关键词： 镁合金薄板   微弧氧化   正交试验   耐蚀性  

摘要： 作为轻量化材料的镁合金凭借其密度低、比强度高以及电磁屏蔽性能优异等特点广泛地应用于汽车及电子产品行业,而薄板材又是镁合金未来发展中最为重要的方向之一,但镁合金的耐蚀性较差极易遭受大气环境的腐蚀,导致镁合金的使用效率降低,因此镁合金板材腐蚀是目前亟待解决的问题。利用微弧氧化技术可在镁合金板材表面原位生长出与基体结合紧密的微弧氧化(MAO)膜层,从而提高基体镁合金板材的耐腐蚀性能,但由于微弧氧化过程中产生的高电压易造成镁合金薄板发生击穿烧蚀的现象,正确合理地调控工艺参数是制备微弧氧化膜层的关键所在。本文采用正交实验对厚度为0.6mm的AZ31镁合金板材进行微弧氧化,探究多因素交互作用、终止电压和电流密度分别对微弧氧化膜层结构及耐蚀性能的影响;对不同厚度的微弧氧化膜层的力学性能、显微硬度以及耐磨性进行综合评价,并在0.1mm厚的镁合金箔材上进行微弧氧化尝试,初步探讨膜层厚度对箔材的减薄规律。研究结果如下:正交实验结果表明频率、负向占空比及氧化时间不仅单独作用于膜层结构而且三者之间的交互作用也影响着膜层的结构及其耐蚀性能。极差分析发现氧化时间对膜厚影响最为显著但负向占空比在一定程度上也决定着膜层厚度,而频率对其影响最小。在HNO介质中,膜层越厚其耐蚀性越好,此时氧化时间的影响因子是负向占空比的4倍,起着决定性作用。相反负向占空比和三者之间交互作用对膜层在NaCl介质中的耐蚀性影响较大,通过极差分析获得的最佳工艺参数:频率、负向占空比和氧化时间分别为100Hz、10%、5min。膜层微观形貌表明延长氧化时间虽然可以获得抵御HNO侵蚀的厚膜层,但该膜层表面形貌多为尺寸较大的孔隙形貌,这显然不利于在含有Cl的腐蚀环境中的耐蚀性。通过调控终止电压和电流密度可以获得性能优异的微弧氧化膜层,研究结果表明随着终止电压的升高,膜层的孔隙率和膜厚呈现先增大后减小的趋势,终止电压为450V时,膜层孔隙率为9.3%,膜层相对致密,此时在NaCl介质中表现出最佳的耐蚀性。当电流密度为5A/dm时膜层孔隙率最低且致密,此时膜层的耐蚀性最佳。微弧氧化后的镁合金板材耐蚀性显著提高,镀膜后不影响基体板材的力学性能,而且基体镁合金板材显微硬度有所提高,薄而致密的膜层不仅与基体结合紧密而且具备良好的耐磨性。对厚度为0.1mm的镁合金箔材微弧氧化后发现箔材厚度减薄约为膜层厚度的一半。

