挤压态Mg–1.8Zn–0.5Zr–xGd(0≤x≤2.5%)生物镁合金微观组织演化及降解机理

目的 提高Mg–0.5Zr–1.8Zn–xGd(x=0、0.5%、1.0%、1.5%、2.0%、2.5%)生物镁合金在模拟体液中的耐腐蚀性能。方法 先对Mg–0.5Zr–1.8Zn–xGd合金进行固溶处理,然后利用反向挤压技术对其进行组织细化处理,采用OM、SEM、EDS、EBSD和TEM分析了挤压后Mg–0.5Zr–1.8Zn–xGd合金的晶粒形貌、织构特征、相组成和表面腐蚀形貌。利用电化学工作站和静态腐蚀测试了挤压后合金的耐腐蚀性能。利用XPS对Mg–0.5Zr–1.8Zn–xGd合金腐蚀前、后的表面元素及其化学状态进行表征。结果 挤压温度和挤压比分别为360 ℃和7.7时,合金都发生了较为完全的动态再结晶。随Gd含量的增加,晶粒尺寸逐渐减小,耐腐蚀性能先增强后减弱。当Gd质量分数为1.5%时,合金具有较好的耐腐蚀性能,其静态腐蚀速率约为0.447 mm/a;Gd质量分数为1.5%时,合金中析出了少量的纳米级圆棒状(Mg,Zn)3Gd相颗粒和纳米级椭圆球状Mg2Zn11相颗粒,且随着Gd含量的增加,合金中第二相颗粒的数量及体积分数逐渐增大。Mg–0.5Zr–1.8Zn–1.5Gd合金在SBF中浸泡120 h内,随浸泡时间的增加,腐蚀过程分3个阶段,首先合金表面Mg(OH)2腐蚀产物的生成及增厚导致腐蚀速率在腐蚀初期快速降低,随后致密的Mg(OH)2、(Ca,Mg)3(PO4)2和Ca10(PO4)6(OH)2腐蚀产物的生成及增厚导致腐蚀速率缓慢降低,最后腐蚀产物的生成与溶解达到动态平衡导致腐蚀速率逐渐趋于稳定。结论 挤压变形能够显著细化Mg–0.5Zr–1.8Zn–xGd合金的晶粒,均匀化和弥散化析出相分布,有效改善镁合金在模拟体液中的耐腐蚀性能。     

固溶处理Mg-0.5Zr-1.8Zn-xGd生物可降解镁合金的微观组织、力学性能和腐蚀性能（英文）

研究了Mg-0.5Zr-1.8Zn-x Gd (x=0,0.5,1.0,1.5,2.0,2.5,质量分数,%)镁合金经过470℃和10 h固溶处理后的组织、力学性能和耐腐蚀性能。结果表明,Gd含量在0%～2.5%范围内,随着Gd含量增加,合金晶粒尺寸逐渐减小。当Gd含量低于1.5%时,合金元素几乎完全固溶于合金基体中,第二相主要由纳米尺度的(Mg,Zn)3Gd析出颗粒组成。当Gd含量在1.5%～2.5%范围时,合金中出现未固溶的微米尺度的(Mg,Zn)3Gd相,并且该相数量和尺寸随着Gd含量增加而增加。由于组织均匀分布和纳米尺寸的第二相颗粒存在,Mg-0.5Zr-1.8Zn-1.5Gd合金具有优异的力学性能和耐腐蚀性能。在120 h浸泡实验中,Mg-0.5Zr-1.8Zn-1.5Gd合金平均腐蚀速率首先降低,然后增加,接着缓慢降低,最后,随着浸泡时间延长,腐蚀速率最终变得稳定。     

