蚀,腐蚀产物主要为Mg(OH)_(2)。

脉冲磁场对Zn-3Cu合金凝固组织和性能的影响

研究了脉冲磁场处理工艺参数(脉冲电压和脉冲频率)对铸态Zn-3Cu合金凝固组织及性能的影响。结果表明:脉冲磁场可以有效细化Zn-3Cu合金的凝固组织;随着脉冲电压在0~300 V范围内增加,Zn-3Cu合金的晶粒尺寸逐渐减小;随着脉冲频率在0~10 Hz范围内增加,合金的晶粒尺寸先增大后减小再增大,第二相(CuZn_(5))尺寸先减小后增大,当脉冲频率为5 Hz时,合金凝固组织细化效果最佳。脉冲磁场可以提高合金的力学性能和耐蚀性能,当脉冲电压为300 V、脉冲频率为5 Hz时,合金的力学性能和耐蚀性能最好,其抗拉强度为106.05 MPa,伸长率为7.14%,与未经磁场处理的合金相比,分别提高了37.9%和32.7%。

间断直流磁场对Al-5Mg-3Zn-1Cu合金凝固组织和性能的影响

对Al-5Mg-3Zn-1Cu合金的凝固过程施加不同直流电压(0~300 V)和放电频率(0~20 Hz)以及占空比为30%的间断直流磁场,研究了间断直流磁场对其凝固组织及力学性能的影响。结果表明:间断直流磁场有效细化了合金的凝固组织,初生α-Al相由无磁场时的粗大枝晶变为细小的蔷薇状晶粒,第二相由粗大而连续的网格状结构变为细小而断续分布结构。随着直流电压的增加,合金的晶粒尺寸、第二相体积分数和长度均减小,抗压强度和断裂应变均先升后降;随着放电频率的增加,晶粒尺寸、第二相体积分数和长度均先减小后增大,抗压强度和断裂应变均先升后降。施加间断直流磁场后,合金的拉伸性能提高,断口中的准解理面减少,撕裂棱增多。当直流电压为200 V、放电频率为5 Hz时,合金的抗压强度和断裂应变最大,与无磁场时相比分别提高了31.6%和43%,抗拉强度和断后伸长率则分别提高了79.71%和83.3%。

应力时效影响Al-10Zn-3Mg-3Cu合金带外纵筋筒形件组织性能研究

目的研究应力时效条件下Al-10Zn-3Mg-3Cu合金带外纵筋筒形件筋部试样的应力松弛行为,探明基体应力松弛机制以及强韧性协同提升机理。方法针对淬火态筋部试样,设计不同的初始应力值进行应力时效实验,然后采用数据分析与微观组织形貌表征方法研究试样组织性能。结果当施加的初始应力为250MPa时,筋部试样的应力松弛程度可达85.8%,同时,试样抗拉强度为736.40 MPa,屈服强度为697.53 MPa,延伸率为10.96%。结论在250MPa应力时效条件下,应力松弛机制主要为晶界Coble蠕变和位错运动,位错运动促进了亚晶的增殖,Coble蠕变使基体晶粒长大,这些行为促使试样应力耗散。同时,应力时效改变了析出相形态,发展了具有孪生界面的复合析出相。经分子动力学计算可知,该特征微结构有利于基体强韧性的协同提升。

高塑性Mg-3Zn-1Y-1Mn合金在不同挤压温度下的组织演变、强化机制和变形行为

为了改善铸态Mg-3Zn-1Y-1Mn合金的力学性能、研究合金在不同变形温度下的组织演变规律和变形机理,对铸态Mg-3Zn-1Y-1Mn合金进行热挤压实验。实验结果显示,当挤压温度为330℃时,挤压态合金具有最佳的力学性能,抗拉强度和伸长率分别达到270 MPa和16.8%。挤压态合金性能大幅提高主要归因于3个方面:由动态再结晶导致的细晶强化作用、未被动态再结晶抵消的加工硬化以及第二相粒子强化作用。在热挤压过程中,当挤压温度为300℃时,同时发生连续动态再结晶和动态回复;而当挤压温度为330和360℃时,发生不连续动态再结晶。此外,在热变形过程中{0001}基面滑移、{10 10}Ⅰ型柱面滑移和{11 20}Ⅱ型柱面滑移对塑性变形的贡献受挤压温度影响很大,而{11 20}Ⅱ型柱面是3个滑移系中最难启动的滑移系。