关键词： 镁合金   增材制造   点阵结构   力学性能  

摘要： 镁合金材料具有密度低、减震性强、比强度高、比刚性高、生物相容性好、电磁屏蔽性好等特点,在航空、航天等对轻量化要求较高的领域具有广泛的应用。激光选区熔化技术是近年来新兴的一种增材制造技术,在成型复杂的结构件方面具有技术优势,它与轻金属镁合金的结合可以进一步推动航空航天结构件的轻量化设计,实现新一代航空航天产品的轻量化升级。本文对常规的激光选区熔化增材制造设备进行了结构优化设计以适应镁合金材料的增材制造需求,采用增材制造专用AZ91D镁合金球形粉末为原材料,利用优化改进的SLM激光选区熔化设备对AZ91D镁合金粉材进行增材制造成型。主要开展了镁合金材料的增材制造成型工艺、组织结构、力学性能、点阵结构等研究,并对典型航天结构件进行了点阵结构优化设计及打印成型验证。主要研究工作及研究结论如下:(1)对常规SLM增材制造装备的落粉、铺粉机构进行了结构优化,设计了针对镁合金材料特性的滚轴-刷粉结构及橡胶式刮条铺粉结构,有效实现镁合金粉材的均匀落粉及致密铺粉功能,送粉的平均值偏差在±0.1g范围内,铺粉致密度提升率为25.57%;同时,采用99.999%的高纯度氩气作为保护气体,成型腔内氧含量能够稳定地控制在100PPM以下,有效抑制了大量烟尘的产生,并能通过氩气层流实现成型过程中的烟尘及时排出。(2)对AZ91D镁合金激光选区熔化主要成型工艺参数:扫描间距、扫描速度以及激光功率开展了正交试验研究,得出其相对适宜的工艺参数为:扫描间距0.06mm、扫描速度600mm/s、激光功率200W,成型致密度能够达到98.7%。同时通过研究发现:填充间距对于镁合金激光选区熔化成型具有重要影响,填充间距的参数在0.06mm左右为宜,填充间距超过0.1mm后成型的致密度将会急剧下降;在填充间距保持恒定的前提下,随着功率与扫描速度的比值逐步增大,成型件致密度变化趋势为先增大后减少;对AZ91D镁合金激光选区熔化成型的金相组织进行了观察,其成型的晶粒远小于铸造成型的晶粒,尺寸约为2um左右。(3)对AZ91D镁合金激光选区熔化的力学性能进行了成型研究,最优抗拉强度能够达到292MPa,最大断后伸长率为3.81%。并通过单因子变量试验发现:在填充间距与扫描速度保持恒定时,随着激光功率的增加,拉伸试样的力学性能呈逐步增加的趋势,但在超过一定值后,力学性能反而下降;在填充间距与激光功率保持恒定时,随着扫描速度的增加,拉伸试样的力学性能呈逐步降低的趋势,;在激光功率与扫描速度保持恒定时,随着填充间距的增加,拉伸试样的力学性能呈逐步增加的趋势,但在超过一定值后,力学性能反而下降。同时,对拉伸试件的断口进行了检测分析,发现其断口整体呈现出韧-脆混合断裂形态,试件中存在大量的微小空隙及未完全熔化区,这些孔隙及未完全熔化部位在拉伸力的作用下逐步发展为裂纹并扩展,进而导致试件发生断裂,因此试件的断后伸长率较低。(4)基于激光选区熔化技术进行了AZ91D镁合金点阵结构的成型试验,成型的点阵结构最高标准抗压强度可达到181.550MPa以上,且减重达70.243%。并将点阵结构应用于典型航天壳体结构件的轻量化设计与成型,与同等镁合金材料体积的实体结构壳体进行了抗压承载试验,发现蒙皮为1mm的点阵结构壳体的最大抗压承载力能够达到实体结构壳体的最大抗压承载力76.667%以上。