Zn含量对Mg-10Gd-6Y-xZn-0.6Zr合金显微组织、力学和阻尼性能的影响

采用扫描电子显微镜、能谱分析仪、X射线衍射仪和动态机械热分析仪等研究Zn含量对Mg-10Gd-6Y-xZn-0.6Zr(x=0.6,1.6,2.6,3.6,质量分数,%)合金显微组织、力学和阻尼性能的影响。结果表明:铸态下,Mg-10Gd-6Y-0.6Zn-0.6Zr合金中第二相主要为Mg5(Gd,Y,Zn),在Mg基体中,由晶界处向晶内平行生长出大量层状相;随Zn含量的增加,Mg5(Gd,Y,Zn)相减少,Mg12Zn(Y,Gd)相增多;当Zn含量达到3.6%时,第二相主要以Mg12Zn(Y,Gd)相存在,Mg基体中的层状相几乎消失。对于挤压态的Mg-10Gd-6Y-1.6Zn-0.6Zr合金,其基体中呈现大量扭曲的层状相,合金抗拉强度达到400 MPa,随着Zn含量的增加,合金强度呈下降趋势,但塑性得到改善。铸态合金的阻尼性能随Zn含量的增加先下降后上升,采用Granato-Lücke(G-L)理论和G-L图对合金阻尼性能进行了分析和讨论。     

固溶处理Mg-0.5Zr-1.8Zn-xGd生物可降解镁合金的微观组织、力学性能和腐蚀性能

研究了Mg-0.5Zr-1.8Zn-xGd (x=0,0.5,1.0,1.5,2.0,2.5,质量分数,%) 镁合金经过470 ℃和10 h固溶处理后的组织、力学性能和耐腐蚀性能。结果表明,Gd含量在0%~2.5%范围内,随着Gd含量增加,合金晶粒尺寸逐渐减小。当Gd含量低于1.5%时,合金元素几乎完全固溶于合金基体中,第二相主要由纳米尺度的(Mg,Zn)₃Gd析出颗粒组成。当Gd含量在1.5%~2.5%范围时,合金中出现未固溶的微米尺度的(Mg,Zn)₃Gd相,并且该相数量和尺寸随着Gd含量增加而增加。由于组织均匀分布和纳米尺寸的第二相颗粒存在,Mg-0.5Zr-1.8Zn-1.5Gd合金具有优异的力学性能和耐腐蚀性能。在120 h浸泡实验中,Mg-0.5Zr-1.8Zn-1.5Gd合金平均腐蚀速率首先降低,然后增加,接着缓慢降低,最后,随着浸泡时间延长,腐蚀速率最终变得稳定。     

固溶处理对Mg-2.0Zn-0.5Zr-3.0Gd生物降解镁合金组织及耐腐蚀性能的影响

采用金相显微镜(OM)、扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)研究固溶处理温度对Mg-2.0Zn-0.5Zr-3.0Gd(质量分数,%)生物镁合金显微组织的影响,通过失重、析氢和电化学方法研究合金在模拟体液(SBF)中的耐腐蚀性能。结果表明:铸态合金中,第二相(Mg,Zn)3Gd在合金基体中呈网状分布。固溶处理温度在460～500℃时,合金的晶粒尺寸随温度的升高而逐渐增大,温度为480℃时,没有溶入基体的(Mg,Zn)3Gd相以颗粒状或长条状的形式存在于基体中,部分颗粒与α-Mg基体具有共格关系。随着固溶处理温度的升高,合金的腐蚀速率先减小后增大,固溶处理温度在480℃时,合金的耐腐蚀性能比铸态合金的有了较大的提高。在120 h的浸泡实验中,合金的腐蚀速率在最后24 h时逐渐趋于稳定。     

挤压温度对Mg-2.0Zn-0.5Zr-3.0Gd生物降解镁合金组织、力学性能及耐腐蚀性能的影响

研究挤压温度对铸态Mg-2.0Zn-0.5Zr-3.0Gd生物镁合金组织、力学性能及耐腐蚀性能的影响。结果表明:挤压温度在330～350℃时,动态再结晶的体积分数随挤压温度的升高而增加;在350～370℃时,动态再结晶的体积分数随温度的升高而降低。挤压态合金的析出相主要由纳米级的棒状(Mg, Zn)_3Gd相和新析出的颗粒状Mg_2Zn_(11)相组成。合金的力学性能与动态再结晶晶粒的体积分数成正比关系。挤压温度为350℃时,合金的抗拉强度、屈服强度及伸长率分别为(247±3) MPa、(214±3) MPa和(26.7±1.1)%。随着挤压温度的升高,合金的腐蚀速率先减小后增大,挤压温度为350℃时,合金的静态腐蚀速率及析氢腐蚀速率分别为0.614 mm/a和0.598 mm/a。     

