医用Mg-Zn-Ca-Mn合金组织与腐蚀性能的研究

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针对医用镁合金的耐蚀性较差和人体环境的复杂性,本文选取了无毒且具有良好的生物相容性的金属元素Ca、Zn和Mn作为合金组元。利用真空感应熔炼,采用金属模浇铸制备了Mg100-x-y-z-Znx-Cay-Mnz四元合金。研究了Zn、Ca以及Mn的相对含量不同和热处理工艺不同对镁合金的显微组织和腐蚀性能的影响。用光学显微镜(OM)和X射线衍射仪(XRD)对不同状态的Mg100-x-y-z-Znx-Cay-Mnz合金试样进行了显微组织观察和物相分析。采用扫描电镜(SEM)和能谱仪(EDS)分析镁合金试样腐蚀过程中的腐蚀形貌。采用失重法和电化学测试探讨了不同状态Mg100-x-y-z-Znx-Cay-Mnz合金在Hank’s模拟体液中的腐蚀机理。研究结果表明:纯镁由于其晶界晶内并无选择性,在PBS溶液和Hank’s模拟体液中表现出典型的局部腐蚀。Mn元素在低于1.5%时,可以细化铸态镁合金的组织。固溶处理消除了铸态组织中的微观偏析,且晶粒的生长形状最终类似六边形。而且经过时效处理后,均匀分布的Mg-Zn固溶体和Mg-Mn固溶体的电极电位较高,可提高合金基体的电极电位,同时阴极相Mg2Ca相的体积分数的有效降低,可以改善镁合金的耐蚀性能。铸态合金的局部腐蚀严重,在腐蚀区内形成腐蚀台阶,且存在“河流状”和“骨架状”的腐蚀形貌。而热处理态合金的腐蚀表现的相对均匀。镁合金在Hank’s模拟体液中的腐蚀,主要是和水分子以及大量的活性阴离子反应。且pH值的升高,致使氢电极电位变负,阻碍了氢去极化过程,延缓了金属的腐蚀。另外发现,固溶时效态合金在腐蚀过程中,膜层内外存在Mg2+的浓差极化,可加速合金的腐蚀。同时,Cl-在膜层表面的选择性吸附,激活了小孔腐蚀。经过对比分析平均腐蚀速率和电化学腐蚀速率,固溶态Mg-2.0Zn-0.3Ca-1.3Mn合金(0.125mm/a)的耐腐蚀效果最佳。而且合金在浸泡过程中的腐蚀电流密度无波动,也即电化学腐蚀速率无突变,说明合金的降解具有可预见性,因此适合作为生物可降解支架用镁合金基体材料。
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