关键词： ZN20镁合金   固溶处理   热拉拔   力学性能   耐蚀性能  

摘要： 镁合金具有良好的生物相容性及可降解性,在未来几年内成为医学临床上用于吻合钉的材料指日可待。然而,镁合金的室温塑性差、易氧化,此外,过高的降解速率也会阻碍镁合金植入器械的应用。目前可降解镁合金的热拉拔工艺以及热处理工艺对其组织和力学性能及可降解性能的影响缺乏较系统的研究。本论文以挤压态ZN20（Mg-2Zn-0.5Nd）合金为研究对象,较系统的研究了该合金的固溶温度对其力学性能及腐蚀性能的影响,并探索了同时提高镁合金力学性能和耐蚀性能的方法。论文还探讨了拉拔温度及变形量对ZN20镁合金的力学性能及腐蚀性能的影响。结果表明,固溶处理后合金的屈服强度降低,但是合金的耐蚀性显著提高。随着固溶温度的升高,合金中第二相体积分数逐渐减少。在425℃固溶处理后,合金晶粒比较细小,其耐蚀性明显高于其他固溶温度和挤压态的样品,细化晶粒可以提高ZN20合金的耐蚀性。固溶温度为450℃时,晶粒开始长大,合金中第二相的数量减少,直至525℃时,第二相基本消失,第二相强化作用减弱,力学性能较差。经过450℃×4h固溶处理后的ZN20合金表现出最佳力学性能,而经425℃×4h固溶处理后的ZN20合金具有最佳耐蚀性。对挤压态ZN20合金以250℃、300℃、350℃的拉拔温度,且分别以6%、12%、18%的道次变形量进行拉拔后,ZN20合金的晶粒被拉长,由于变形程度大,合金中出现大量被挤碎的细小的第二相。当拉拔温度一定时,增大道次变形量可使ZN20合金的屈服强度升高,伸长率降低,当道次变形量为6%和12%时,ZN20合金的综合力学性能较好。腐蚀速率则先增大后减小。当道次变形量一定时,随着拉拔温度的升高,ZN20合金的腐蚀速率逐渐增大,抗拉强度及屈服强度逐渐降低。当拉拔温度为250℃,变形量为6%时,ZN20合金具有最佳耐蚀性,同时获得较高伸长率,为14.47%。比较经固溶处理与未经固溶处理的合金进行拉拔后的力学性能发现,经固溶处理后进行拉拔的合金屈服强度及伸长率均降低,但是其腐蚀速率减小。通过对比发现,低温拉拔结合小道次变形量是提高ZN20合金的力学性能及耐蚀性能的有效方法。

关键词： Mg-Al-Si-RE合金   压铸   微观组织   力学性能   摩擦学性能  

摘要： 镁合金具有较低的密度和高强度，在材料的轻量化应用上具有巨大的优势，被广泛应用于3C，汽车和航空航天等领域。压铸工艺是目前镁合金制备的主要方式，传但统的压铸合金越来越难满足市场新兴的需求。为了得到一种更高性能和低成本的压铸镁合金，本文设计了一种新型的低Si含量的高性能压铸镁合金。课题组前期研究发现快速凝固Mg-Si-Ce合金具有良好的力学性能，这是因为合金中析出新的热稳定和杨氏模量高的CeMg2Si2稀土相，稀土相的存在不仅本身能强化基体，还可以与Mg2Si相形成半共格强化，有效提高镁合金的力学性能。另外，Al元素是一种常见的强化元素，添加Al元素不仅能提高合金的力学性能，还能提高合金的铸造性能和压铸态力学性能，因此本文以Mg-Si-Ce合金为基础合金，研究Al元素的添加对铸态Mg-Si-Ce合金显微组织和力学性能的影响，并筛选出合适的压铸合金成分。　　本文首先研究了铸态Mg-xAl-1Si-3Ce(x=0,2,4,6)合金的显微组织和力学性能，实验发现铸态Mg-Si-Ce合金的显微组织主要是由镁基体，Mg2Si相和CeMg2Si2稀土相组成，添加适量的Al元素不仅细化了合金晶粒尺寸的大小，改善CeMg2Si2稀土相的形态和分布，而且消耗合金中多余的稀土元素生成新的Al-RE强化相。但过多的Al元素使第二相尺寸粗化，且使Mg17Al12相转向连续网格状转变，恶化了合金的力学性能，所以适量添加Al元素对合金的性能十分有利，其中铸态Mg-4Al-1Si-3Ce合金具有最佳的显微组织和力学性能。　　根据铸态合金的显微组织和力学性能测试结果，筛选出成分最优的Mg-4Al-1Si-3Ce合金作为压铸合金成分，并改变合金中稀土元素的种类，设置了Mg-4Al-1Si-3RE(Ce,La)三种成分的压铸镁合金。实验结果发现压铸Mg-4Al-1Si-3RE(Ce,La)合金中除了析出微米级别的强化相，还析出了大量纳米级别的Al-RE和REMg2Si2稀土相，其不仅可以修饰Mg2Si相的形态，本身也能作为有效的强化相，能有效强化合金的基体，提高合金的力学性能。实验同时发现Mg-4Al-1Si-3RE(Ce,La)合金具有优异的力学性能，其抗拉强度，屈服强度和延伸率分别达到263MPa，167MPa和12.03%，明显高于典型的压铸AS41合金，其优异的力学性能归功于细晶强化，固溶强化和弥散的第二相强化。　　另外，实验还发现Mg-4Al-1Si-3RE(Ce,La)具有优秀的磨擦磨损性能，其磨损机制主要是氧化磨损，磨粒磨损和剥层磨损。三种压铸合金不同的力学性能和摩擦磨损行为是合金中添加不同的稀土元素造成的，不同的稀土元素会对晶粒有着不同的细化效果，同时会析出不同的金属间相成分，从而进一步导致机械性能的差异，结果表明混合添加稀土元素Ce，La的力学性能好于单独添加稀土元素。

