電阻爐和316l不銹鋼保護mg-y-nd-zr合金的組織及性能

目前，生物醫(yī)療材料主要包括鈦、鈷、不銹鋼和聚乳液等高科技材料，但這些材料存在一些問題。例如，作為不可分解材料的鈦、鈷、鉻、鉻和不銹鋼作為短期生長材料，應(yīng)通過重新手術(shù)切除，以增加患者的痛苦和醫(yī)療成本。長期種植的心臟支架材料種植后，會形成血栓形成，移植部位的血管變窄。為了增加患者的痛苦和醫(yī)療費用，他們需要進行橋梁移植。這種藥物可以長期儲存，這可能會使患者的生命變得困難?？煞纸馍锊牧暇廴橐鹤鳛橐环N先進的生物分解材料，由于其抗應(yīng)力能力不能滿足要求，限制了使用范圍。此外，高分子可能在分解過程中引起急性和長期炎癥。因此，不僅具有良好的生物適應(yīng)性，而且具有良好的戰(zhàn)斗力。鎂在含有氯離子的人體生理環(huán)境中所獲得的腐蝕產(chǎn)物鎂離子是人體必需的常量元素之一.而且鎂的密度低(約1.73g/cm3),與人體骨質(zhì)密度(約1.9g/cm3)相近,鎂的彈性模量更接近人骨的彈性模量(1～30GPa),能有效地緩解應(yīng)力遮擋效應(yīng),鎂還具有良好的生物相容性.但鎂在人體環(huán)境中腐蝕過快,塑性差,無法滿足生物力學(xué)和化學(xué)相容性的要求,而稀土元素具有較好的生物相容性,將其加入鎂合金中具有除氣、除雜、凈化熔體等作用,并且通過合適的熱處理工藝,能控制合金第二相析出速度和方式,可改善合金的力學(xué)性能、耐蝕性能,Nd對Mg-Y-Zr基合金組織及生物力學(xué)性能的影響尚未見報道.本文研究了Nd不同質(zhì)量分數(shù)的4種稀土鎂合金組織及生物力學(xué)性能.1材料的制備和實驗方法1.1覆蓋劑與覆蓋劑的制備合金在316L不銹鋼坩堝中(?100mm×200mm)利用電阻爐熔煉.所用爐料為Mg錠(w(Mg)=99.95%),Mg-Y中間合金(w(Y)=20%),Mg-Nd中間合金(w(Nd)=20%)和Mg-Zr中間合金(w(Zr)=30%).采用稀土鎂合金覆蓋劑RJ-2和精煉劑RJ-5.所用涂料為氧化鋅,硅酸鈉和水的混合溶液.熔煉過程為:在電阻爐中將坩堝和45#鋼金屬模(?25mm×160mm)預(yù)熱至150℃左右,冷卻至70～80℃涂上涂料,把坩堝加熱到暗紅色,裝入鎂錠并撒入少量覆蓋劑,升溫至鎂錠熔化后,加熱至750℃,加入Mg-Y,Mg-Nd中間合金,保溫30min,攪拌后除渣,撒入少量覆蓋劑;升溫至780～800℃,加入Mg-Zr中間合金,保溫30min,攪拌均勻、除渣,撒入少量覆蓋劑;將溫度降至760℃,加入精煉劑進行精煉,靜置20min,降溫至740℃左右,將熔體澆注到預(yù)熱溫度為200℃鑄模中.制備試驗合金的主要化學(xué)成分(質(zhì)量分數(shù))如表1所示.1.2x-ms衍射分析采用MEF3型金相顯微鏡觀察合金試樣的顯微組織,并用日本產(chǎn)EMPA1600電子探針對Nd質(zhì)量分數(shù)為2.4%的合金進行面掃描;用日本理學(xué)公司生產(chǎn)的型號為D/max-2400的粉末X射線衍射儀(陽極靶為銅,電壓為50kV,電流為150mA,掃描速度為2(°)/min,2θ角為10°～90°)進行組成相分析;在WDW-100D型微機控制電子式萬能試驗機上進行室溫拉伸試驗,拉伸速度為1mm/min,并用JSM-6700F場發(fā)射掃描電鏡觀察拉伸斷口形貌.2結(jié)果與分析2.1mg-y-zr合金的晶粒制備圖1為Nd的質(zhì)量分數(shù)為0,2.0%,2.4%,2.8%的合金試樣的金相顯微組織.從圖1可以看出,加入Nd元素后,Mg-Y-Zr合金的晶粒得到了細化,晶粒尺寸大約50μm,這是因為凝固過程中溶質(zhì)元素Nd的平衡分配系數(shù)K<1,Nd原子被排擠到固液界面前沿,阻止晶粒進一步長大的緣故.