医用镁钙锌合金的制备及其加工性能研究

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人口老龄化以及各种意外事故所致的骨折逐渐增多,需要进行坏损骨骼修复的人群比例在逐年增加。接骨板(内固定术)是目前治疗骨折(骨裂、开放性骨折、粉碎性骨折)最有效的方法之一,其材料特性、力学特性、生物相容性是影响手术安全性和有效性的主要因素。由于常用的接骨板材料(如钛合金、不锈钢、钴基合金等)的力学性能与人骨存在较大差异,并且会释放有毒物质,因此会产生“应力遮挡效应”及毒副作用。随着各国研究学者对医用金属材料的进一步探究,发现镁合金因具有与人骨接近的力学性能以及特有的可降解性、生物相容性等特点,有望取代以上的传统医用金属材料,成为医用植入材料领域的首选可降解金属材料。但与此同时,又因镁合金腐蚀速率难以与人骨愈合速率相匹配、力学性能有待提升而限制了它的广泛应用。鉴于此,本文采用粉末冶金的方法制备了不同成分含量的镁钙锌合金,并对其耐腐蚀性能、机械性能及铣削加工性能进行了试验研究,旨在通过添加适量的合金元素,进而改变合金的力学性能及耐腐蚀性能,以满足医用植入材料的需要。本文采用粉末冶金法制备了五种不同钙锌含量的镁合金材料(质量分数分别为:Mg-0.4%Ca-0.5%Zn、Mg-0.8%Ca-1.0%Zn、Mg-1.2%Ca-1.5%Zn、Mg-1.6%Ca-2.0%Zn、Mg-2.0%Ca-2.5%Zn),对制备出的镁钙锌合金的显微组织和力学性能进行测试和分析。通过EDS成分测试、XRD相组成分析及金相显微组织对粉末冶金镁钙锌合金的内部组织进行观测,发现其内部组织均匀致密,烧结效果较好;同时对粉末冶金镁钙锌合金进行维氏硬度测试、准静态压缩试验和拉伸试验,测得其力学性能。其中合金Ⅳ的力学性能最好,维氏硬度为132.27HV,抗拉强度231.71MPa。对粉末冶金镁钙锌合金进行耐蚀耐磨性能测试。将镁合金试样置于Hanks模拟体液中进行浸泡腐蚀测试,计算合金失重率并使用超景深显微镜观察腐蚀表面的微观形貌;并且使用电化学工作站对镁钙锌合金试样进行电化学试验,腐蚀溶液为Hanks模拟体液,通过对比五种镁钙锌合金的腐蚀电位与自腐蚀电流密度,进一步观测镁合金的耐腐蚀性能;使用Rtec摩擦磨损试验机对镁钙锌合金试样进行摩擦磨损试验,随后用白光干涉仪对磨损表面进行扫描,观察合金试样磨损表面的3D微观形貌。得出结论,合金Ⅳ的耐蚀耐磨性能最好,其自腐蚀电位为-0.931V,自腐蚀电流为2.477×10-4A·cm-2,磨损率为0.036%。随后对优选合金进行铣削试验,分析不同的切削参数对于材料加工表面粗糙度及残余应力的影响规律。采用不同的切削速度、每齿进给量和切深对镁合金试样进行三因素四水平的正交铣削试验,发现影响表面粗糙度的切削要素重要程度依次为:每齿进给量、径向切深、切削速度;影响材料加工表面残余应力的切削要素重要程度依次是切削速度、每齿进给量、径向切深。并对其影响规律建立了相关的预测数学模型,并对模型公式进行了试验验证。
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