关键词： 镁合金   激光   表面改性   非晶化   数值模拟  

摘要： 镁合金具有良好的生物相容性、较高的比强度和优异的可降解性能,在新一代内固定材料领域具有良好的应用前景。然而,镁合金的耐腐蚀能力较差,限制了其在临床中的广泛应用。非晶态镁合金具有均一的单相结构,无晶界存在,因而耐腐蚀性能较好。由于传统方法制备的非晶态镁合金尺寸较小,且无法直接加工成形,因此寻求一种在材料表面形成非晶组织的制备方法对促进镁合金材料的临床应用有着积极的现实意义。本文以生物MgZnCa合金为研究对象,通过数值模拟的方法研究了镁合金激光非晶化温度场分布规律,分析了镁合金激光表面非晶化的形成条件和影响因素;利用光纤激光器在MgZnCa合金表面制备了非晶涂层,并探究了激光扫描速度和合金表面有机保护涂层对MgZnCa合金非晶涂层微观组织、物相组成、显微硬度和耐腐蚀性能的影响规律。主要研究结果如下:利用ANSYS Workbench软件,建立了MgZnCa合金激光非晶化过程的三维瞬态温度场分析模型,综合考虑了相变潜热、热传递方式以及热物性参数对温度场的影响。数值模拟结果表明,熔池的最高温度分布与激光的移动速度存在关联,略滞后于激光光斑中心所在的物理位置;提高激光的输出功率可以提高熔池的自冷温度梯度;当激光扫描速度分别为500、100、2000和4000 mm/min时,熔池平均冷却速度分别对应为426.0、1003.2、2239.7和4798.3℃/s,高于玻璃化转变温度(T)的停留时间分别为0.8、0.35、0.16和0.07 s。增加激光扫描速度可以提高熔池的冷却速度,显著缩短停留时间,有利于实现MgZnCa合金表面非晶的形成。在激光功率为200 W,扫描速度分别为2000和4000 mm/min时,均可以在镁合金表面形成非晶层。非晶层的平均显微硬度由加工前的200 HV增加到了470 HV,提高了2.35倍。非晶层主要由非晶相和少量的晶相组成,其中,晶相为α-Mg和MgZn相,出现少量晶相的原因是在于非晶层在后续的激光加工过程中受到了热影响的作用。激光扫描速度越高,已形成的非晶层受到的热影响作用越少。采用有机涂层保护时,合金表面的氧化现象明显得到抑制。当激光扫描速度为2000 mm/min时,熔池深度为780μm,熔池宽度为2121μm;当扫描速度为4000 mm/min时,熔池深度为530μm,熔池宽度为1689μm。实际测得的熔池深度和熔池宽度与数值模拟结果相比误差均低于10%。三种样品(2000 mm/min,代号S1;2000 mm/min辅以有机涂层保护,代号S2;4000mm/min,代号S3,下同)在人工模拟体液中浸泡168 h后,它们的质量损失速率分别为0.192%(S1)、0.175%(S2)和0.125%(S3),与铸态镁合金相比,分别下降了6.0倍、6.6倍和9.2倍。样品S3在人工模拟体液中的腐蚀电位为-1.15 V,与样品S1、S2和铸态合金相比,分别正移了0.07、0.05和0.16 V。样品S1、S2和S3的腐蚀电流密度为1.91×10、1.53×10和9.2×10 A/cm,与铸态合金相比,腐蚀电流密度分别下降6倍、8倍和13倍。