在4種不同質(zhì)量分數(shù)的金相組織中,當(dāng)Nd的質(zhì)量分數(shù)為2.4%時(如圖1c所示),大量第二相在晶粒內(nèi)均勻分布.2.2zr變形能力對顯微組織的影響圖2為Nd的質(zhì)量分數(shù)為2.4%的合金的EPMA面分析,其中圖2a、b、d、e分別是Mg、Y、Nd、Zr元素在基體中的面分布,而圖2c、f分別是合金顯微組織的背散射圖和二次電子圖.從圖2可以看出,Zr元素以單質(zhì)的形式均勻分布在基體中,在凝固過程中起到了異質(zhì)形核的作用,細化了晶粒;Y、Nd元素主要分布在晶界,這是由于稀土元素在鎂基體中固溶度較小,凝固過程中,在界面前沿富集形成共晶相.從圖2b、d可以看出,在鎂基體內(nèi),Y元素比Nd元素分布多,這是因為在所有稀土元素中,Y元素在鎂中固溶度比Nd元素在鎂中的固溶度大的原因.2.3x射線衍射圖譜圖3a是Nd的質(zhì)量分數(shù)為0的Mg-Y-Nd-Zr合金的X射線衍射圖譜,圖3b是Nd的質(zhì)量分數(shù)為2.4%的Mg-Y-Nd-Zr合金的X射線衍射圖譜.從圖3a看出,未添加Nd元素的Mg-Y-Zr合金主要由α-Mg和Mg24Y5相組成,而加入Nd的質(zhì)量分數(shù)為2.4%時(如圖3b所示),Mg-Y-Nd-Zr合金主要由α-Mg、Mg24Y5和Mg12Nd強化相組成.2.4種合金的力學(xué)性能圖4是Nd不同質(zhì)量分數(shù)的合金試樣在室溫下的抗拉強度、屈服強度、延伸率比較圖.從圖中可以看出,加入Nd元素后,Mg-Y-Zr合金的室溫抗拉強度和屈服強度都顯著提高,尤其是Nd的質(zhì)量分數(shù)為2.4%時,合金的抗拉強度出現(xiàn)峰值,達到210.4MPa,但延伸率隨Nd質(zhì)量分數(shù)的增加逐漸降低.結(jié)合XRD圖譜和金相組織照片分析,力學(xué)性能變化主要是因為加入Nd后,形成了新的體心正方的Mg12Nd強化相,隨著Nd的添加量增加,第二相體積分數(shù)增加且在組織內(nèi)分布區(qū)域不同,當(dāng)Nd的質(zhì)量分數(shù)達到2.4%時,第二相在基體內(nèi)均勻分布,當(dāng)質(zhì)量分數(shù)增至2.8%時,大量第二相在晶界分布(如圖1所示).分析應(yīng)力-應(yīng)變曲線數(shù)據(jù),得出4種合金的彈性模量為25.8～35.8GPa,接近人骨的彈性模量,能有效地緩解應(yīng)力遮擋效應(yīng),滿足生物材料的生物力學(xué)相容性要求.2.5稀土元素y和nd對拉伸斷口及斷口觀察圖5為Nd不同質(zhì)量分數(shù)的合金SEM斷口形貌.由于鎂是密排六方晶系,室溫滑移面和滑移系少,塑性變形能力差,因此鎂在斷裂時斷裂特征表現(xiàn)為脆性斷裂,無明顯頸縮現(xiàn)象,伸長率極低,但加入稀土元素Y和Nd后呈現(xiàn)準(zhǔn)解理和韌性斷裂的混合斷裂.如圖5a所示,未加入Nd的合金,在拉伸斷口能觀察到高低不平的解理臺階、細小彎曲的撕裂棱、局部有大量的小韌窩,延伸率較大,隨著Nd的添加量增加(如圖5b、c、d所示),韌窩所占比例變小,解理臺階變寬,并伴有河流狀花樣出現(xiàn),準(zhǔn)解理特征明顯,與延伸率下降相吻合.3mg-y-nd-zr合金的特性1)Mg-Y-Nd-Zr合金在凝固過程中,Nd原子富集在已結(jié)晶的α-Mg表面,會阻止晶粒的進一步長大,因此稀土元素Nd在合金中具有細化晶粒的作用;Mg-Y-Nd-Zr合金由Mg24Y5和Mg12Nd組成的新相在晶界成網(wǎng)狀析出,當(dāng)Nd的質(zhì)量百分數(shù)為2.4%時,大量的第二相在晶粒內(nèi)部均勻分布.2)4種合金的彈性模量