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镁合金不仅具有良好的力学性能和生物相容性,而且其弹性模量与人骨相近似,能够显著降低应力遮蔽效应从而促进新骨生成。但是在Cl-环境中的腐蚀行为易导致镁合金结构过早失效,并造成人体局部组织严重受损。因此,如何提高镁合金在生理环境中服役性能和探究降解机理显得尤为重要。本文选取人体营养元素Ca、生物相容性良好的元素Nd对Mg-2Zn-0.2Mn合金进行成分优化和性能调控,通过SEM、TEM、EPMA、AFM、XRD等手段分析合金在铸态时的相特征、膜层形成机制和腐蚀行为。同时,研究了不同Ca、Nd含量的Mg-2Zn-0.2Mn-xCa和Mg-2Zn-0.2Mn-xNd合金经均质化处理后其组织特征对力学性能和腐蚀行为影响规律,并展开了细胞毒性评估。其次,对Mg-2Zn-0.2Mn-1.10Ca和Mg-2Zn-0.2Mn-1.88Nd合金进行不同温度热处理实施组织调控,分析晶粒尺寸和第二相含量耦合效应对合金力学性能和降解性能影响规律。最后,探究了多道次热轧对Mg-2Zn-0.2Mn-xNd合金显微组织演变、沿基体方向上的膜层特性、Cl-促进膜层破坏机制、三维降解形貌和异常阳极相活化溶解等行为。具体结论如下:Mg-2Zn-0.2Mn合金中添加不同含量的Ca/Nd元素后,合金树枝晶组织得到显著细化,Mg-2Zn-0.2Mn-xCa和Mg-2Zn-0.2Mn-xNd合金的耐蚀性能和力学性能均呈现出先升高后降低的趋势。Mg-2Zn-0.2Mn-0.38%Ca/0.62%Nd表现出优异的耐蚀性能,腐蚀速率分别为6.97 mm/y和1.15 mm/y。镁合金含Nd 比含Ca耐蚀性能更优异,是由于在模拟体液中含Nd镁合金表面除形成不溶性的Ca10)(PO4)6(OH)2和CaHPO4之外,还可以通过水解作用形成Nd2O3/Nd(OH)3等致密性良好的产物层,能显著抑制腐蚀因子吸附和渗透。而过量的CCa/Nd添加则导致第二相体积分数增加,形成大量的腐蚀电偶使得表面膜层逐渐变得疏松、缺陷加剧,为侵蚀性离子穿透膜层到达基体提供了扩散通道和便捷途径。同时,过量的Ca//Nd在晶界处堆积产生偏析,在承受外加载荷作用下易萌生微裂纹和扩展通道,导致材料力学性能降低。Mg-2Zn-0.2Mn-xCa合金经380℃/24h均质化处理后,通过电化学测试和浸泡实验表明Mg-2Zn-0.2Mn-0.38%Ca合金具有最佳的耐蚀性能;与铸态相比,腐蚀速率由6.97 mm/y降低至6.27 mm/y。Mg-2Zn-0.2Mn-xNd合金经420℃/24 h均质化处理后,Mg-2Zn-0.2Mn-0.62Nd合金表现出较低的腐蚀速率0.83 mm/y,并形成均匀的腐蚀形貌。经均质化处理后合金的耐蚀性比铸态时略有提升,归功于溶质原子Ca/Nd部分溶解对基体中第二相/金属间化合物电势分布特性调整。体外相容性测试表明,Mg-2Zn-0.2Mn-xCa/yNd合金对人体骨髓间质充细胞没有毒性,将来有望应用于骨科植入材料。Mg-2Zn-0.2Mn-1.10Ca和Mg-2Zn-0.2Mn-1.88Nd合金经不同温度(铸态、300℃/24h、350℃/24 h、420℃/24h、460℃/24 h、500℃/24 h)热处理后力学性能和耐腐蚀性能均呈现先升后降的趋势。力学性能提升归功于前驱体第二相/金属间化合物溶于基体导致晶粒内部应力场发生变化,并随着Ca/Nd原子增多产生严重晶格畸变进而促进结构再重排。力学性能弱化由于高温处理造成的较大晶粒尺度和过饱和晶格畸变引起应力集中,促进裂纹萌生/形核。腐蚀电偶本质是两相电势差异性,腐蚀电偶的密度和强度越大,腐蚀速率也越大。Mg-2Zn-0.2Mn-1.10Ca和Mg-2Zn-0.2Mn-1.88Nd合金在Kokubo’s溶液中最佳降解性能需匹配适宜的晶粒尺寸和一定比例的相体积分数。热轧态Mg-2Zn-0.2Mn合金腐蚀浸泡后表面产物主要由MgO、Mg(OH)2、CaHPO4和微量的Ca10(PO4)6(OH)2组成;热轧态Mg-2Zn-0.2Mn-xNd合金浸泡后表面腐蚀产物主要由Mg(OH)2、HA、Ca3(PO4)2、CaHPO4、MgCO3和Nd2O3组成,表现出较大的Rct |Z|、相位角和最佳腐蚀速率。这些不溶的产物层,可有效地延缓亚稳态Mg+形成。其耐蚀性能提高主要归结于以下三方面:首先,热轧后微区偏析度降低、晶粒细化并破碎第二相,在晶粒内部和晶界之间形成封闭的阴极/阳极微电偶腐蚀效应,使得腐蚀更加均匀且腐蚀速率更低;其次,细晶结构镁合金具有高比例的晶界密度存在于活化表面,能促进膜层形成的反应动力学、稳定膜层与基体结合性,使得亚稳离子交换和析氢速率降低;此外,Nd的水解/电离作用为不溶性产物沉积提供了形核位点,为氢氧化物和磷酸盐等沉淀提供了必要的HPO42-、CO32-和OH-离子根。