关键词： β型钛合金   相变   变形方式   回弹   生物相容性  

摘要： 钛合金由于其高的比强度、低的弹性模量、优良的耐蚀性以及良好的生物相容性等性能特点已经在生物医用领域取得了广泛的应用和关注。相比于目前广泛使用的(α+β)型Ti-6Al-4V合金,β型钛合金的模量更低、生物相容性更好,然而变形方式为应力诱发?″马氏体相变或{332}<113>孪生时,其自身低的屈服强度限制了该类型合金作为骨科植入物的应用。当合金用作脊柱固定系统连接棒材料时,除了需要考虑上述性能外,还需考虑其回弹性能,具有较低回弹的连接棒有助于医生顺利的完成手术。具有相变和变形方式多样性的β型钛合金为大范围调控回弹性能提供了可能,然而相关研究还比较少。考虑到“Mo当量”和固溶强化这两个因素,本文以Ti-7.5Mo-x O、Ti-10Mo-x O和Ti-15Mo-x O(x=0.1%-0.5%,mass%)合金作为研究对象,分析了Mo/O元素对合金相组成和塑性变形方式的影响。利用三点弯曲实验测试了合金的模量、强度和回弹性能,并综合相组成和塑性变形方式对模量和强度的影响,进一步探究了其对回弹率的影响规律。并且,通过合金表面小鼠成骨样细胞(MC3T3-E1)的黏附、增殖、碱性磷酸酶(ALP)活性和细胞外基质矿化状况调查了上述合金的生物相容性。基于得到的回弹和生物相容性结果,评价上述合金作为脊柱固定系统用连接棒的适用性。结果表明,相同O含量下,随着Mo含量的增加,合金由针状?″马氏体转变为等轴β相,且淬火ω相含量先增加后减少;其塑性变形方式由应力诱发?″马氏体相变向{332}<113>孪生和位错滑移转变。相同Mo含量下,随着O含量的增加,上述合金的相稳定性也逐渐增加,从而使得塑性变形过程中应力诱发?″马氏体相变和{332}<113>孪生受到抑制。相较于Ti-7.5Mo-x O和Ti-15Mo-x O合金,Ti-10Mo-x O合金中存在更多的淬火ω相,该合金表现出最高的弯曲模量和弯曲屈服强度。O含量的增加引起的淬火ω相的减少及其自身导致的固溶强化作用,使得合金的弯曲模量基本保持不变;然而合金的弯曲屈服强度在变形方式的转变和固溶强化耦合作用下逐渐增加。合金的回弹率随Mo含量的增加先减小后增加,与弯曲模量变化趋势相反,此时其回弹率主要取决于模量;而随着O含量的增加,回弹率逐渐增加,与弯曲屈服强度变化趋势相同,此时其主要取决于强度。体外细胞实验结果表明,随着培养时间的增加,Ti-Mo-O合金表面的细胞黏附和铺展面积均显著增大,细胞增殖数目也逐渐增多,表明该类型合金具有较高的细胞黏附和增殖能力。成骨诱导培养7天和14天后,上述合金均保持了较高的ALP活性水平,且均没有在合金表面检测出明显的矿盐沉积。Ti-Mo-O合金由于表面形成稳定的TiO和MoO氧化膜而表现出良好的生物相容性。

