一種調控鎂合金腐蝕速率的有效方法與流程
2023-10-17 15:45:24 2
本發明涉及鎂合金領域，具體為一種調控鎂合金腐蝕速率的有效方法，適用於各類變形鎂合金腐蝕速率的有效調控及加工製備，滿足醫用領域中鎂合金植入材料在不同人體部位的生物降解速率需求。
背景技術：
由於鎂及鎂合金具有良好的生物相容性和可降解性及與人骨具有相當的彈性模量等特點，可作為理想的醫用領域生物植入候選材料。另外，元素鎂是人體生物代謝過程中所需的必要元素。通常，正常的成年人每天鎂的攝入量為300-400mg。其中，多餘的Mg2+可以被人體吸收或通過尿液排出體內。可見，鎂合金製成的植入材料在人體內降解的產物不會對人體產生副作用。同時，由於鎂合金的自我降解，所以無需進行二次手術將植入件取出，極大地降低了成本和減少了病人的痛苦。儘管鎂及鎂合金具有上述的優點，但是它們過快的降解速率極大的限制了其在醫用領域中的應用。另外，因鎂的生物降解而產生的氫氣會發生聚集並在植入體附近產生氫氣泡，會使人體細胞組織發生分離並最終導致骨疽病的發生。為了提高鎂合金的耐腐蝕性，研究人員對鎂合金進行了大量合金化實驗研究。儘管開發出的新型多元化鎂合金材料的腐蝕性能滿足了生物降解的要求，但是所包含的某些合金元素如重金屬元素會對人體有害。因此，需要在不改變合金組分的前提下，選用目前已具有生物醫用前景的鎂合金材料，在不同程度上提升它們的耐腐蝕行為，以滿足鎂合金生物材料不同降解速率的需求。
技術實現要素：
本發明的目的在於提供一種調控鎂合金腐蝕速率的有效方法，解決鎂合金在已用領域中腐蝕速率過快和不可控等問題。
本發明的技術方案是：
一種調控鎂合金腐蝕速率的有效方法，在300～400℃條件下進行0.5～2小時的去應力退火處理，使鎂合金獲得強基面織構。
所述的調控鎂合金腐蝕速率的有效方法，鎂合金為各類的變形鎂合金。
所述的調控鎂合金腐蝕速率的有效方法，鎂合金腐蝕速率可調。
所述的調控鎂合金腐蝕速率的有效方法，室溫條件下，鎂合金在摩爾濃度為0.1M的NaCl溶液中，腐蝕電位Ecorr＝-1.75～-1.55VSCE，腐蝕電流密度為icorr＝2～500μA/cm2，失重速率為0.2～9.5mg/cm2/day。
所述的調控鎂合金腐蝕速率的有效方法，在去應力退火處理之前，對鎂合金進行變形加工，在300～500℃下保溫3～5小時，對合金進行熱擠壓成型，擠壓比為4～6:1。
所述的調控鎂合金腐蝕速率的有效方法，嚴格控制樣品表面所包含晶體學晶面的組分及各自所佔的比例，具體是指：(0002)基面取向的晶粒數量與(10-10)和(11-20)柱面取向晶粒數量總和之間的比例，其比例範圍是15以上或是0.08以下。
本發明的設計思想是：
本發明通過合理選擇具有醫用前景的鎂合金材料，對合金進行大變形塑性加工和去應力退火，使合金產生強的基面織構。利用線切割取樣技術，選取包含不同晶體學面分數的取向樣品。由於基面的抗腐蝕性能最好，具有基面取向集中的樣品表面的抗腐蝕性能最好。考慮到基面和柱面取向晶粒之間會發生微區電偶腐蝕，由一定分數柱面取向晶粒和多數基面取向晶粒組成的試樣表面的耐蝕性最差。最終，利用鎂合金不同晶體學面腐蝕電位之間存在的差異，通過控制樣品表面包含的晶體學面組分及相對面積分數，達到了對合金腐蝕速率的控制。
本發明的優點及有益效果是：
1、本發明通過選取具有很強醫用前景的鎂合金材料，使合金的生物降解速率得到控制，極大地提升了它們作為植入材料的潛力。
2、本發明的鎂合金具有普適性，為高耐蝕的工業用鎂合金的研製提供了參考，拓展了鎂合金可能應用的工程領域。
3、本發明所用的設備簡單，成本較低，加工工藝操作簡單、方便。
附圖說明
圖1(a)-圖1(c)選取變形鎂合金AZ31的取樣和微結構信息(實施例1、實施例2和實施例3)。其中，圖1(a)為實施例1、實施例2和實施例3的取樣方向；圖1(b)為實施例3取向樣品的微觀組織結構；圖1(c)為(0002)、(11-20) 和(10-10)極圖。
圖2不同取向鎂合金AZ31的析氫實驗結果(實施例1、實施例2和實施例3)。
具體實施方式
下面結合具體實施例和附圖對本發明做進一步說明，需要說明的是給出的實施例是用於說明本發明，而不是對本發明的限制，本發明的保護範圍並不限於以下實施的具體實施例。