固溶态Mg-3Zn-Y-1.5Nd-0.4Zr合金组织演变及力学性能优化

研究了固溶处理(T4处理)对Mg-3Zn-1Y-1.5Nd-0.4Zr合金的组织演变与力学性能的影响。采用X射线衍射,扫面电子显微镜和能谱仪对铸态及固溶态Mg-3Zn-1Y-1.5Nd-0.4Zr合金的微观组织进行分析,采用单轴拉伸测试和显微硬度测试对铸态及固溶态Mg-3Zn-1Y-1.5Nd-0.4Zr合金的力学性能进行测试。结果表明,铸态Mg-3Zn-1Y-1.5Nd-0.4Zr合金晶界处连续的第二相在固溶过程中发生断裂并球化现象,其综合力学性能先增加后减小。Mg-3Zn-1Y-1.5Nd-0.4Zr合金在490℃下保温26 h时力学性能最佳,其极限抗拉强度,屈服强度和伸长率分别为278.20 MPa,226.79 MPa和13.53%。固溶处理过程中,Mg-3Zn-1Y-1.5Nd-0.4Zr合金因为第二相发生球化现象,第二相中溶质元素的溶解产生固溶强化,使固溶态Mg-3Zn-1Y-1.5Nd-0.4Zr合金的综合力学性能得到提高。

轧制-深冷处理对生物可降解Zn-3Cu合金显微组织、力学和耐腐蚀性能的影响

本文采用冷轧和深冷处理等手段对生物可降解Zn-3Cu合金进行处理,研究了轧制-深冷处理对合金试样的显微组织、力学性能和耐腐蚀性的影响。结果表明:Zn-3Cu合金轧制过程中发生动态再结晶过程。随变形量的增大,晶粒显著细化,CuZn_(4)相沿轧制方向进一步被拉长。经深冷处理后,Zn-3Cu合金的基体相晶粒尺寸更小,CuZn_(4)相变形程度更低,抗拉强度、屈服强度和硬度均明显得到加强,其中60%-DCT达到最大抗拉强度(287.9±3.7) MPa和最大屈服强度(263.1±4.9) MPa。随着轧制变形量增加,轧制-深冷处理的Zn-3Cu合金耐腐蚀性能不断减弱,但相同变形量轧态Zn-3Cu合金,经过深冷处理后的耐腐蚀性能显著提升。40%变形量轧制-深冷处理的Zn-3Cu合金具有最优异的耐腐蚀性能。

AlTi3BC细化剂对Al-9.5Si-4Zn-2.5Cu高强压铸铝合金组织性能的影响

利用扫描电镜(SEM)、光学显微镜和万能试验机等手段,研究添加不同比例的晶粒细化剂AlTi3BC对Al-9.5Si-4Zn-2.5Cu高强压铸铝合金的力学性能及微观组织的影响。结果显示,适量的晶粒细化剂AlTi3BC对高强压铸铝合金细化效果显著,明显改善α-Al与共晶Si的形貌,使组织更加均匀。对直径为6.4 mm的试样,添加质量分数为5%的晶粒细化剂AlTi3BC,其抗拉强度提升16 MPa,断后伸长率由3.23%提升到3.95%;对厚度约2 mm的手机中板添加质量分数为0.5%的晶粒细化剂AlTi3BC,其断裂力提升42 N,断裂位移由4.10 mm提升到6.5 mm。

Al3Ti4B中间合金对Mg-7Al-0.4Zn-0.2Mn合金显微组织和性能的影响

研究了Al3Ti4B中间合金对 Mg 7Al 0.4Zn 0.2Mn合金的显微组织、力学性能及耐腐蚀性能的影响。结果表明: 当Al3Ti4B加入量小于0.3%(质量分数)时, 合金的平均晶粒尺寸显著减小; 当 Al3Ti4B加入量为0.3%时, 合金组织显著细化, 平均晶粒尺寸由未变质合金的 135μm细化到 30μm, 合金拉伸力学性能和耐腐蚀性能最好; 当加入量超过0.3%时, 晶粒粗化; 具有密排六方结构的高熔点化合物 TiB2 (θm =2 980 ℃)和 AlB2(θm=980℃)均可作为α Mg的异质核心, 大量异质结晶核心的存在是导致α Mg晶粒细化的主要原因。