关键词： 干细胞移植   外胚层间充质干细胞   植物纤维   神经导管   生物相容性   音猬因子   周围神经损伤  

摘要： 目的:神经导管桥接神经间隙替代自体神经移植对周围神经损伤修复的报道很多,鼻粘膜外胚层间充质干细胞（EMSC）是移植治疗周围神经损伤的重要种子细胞。越来越多的研究者开始关注干细胞/组织工程支架移植。本研究旨在探究:（1）植物来源的神经导管与体外培养的鼻粘膜来源外胚层间充质干细胞（Neural stem cells,NSCs）的生物相容性及对其增殖与分化的影响;（2）研究转音猬因子（SHH）的EMSCs能否稳定的表达音猬因子。（3）构建大鼠坐骨神经损伤模型,移植搭载SHH-EMSCs的植物源神经导管,评价其对大鼠坐骨神经缺损的修复效果。方法:（1）取自然界内径为0.2cm的植物管状茎秆,用物理和化学方法去除茎秆的肉质,保留其纤维性管状外形,细胞外基质（ECM）蛋白层黏连蛋白（Laminin）以京尼平交联修饰植物导管表面;（2）体外分离、培养EMSCs,免疫荧光法鉴定其表面标志物。并将传代的EMSCs种植于植物导管表面。（3）评估植物源导管支架与EMSCs的生物相容性,及对其增殖与分化的影响:MTT法测试支架对EMSCs增殖活力的影响;免疫荧光法和免疫印迹法检测MBP及S100蛋白的表达情况。（4）用SHH基因重组腺病毒转染EMSCs,提取细胞蛋白后以免疫印迹法检测SHH的表达情况。并将SHH基因修饰的EMSCs（SHH-EMSCs）种植于Laminin修饰的植物导管表面,荧光显微镜下观察细胞在支架表面的形态及生长情况;（5）联合应用Laminin修饰的植物导管及SHH-EMSCs移植修复SD大鼠坐骨神经缺损:选取25只健康SD大鼠,建立大鼠坐骨神经损伤模型,实验动物随机分五组:单纯坐骨神经损伤组（A组）,坐骨神经损伤单纯移植Laminin修饰的植物导管组（B组）,坐骨神经损伤后联合移植Laminin修饰植物导管和EMSCs组（C组）,坐骨神经损伤联合移植Laminin修饰植物导管和SHH-EMSCs组（D组）;假手术组（E组）;（6）评估治疗效果:动物手术后,动态测试其后肢运动功能,计算坐骨神经指数（SFI）。动物存活19周后在损伤神经远端注射荧光金,进行背根神经节示踪,1周后对双侧背根神经节取材固定作组织切片,荧光显微镜观测比较各组背根神经节内阳性神经细胞数量。坐骨神经组织切片经NF-200抗体免疫组织化学染色后观测导管内神经纤维再生情况。对部分坐骨神经新鲜标本提取组织蛋白后进行Western-blotting定量分析NF-200和MBP蛋白的相对表达水平。对新鲜腓肠肌称重后进行组织切片HE染色,观察比较各组腓肠肌纤维的横截面面积。结果:（1）显微镜下见:经物理、化学法处理后植物神经支架表面具有整齐纵向平行排列的条纹,经Laminin修饰后于荧光显微镜观察均可见自发性红色荧光,条纹更清晰。（2）免疫荧光染色可观察到传代培养的EMSCs高表达Vimentin和Nestin,表明本实验分离培养的EMSCs有较高纯度。（3）EMSCs在植物纤维导管表面生长良好且成定向排列,MTT细胞活性检测显示,生长曲线呈S形且与对照组生长曲线相似。免疫荧光及免疫印迹实验结果显示种植于该导管表面的EMSCs表达MBP和S100且均高于其余组（p＜0.05）;（4）转染重组SHH腺病毒后EMSCs可稳定高表达SHH;（5）SD大鼠体内实验后,联合移植Laminin修饰植物导管和SHH-EMSCs组（D组）的SFI恢复快于其它损伤组（p＜0.05）;（6）术后5月,各组移植导管与损伤神经的桥接状态良好,局部无明显的炎症反应;导管移植组均可见再生神经纤维通过导管生长进入肌肉组织;D组背根神经节内阳性神经细胞多于其它实验组;腓肠肌纤维的横截面面积大于其它损伤组;D组导管内的NF-200阳性神经纤维密度明显高于其它损伤组,NF-200和MBP的相对表达水平高体于其它实验组（P＜0.05）;结论:（1）植物导管与EMSCs具有良好的生物相容性,Laminin修饰的植物源神经导管可促进EMSCs向雪旺细胞分化,可为天然植物源神经导管负载种子细胞移植修复坐骨神经提供新的理论依据。（2）联合应用Laminin修饰的植物源神经导管及SHH-EMSCs移植修复SD大鼠坐骨神经缺损,可以促进坐骨神经缺损后的形态和功能恢复。