Mg-0.5Zr-1.8Zn-xGd生物镁合金的组织与性能

在较高的熔炼温度(780±5 ℃)下,研究了Gd含量对铸态Mg-0.5Zr-1.8Zn-xGd生物镁合金组织、力学性能及耐腐蚀性能的影响。结果表明：Gd含量在0-2.5wt%时,合金的晶粒尺寸随Gd含量的增加逐渐减小,未含Gd合金主要由α-Mg和少量分散的微米级Zr颗粒组成,而含Gd合金则主要由α-Mg和不同形貌的(Mg, Zn)₃Gd相组成。合金的力学性能随Gd含量的增加先升高后降低,Gd含量为1.5wt%时,合金具有较好的力学性能。与此同时,合金的耐腐蚀性能也随Gd含量的增加先增强后减弱,Gd含量为1.5wt%时,分布均匀且尺寸细小的网状第二相使其具有较好的耐腐蚀性能,在120 h的浸泡实验中,静态腐蚀速率为0.801±0.04 mm/a,腐蚀形貌较为均匀。     

Zn含量对Mg-Gd-Zn合金显微组织与力学性能的影响

研究了3种成分的Mg-11Gd-(1,1.5,2)Zn合金的显微组织和力学性能。结果表明,合金的铸态显微组织均由α-Mg基体、(Mg,Zn)3Gd共晶相和14H型LPSO相组成。铸态组织中(Mg,Zn)3Gd相的体积分数随Zn含量的增加而增大,且其热稳定性不断提高。同时,合金中LPSO相的体积分数也随Zn含量的增加而逐渐增大。合金在常温时的抗拉强度随着Zn含量的增加而降低,其中Zn含量较少的Mg-11Gd-1Zn合金在T6处理后呈现最高的强度和良好的塑性。当Zn含量较多时,合金T6处理的效果却远低于T5处理。随Zn含量的增加,合金在200℃高温下的抗蠕变性能也略有下降,但3种合金的抗蠕变性能都优于WE54合金。     

Y含量对Mg-Zn-Gd-Y-Zr生物镁合金组织及性能的影响

采用X射线衍射(XRD)、光学显微镜(OM)和扫描电镜(SEM)等研究了 Y含量对铸态Mg-1.8Zn-1.8Gd-xY-0.4Zr合金的组织、力学性能和耐腐蚀性能的影响.结果表明:合金的组织主要由α-Mg基体、(Mg,Zn)3(Gd,Y)相、Mg12Zn(Gd,Y)相以及Mg3Zn3(Gd,Y)2相组成;随着Y含量的增加,Mg12Zn(Gd,Y)相逐渐增多.当Y含量在1～4 mass％范围内,合金的力学性能及耐腐蚀性能均呈先上升后下降趋势,在Y含量为2 mass％时,Mg-1.8Zn-1.8Gd-2Y-0.4Zr合金的综合性能较好,其抗拉强度达最大值,为(187.4±5.6)MPa,屈服强度和伸长率分别为(101.8±4.5)MPa和(16.7±0.9)％,质量损失腐蚀速率达最小值,为 0.859 mm/year.     