微量Mn添加对Mg-6Zn-3Al镁合金非枝晶组织演变的影响

利用光镜(OM)、扫描电镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)研究了Mg-6Zn-3Al-xMn(x%=0%,0.1%,0.3%,0.5%,质量分数)合金的铸态组织和在等温热处理过程中的非枝晶组织演变规律。结果表明:铸态基体合金由α-Mg、Mg_2Zn_3、Mg_7Zn_3和Mg_(32)(Al,Zn)_(49))相组成。添加Mn后,析出了Al Mn和Al_8Mn_5相,且随Mn含量的增加,晶粒逐渐得到细化。合金经580℃等温保温30 min后,获得的非枝晶组织由初生α_1-Mg颗粒和包裹在共晶组织中二次水淬凝固形成的α_2-Mg颗粒及分布在初生颗粒间呈蜂窝状的共晶相组成。随着Mn含量增加,固相颗粒的平均尺寸和形状因子呈先减小后增加的趋势,组织中液相比例逐渐减少。当Mn含量(质量分数)为0.1%时,可获得近似球状、细小圆整、均匀分布的固相颗粒。在等温热处理过程中,溶质扩散和界面张力对组织演变起主导作用。Zn和Al溶质原子在液相中的成分起伏是初生颗粒在分离和球化过程中产生颈缩的重要原因。

热处理工艺对Mg-6Zn-3Al镁合金显微组织和力学性能的影响

通过金属型铸造制备新型Mg-6Zn-3Al(ZA63,质量分数,%)镁合金,并利用光镜(OM)、扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)、X射线衍射仪(XRD)和力学性能测试研究ZA63合金在铸态、固溶和时效处理后显微组织和力学性能的变化规律。结果表明:合金铸态组织主要由基体α-Mg、晶界处呈连续或半连续分布的(α-Mg+Mg_2Zn_3+Mg_7Zn_3+Mg_(32)(Al,Zn)_(49))共晶和晶内孤立的颗粒相组成。合金在350℃固溶12～36 h时,随着时间延长,固溶效果逐渐增强,且在28 h时获得了较好的组织和241 MPa的抗拉强度及11.12%的伸长率。随后在180℃时效6～72 h后,合金的抗拉强度进一步提高,力学性能随保温时间延长呈先增加后减小的趋势,其中时效24 h时同时出现抗拉强度、伸长率和硬度的峰值298 MPa、9.78%和96.3 HV,比铸态的214 MPa、8.54%、62.2 HV分别提高39.25%、14.52%和54.82%。180℃时效24 h后,析出相的主要形态有板条状和短棒状。

Zn-3%Al-RE合金机械镀层的电化学腐蚀行为研究

采用机械镀工艺,在Zn-3%Al镀层形层过程中添加0-5%的稀土盐,获得几种稀土含量不同的Zn-3%Al-RE合金镀层。利用电化学方法,以pH=5和pH=7的1 mol/L NaCl溶液,0.5 mol/L NaCl＋0.5mol/L Na2SO4溶液,0.5 mol/L Na2SO4溶液为6种腐蚀介质,测定几种镀层在每种腐蚀介质中的电化学参数。结果表明：几种镀层的耐电化学腐蚀性能随着腐蚀介质中Cl^-浓度的增大均有所降低;稀土加入量对镀层耐电化学腐蚀性能的影响不遵循线性关系,加入量为2%和5%时所得镀层的耐电化学腐蚀性能较好。

均匀化处理对航空用Al-8.5Zn-2.3Cu-2.2Mg合金相组织的影响

通过扫描电镜和透射电镜观察,研究了单级和双级均匀化工艺对铸态Al-8.5Zn-2.3Cu-2.2Mg（mass%）合金相组织的影响。结果表明：经465℃×（12~36 h）单级均匀化处理,残留相仍然较多;经430℃×12 h＋470℃×24 h、465℃×24 h＋475℃×12 h双级均匀化处理,残留相的数量显著减少,465℃×24 h＋475℃×12 h处理残留相更少;465℃×24 h单级均匀化处理残留相主要为Al_2CuMg,少量Al7Cu2Fe,经430℃×12 h＋470℃×24 h、465℃×24 h＋475℃×12 h处理除还有少量Al（ZnMgCu）相没溶外,没有发现Al2CuMg;此外,430℃×12 h＋470℃×24 h双级均匀化处理相比于465℃×24 h单级处理,有利于析出弥散、均匀的Al3Zr粒子。