實施例1
Ⅰ)、合金選取
使用商用AZ31變形鎂合金棒材，其化學成分(質量百分含量)為：3％Al，1％Zn，其餘為Mg；
Ⅱ)、變形加工
在400℃下保溫4小時，對合金進行熱擠壓成型，擠壓比為5:1。
Ⅲ)、去應力退火
對擠壓態合金在400℃保溫1小時，進行去應力退火，以消除殘餘應力對合金腐蝕各向異性的影響。
Ⅴ)、微觀組織表徵
組織觀察的樣品其製備過程如下：採用1000號碳化矽水磨砂紙磨平表面；然後採用油基金剛石研磨膏機械拋光；EBSD分析結果表明合金的織構為典型的基面織構，相應圖譜和(0002)、(11-20)和(10-10)極圖見附圖1，表明合金的織構為典型基面絲織構。本實施例中，嚴格控制樣品表面所包含晶體學晶面的組分及各自所佔的比例，具體是指：(0002)基面取向的晶粒數量與(10-10)和(11-20)柱面取向晶粒數量總和之間的比例，其優選比例範圍是15以上或是0.08以下(其值一般大於8或小於0.5，本實施例為0.04)，使合金表面的腐蝕速率最低。
Ⅳ)、取樣位置及腐蝕性能測試
利用線切割切取尺寸為5mm(長)×5mm(寬)×3mm(厚)的試樣，樣品表面垂直於擠壓棒材的軸線，具體取向示意圖見附圖1。用樹脂進行冷鑲嵌，對表面進行拋光處理；然後，在室溫條件下將試樣放入摩爾濃度為0.1M的NaCl溶液(生理鹽水)中進行浸泡和電化學實驗。在開路電位下進行氫氣收集實驗，具體氫氣析出曲線見附圖2。實驗結束後，用軟毛刷將試樣表面的腐蝕產物去除，稱其損失的重量，算出失重速率。對露出5mm×5mm的樣品表面開展動電位極化 曲線的測量，確定出合金相應的電化學腐蝕參數，其重量損失速率為1.5mg/cm2/day，腐蝕電位Ecorr＝-1.65VSCE，腐蝕電流icorr＝20μA/cm2。
實施例2
與實施例1相同之處在於：
Ⅰ)、合金選取
Ⅱ)、變形加工
Ⅲ)、去應力退火
Ⅴ)、微觀組織表徵
與實施例1不同之處在於：
Ⅳ)、取樣位置及腐蝕性能測試
利用線切割切取尺寸為5mm(長)×5mm(寬)×3mm(厚)的試樣，樣品表面與擠壓棒材的軸線成45度角，具體取向示意圖見附圖1。用樹脂進行冷鑲嵌，對表面進行拋光處理；然後，在室溫條件下將試樣放入摩爾濃度為0.1M的NaCl溶液中進行浸泡和電化學實驗。在開路電位下進行氫氣收集實驗，具體氫氣析出曲線見附圖2。可見，實施例2取向樣品的析氫速率最快。實驗結束後，用軟毛刷將試樣表面的腐蝕產物去除，稱其損失的重量，算出失重速率。對露出5mm×5mm的樣品表面開展動電位極化曲線的測量，確定出合金相應的電化學腐蝕參數，其重量損失速率為4.5mg/cm2/day，腐蝕電位Ecorr＝-1.72VSCE，腐蝕電流icorr＝100μA/cm2。
實施例3
與實施例1相同之處在於：
Ⅰ)、合金選取
Ⅱ)、變形加工
Ⅲ)、去應力退火
Ⅴ)、微觀組織表徵
與實施例1不同之處在於：
Ⅳ)、取樣位置及腐蝕性能測試
利用線切割切取尺寸為5mm(長)×5mm(寬)×3mm(厚)的試樣，樣品表面處於擠壓棒材的中心層且與擠壓棒材的軸線平行，具體取向示意圖見附圖1。用樹脂進行冷鑲嵌，對表面進行拋光處理；然後，在室溫條件下將試樣放入摩爾 濃度為0.1M的NaCl溶液中進行浸泡和電化學實驗。在開路電位下進行氫氣收集實驗，具體氫氣析出曲線見附圖2。可見，實施例3取向樣品的析氫速率最慢。實驗結束後，用軟毛刷將試樣表面的腐蝕產物去除，稱其損失的重量，算出失重速率。對露出5mm×5mm的樣品表面開展動電位極化曲線的測量，確定出合金相應的電化學腐蝕參數，其重量損失速率為0.4mg/cm2/day，腐蝕電位Ecorr＝-1.60VSCE，腐蝕電流icorr＝5μA/cm2。
實施例結果表明，本發明採用能夠顯著提高或降低鎂合金的生物降解速率的加工和處理工藝，在300～400℃條件下，對強基面織構變形態鎂合金進行0.5～2小時的退火處理，消除因大變形帶來的殘餘應力。然後，對合金進行不同取向的切割取樣，嚴格控制樣品表面所包含晶體學晶面的組分及各自所佔的比例。本發明能夠顯著調控鎂合金的耐腐蝕性能，解決可以調控鎂合金腐蝕速率快慢的問題，達到鎂合金在醫用領域不同生物降解速率的要求，從而顯著提升鎂合金作為人體植入生物材料的競爭力。