时效处理对Mg-2.0Zn-0.5Zr-3.0Gd生物降解镁合金组织、力学性能及耐腐蚀性能的影响

通过金相显微分析(OM)、扫描电镜观察(SEM)、透射电镜观察(TEM)和拉伸性能测试研究不同时效时间对Mg-2.0Zn-0.5Zr-3.0Gd生物镁合金显微组织及力学性能的影响,通过质量损失和电化学方法研究合金在模拟体液(SBF)中的耐腐蚀性能。结果表明:时效时间为4~20 h时,合金中析出相的尺寸及数量随时效时间的延长而增加,析出相主要以纳米级棒状和颗粒状的(Mg,Zn)3Gd相形式存在,部分棒状析出相与α-Mg基体具有共格界面关系。合金的强度及伸长率随时效时间的延长先升高后降低。在120 h的浸泡实验中,合金的平均腐蚀速率、点蚀孔洞的数量及孔洞尺寸随时效时间的延长而逐渐增大,腐蚀速率随浸泡时间延长呈现出先减小、后增大、再缓慢减小以及最后趋于稳定的过程。     

生物医用Mg-6Zn-xGd合金的挤压组织与腐蚀性能

通过光学显微镜和扫描电子显微镜研究了Mg-6Zn-x Gd(x=0~4)合金的挤压态组织,测试了其拉伸力学性能和耐蚀性能。结果表明:随着Gd含量的增加,挤压态组织明显细化,平均晶粒尺寸从Mg-6Zn合金的12mm逐渐减至Mg-6Zn-3.41Gd合金的2mm;挤压态拉伸力学性能明显提高,抗拉强度σ_b和屈服强度σ_(0.2)分别逐渐提高至Mg-6Zn-3.41Gd合金的350 MPa和325 MPa,延伸率δ先降低后提高,且均不低于10%。挤压态Mg-6Zn合金的腐蚀速率较慢,为典型的局部腐蚀;添加少量Gd(质量分数0.66%)后,合金的腐蚀速率稍增大,但腐蚀变得更均匀,朝着均匀腐蚀的方式发展;添加较多量Gd(1.66%和3.41%)后,合金的耐蚀性能急剧恶化。     

Zr-0.80Sn-0.4Nb-0.4Fe-0.10Cr-xCu合金在400 ℃过热蒸气中的耐腐蚀性能

采用静态高压釜腐蚀试验研究了Zr-0.80Sn-0.4Nb-0.4Fe-0.10Cr-xCu(x=0.05~0.5,质量分数,%)合金在400℃,10.3MPa过热蒸气中的耐腐蚀性能,用TEM和SEM分别观察了合金的显微组织和氧化膜的断口形貌。结果表明:当Cu含量不超过0.2%时,合金中析出的第二相主要是尺寸较小的Zr(Fe,Cr,Nb)2型和少量尺寸相对较大的含Cu的Zr3Fe型;当Cu含量超过0.2%时,合金中析出了Zr2Cu型第二相,随着Cu含量的增加,Zr2Cu型第二相尺寸增大,数量增多;在添加0.05%Cu的合金中就有含Cu第二相的析出,说明Zr-0.80Sn-0.4Nb-0.4Fe-0.10Cr-xCu合金-Zr基体中固溶的Cu含量很低。当Cu含量不超过0.35%时,合金的的耐腐蚀性能基本没有差别;但是当Cu含量达到0.5%时,由于合金中析出了尺寸较大、数量较多的Zr2Cu型第二相,致使合金的耐腐蚀性能变差。     

Ni含量对Mg-Gd合金组织的影响

采用光学显微镜(OM)、扫描电镜(SEM)、能谱分析(EDS)以及X射线衍射分析(XRD)等手段,研究了Ni含量对Mg98-xGd2Nix(摩尔分数,下同,x=0,0.5,1.0)合金组织的影响。结果表明,铸态下,不含Ni的Mg98Gd2合金组织由初生树枝状α-Mg和分布在树枝间的少量共晶第二相Mg5Gd相组成;添加0.5%的Ni后,合金中Mg5Gd相消失而出现第二相X-Mg12GdNi相,其面积分数达到27%;Ni含量增加至1%时,合金相组成未发生变化,X相面积分数增至42%。在500℃固溶热处理时,随着固溶时间延长,Mg98Gd2合金中第二相Mg5Gd相逐渐溶入基体,而固溶时间达到20h,含Ni的Mg97.5Gd2Ni0.5和Mg97Gd2Ni1合金中第二相X相未发生明显溶解,且基体α-Mg的二次枝晶臂未见明显长大,表明X相具有优良的热稳定性并能有效抑制基体α-Mg的长大。     