Mg-3Zn-1Zr合金细径管材的挤压模具设计

基于Mg-3Zn-1Zr合金本构方程运用Defrom-3D软件对多种Mg-3Zn-1Zr合金细径管材的挤压模具参数的配合进行了有限元模拟分析。结果表明:挤压模入口圆角半径一定时,挤压模模角越大,挤压杆的载荷越小,挤压模圆锥段发生紊流现象越严重,挤压死区越大。挤压模入口圆角处的磨损最为严重,当挤压模模角为120°,挤压模入口圆角半径为2mm时,模具磨损最小,挤压载荷和模具应力也较小。工作带长度超过4mm时,随着工作带长度的增加,模具磨损深度显著增大,管材与模具易产生黏结,进而产生缺陷和变形不均匀。采用模拟优化的模具挤压出的Mg-3Zn-1Zr合金细径管材表面质量良好、尺寸精度高,说明基于Deform-3D有限元分析能够为实际模具设计与镁合金型材的生产提供可靠参考。

热处理对Mg-6Zn-3Cu-0.6Zr合金阻尼性能的影响

采用扫描电镜(SEM)及能谱仪(EDS)、动态机械分析仪(DMA)研究了热处理温度和热处理时间对Mg-6Zn-3Cu-0.6Zr合金显微组织和阻尼性能的影响。结果表明:随着热处理温度升高,合金晶粒长大,晶界共晶体减少,合金阻尼性能提高;300℃热处理时,保温时间越长,晶界共晶体越少,晶内微小点状析出物越多,合金阻尼性能越好;当热处理工艺为400℃保温2 h时,合金阻尼性能最好,与铸态相比,其阻尼性能的提高超过一倍。不同热处理工艺对合金阻尼性能的影响规律可用G-L理论来解释。

铸造Mg-3Zn-3Y-Zr合金的制备及其力学性能

以EZ33A镁合金为基体材料,制备了Mg-3Zn-3Y-Zr合金,研究了稀土元素Y对其显微组织及力学性能的影响。结果表明:由于添加Y和Zr,使铸造Mg-3Zn-3Y-Zr合金的枝晶组织得到细化,等轴趋势明显;由于Y在镁中的溶解度较大,经过固溶时效处理后,使弥散强化相增多,起到强化晶界的作用,从而提高合金的硬度,同时使其室温及高温力学性能均明显提高。

Mg-4Zn-3Y合金高温阻燃特性

为了改善镁合金在熔铸及加工过程中抗氧化燃烧性能,用合金化阻燃方法在Mg-4Zn合金中添加适宜的Y元素制备了阻燃效果优异的Mg-4Zn-3Y合金.采用俄歇电子能谱仪、X射线衍射仪和扫描电镜(SEM+EDS)研究了氧化膜的显微形貌、合金元素分布及其物相组成.结果表明,Mg-4Zn-3Y合金在高温下暴露于大气中时,燃点提高250℃,合金表面生成一层以Y2O3为主的氧化膜,改善镁合金氧化膜的粘附性,提高高温抗氧化和燃烧能力.基于高温氧化热力学分析,建立了Mg-4Zn-3Y合金在高温下的氧化物理模型.Mg-4Zn-3Y合金能在1065K时于大气中保温30min而不燃烧,实现了低Y元素含量镁合金在大气条件下的无保护熔炼.

Al-1B变质处理对Zn-6Al-3Mg合金凝固组织与性能的影响

采用扫描电镜、万能电子试验机和HVS-5Z/LCD维氏硬度计分析测试了Al-1B变质处理前后Zn-6Al-3Mg合金的凝固组织与力学性能。研究表明:变质剂加入量和变质温度对Zn-6Al-3Mg合金的凝固组织中Al-fcc相、Mg Zn2相和Zn-hcp相以及二元Zn/Al和三元Zn/Al/Mg Zn2共晶体的形态和体积分数有明显影响。当Al-1B加入量为0.3 mass%时,Zn-6Al-3Mg合金的抗拉强度、硬度和伸长率都达到最大值。当变质剂加入量相同时,随着变质温度的升高,Zn-6Al-3Mg合金的抗拉强度和伸长率提高;在450℃变质处理时,Zn-6Al-3Mg合金的硬度最高,550℃变质处理后该合金的硬度最低。

退火对热挤压Mg-3.8Zn-1Y合金组织及性能的影响

采用光学显微镜,扫描电子显微镜等手段研究了退火处理对热挤压Mg-3.8%Zn-1%Y合金组织及性能的影响。结果表明,该合金经425℃×15 min退火可通过完全再结晶获得细小的晶粒,合金的拉伸屈服强度为171.9 MPa,伸长率为29.8%。EBSD分析表明合金的优良的塑性来自于合金在拉伸过程中拉伸压缩({10 12}-{10 11})二次孪生的交互发生引起的协调变形。另外,拉伸过程中形成的较弱的"双峰"型{0002}纤维织构作为变形有利的取向也有利于改善合金的塑性。