Zn对铸态Mg-10Gd-3Sm-0.5Zr合金组织和力学性能的影响

采用熔炼铸造法制备了添加0~2%Zn(质量分数)的Mg-10Gd-3Sm-0.5Zr合金,通过X射线衍射、扫描电镜和拉伸性能测试等分析了Zn对铸态Mg-10Gd-3Sm-0.5Zr合金组织与性能的影响。结果表明:铸态Mg-10Gd-3Sm-0.5Zr合金由粗大枝晶α-Mg基体和晶界处半连续分布稀土相Mg41(Sm,Gd)5和Mg5Gd(Sm)组成,加入Zn元素后,在合金中产生了新相(Mg,Zn)3(Sm,Gd)1;铸态Mg-10Gd-3Sm-xZn-0.5Zr合金室温拉伸力学性能随着Zn元素含量的增加先升高后降低,当Zn的添加量为1%时,综合力学性能最好,其抗拉强度、屈服强度、伸长率分别为215 MPa、173 MPa和5.5%;合金的断裂方式主要为脆性断裂,加入Zn元素后有向韧性断裂转变的趋势。     

Mg-Zn-Y-Zr合金在NaCl溶液中的腐蚀行为

研究了Zn含量(质量分数)分别为4.3%,6%和8.6%的Mg-Zn-Y-Zr合金在5%(质量分数)NaCl溶液中的质量损失腐蚀和电化学腐蚀行为,并对不同腐蚀时间的合金表面腐蚀形貌、微观组织和相成分进行了分析.结果表明,Mg-Zn-Y-Zr合金中的第二相和Zn含量可显著影响合金的耐腐蚀性能,Zn含量为4.3%的Mg-Zn-Y-Zr合金表现出良好的抗腐蚀性能.随着Zn含量的增加,合金晶界上形成了电偶腐蚀加速效应更强的W相,同时使α-Mg基体中的Zn含量增加,从而导致合金的耐蚀性能逐渐变差.     

杂质Ca对Al-5Mg填充合金凝固组织及力学性能的影响（英文）

结合拉伸试验和冲击试验,采用SEM、EDS和XRD等分析方法研究了杂质元素Ca对铝镁填充合金铸态凝固组织和力学性能的影响。结果表明,Ca元素的存在改变了合金的相组成。当Ca小于0.28%(质量分数,下同)时,合金中晶界富集有块状(Ti,Cr)_2Ca(Al,Mg)_(20)金属间化合物相。当Ca大于等于0.28%时,块状(Ti,Cr)_2Ca(Al,Mg)_(20)相和不连续条状Al_2Ca相共同在晶界富集。随Ca含量的增加,合金中块状相和条状相尺寸逐渐增大,数量逐渐增加。合金抗拉强度随Ca元素的增加先升高后降低,Ca含量为0.28%时抗拉强度达到峰值。Ca含量小于0.28%时,合金塑性和冲击韧性随Ca含量增加缓慢下降,当Ca含量大于0.28%时,合金塑韧性大幅下降。合金拉伸或冲击断口由穿晶延性断裂(Ca含量0.28%)转变为脆性断裂(Ca含量0.28%)。Ca含量0.28%为合金韧脆转变点。     

铸态Mg-Zn-Y-(Gd)合金凝固组织、腐蚀性能和力学性能（英文）

采用常规凝固技术在Mg_(94)Zn_3Y_xGd_(3-x)(x=3,2,1.5,1,摩尔分数)镁合金中获得具有长周期堆垛有序(LPSO)结构相,并对合金凝固组织、耐腐蚀性能和压缩力学性能进行系统研究。结果表明:n(Zn)/n(Y+Gd)=1:1的Mg_(94)Zn_3Y_xGd_(3-x)合金凝固组织含有α(Mg)相、Mg_3Zn_3R_E2(W)相、14H-LPSO相和少量颗粒状面心立方结构的Mg-Y-Gd相。Gd含量显著影响合金中LPSO相的形成和分布。随着Gd含量增加,合金中14H-LPSO相体积分数先增加后减少。结合电化学阻抗谱分析,LPSO增强Mg-Zn-Y-(Gd)镁合金在3.5%NaCl溶液中的电化学腐蚀等效电路为R(Q(R(QR)))。4种合金的腐蚀电流密度在10_(-5)A/cm2数量级。当x(Gd)≤1%时,Mg-Zn-Y-(Gd)合金表现出良好的耐蚀性,并优于工业用AZ91D镁合金。而当x(Gd)≥1.5%时,合金的耐腐蚀能力下降。在室温条件下,随着14H-LPSO相体积分数增加,Mg-Zn-Y-(Gd)合金的压缩力学性能显著提高。此外,适量W相和弥散分布块状Mg-Y-Gd相的钉扎作用有利于提高合金的力学性能。     

Mg-4Zn-xY-1Ca(x=1.0,1.5,2.0,3.0)镁合金的铸态显微组织和力学性能（英文）

研究和比较了Mg-4Zn-x Y-1Ca(x=1.0,1.5,2.0和3.0,质量分数%)镁合金的铸态显微组织和力学性能。结果表明:所有铸态合金均主要由α-Mg、Mg2Ca、Ca2Mg6Zn3、I(Mg3YZn6)和W(Mg3Y2Zn3)相组成。然而,随着Y含量从0.86%增加到2.68%,合金中Ca2Mg6Zn3相的数量逐渐减少,而I(Mg3YZn6)和W(Mg3Y2Zn3)相的数量却逐渐增加。当Y含量从0.86%增加到2.68%时,合金的铸态晶粒尺寸逐渐减小。此外,铸态合金的抗拉性能和蠕变性能也随着Y含量的变化而变化,当Y含量从0.86%增加到2.68%时,合金的蠕变性能逐渐增加,而抗拉性能也先增加并在1.77%Y时达到最大,但当Y含量超过1.77%后抗拉性能开始下降。在Y含量为0.86%、1.19%、1.77%和2.68%的合金中,Y含量为1.77%的合金具有较好的抗拉性能和蠕变性能。     

Zn含量对Mg-9Gd-4Y-xZn-0.5Zr合金组织和力学性能的影响

采用X射线衍射仪、光学显微镜、扫描电镜、能谱分析仪、透射电镜以及拉伸试验机,研究Zn含量对时效态Mg-9Gd-4Yx Zn-0.5Zr(x=0,0.5,1.0,1.5,2.0)合金组织和力学性能的影响。结果表明:时效态Mg-9Gd-4Y-0.5Zr合金显微组织由基体α-Mg和共晶相Mg5(Gd,Y)组成。加入Zn元素后,合金组织中出现Mg5(Gd,Y,Zn)相和Mg12Zn(Gd,Y)相,分布于晶界或晶内。当Zn含量为1%以下时,合金组织得到明显细化,第二相分布均匀,力学性能显著提升。当Zn含量达到1%时,合金抗拉强度和屈服强度到达最大值,分别为279.4 MPa和220 MPa。随着Zn含量进一步增加,合金组织粗化,第二相含量迅速增加且沿晶界逐渐呈网状分布并逐渐向晶内深入,合金强度也明显降低。     

镁钆合金凝固组织分析及模拟研究

试验研究了Gd含量分别为0、3.83%、5.81%、9.76%镁钆合金的宏观组织、微观组织和第二相。镁钆合金常规凝固组织为α-Mg固溶体和Mg5Gd第二相组成;随着稀土Gd含量增加,晶粒细化,第二相Mg5Gd的分布状态和数量也发生变化,当Gd含量为3.83%时,第二相多数呈颗粒状或短棒状独立分布在晶界处,随Gd含量增加至9.76%,第二相体积分数增加,呈现孤岛状共晶组织;利用3D-CAFE模型模拟计算Mg-5.81%Gd中心等轴晶区所占面积比例与试验结果相吻合,并且模拟结果显示,随着Gd含量由3.83%增大到9.76%,晶粒细化,柱状晶区减少,中心等轴晶区增加。