关键词： AZ91D镁合金   超声表面滚压处理   表面纳米化   回复处理   耐磨性能  

摘要： 目前,我国的汽车保有量位居世界前列,在面对当今气候变暖及资源匮乏等一系列问题时,汽车零部件的“轻量化”能够在一定程度上减少排放,保护环境,节约资源。镁合金由于密度小而能够有效减小汽车质量,因此其在汽车上的大量应用成为必然趋势。然而,镁合金耐磨性能较差,不利于其大范围应用。鉴于超声表面滚压处理能够显著改善合金表面性能,本文对AZ91D镁合金进行超声表面滚压处理,并研究其表面纳米化机制、力学性能及耐磨性能;同时,为了进一步改善AZ91D镁合金的耐磨性能,对滚压强化后的AZ91D镁合金试样进行不同温度下的回复处理,探究回复处理温度对试样组织变化、力学性能及耐磨性能的影响。试验得到的主要结论如下:(1)超声表面滚压处理后AZ91D镁合金的微观组织发生了变化,研究发现:试样在滚压处理后表面产生塑性变形层,其厚度约为190μm,并且表面硬度相较于未处理试样提高了64.9%。另外,在塑性变形初期,变形孪晶主导了试样的变形;随着变形程度的增大,位错开始滑移,当位错运动受阻时,位错堆积形成位错墙,并将粗晶细化为亚晶。同时,靠近试样表层的组织会发生动态再结晶。最终,AZ91D镁合金通过多种塑性变形机制实现了表面纳米化。(2)对不同载荷和不同频率下超声表面滚压处理前后AZ91D镁合金的摩擦磨损行为进行研究,结果表明:在同一载荷或同一频率下,超声表面滚压处理AZ91D镁合金的体积磨损量和摩擦系数均小于未处理试样;同时,相较于未处理试样,滚压处理后试样的磨损程度更轻。(3)回复处理后AZ91D镁合金试样的微观组织及力学性能发生了变化,研究发现:当回复处理温度为150℃时,试样的变形层厚度约为160μm;当温度逐渐升高时,变形层厚度逐渐减小,变形层中的晶粒逐渐长大。同时,随着回复温度的升高,试样表面硬度逐渐下降,塑性逐渐提高。(4)对回复处理前后的超声表面滚压处理AZ91D镁合金的摩擦磨损行为进行研究,结果表明:当试验参数相同时,与其他温度下的回复处理试样相比,经150℃的温度回复处理后试样的体积磨损量、摩擦系数、磨损率及磨痕横截面轮廓均最小,其磨损面的磨损程度也最轻。

关键词： 镁合金   超声振动辅助铣削   切削力   切削温度   有限元模拟   腐蚀实验  

摘要： 由于镁合金具有可降解性,近年来在医用植入物方面得到了越来越多的关注。然而在人体环境中,镁合金易腐蚀导致过早失去应有的力学支撑作用。通常,材料加工引起的表面完整性影响构件的性能和使用寿命,因此,镁合金植入物材料的加工必然影响其抗腐蚀性能。通常采用球头铣削加工一些复杂型面,由于镁合金燃点低、易腐蚀,采用球头干铣削可以避免加工过程中切削液对加工表面的腐蚀,但加工工艺仍然会影响镁合金切削性能（切削温度和切削力）、表面完整性和抗腐蚀性能。通常,超声辅助铣削可以在一定程度上降低切削温度和切削力,改善表面形貌,进一步提高抗腐蚀能力。因此,本课题研究超声振动辅助球头干铣削加工AZ31B镁合金,基于平面工件模型进行球头干铣削仿真,从而预测切削力和切削温度,为球头干铣削实验选择合理的加工参数提供依据。通过球头干铣削实验,分析不同工艺参数组合对切削性能、表面形貌和电化学腐蚀特性的影响,得出最佳工艺参数组合。本文的主要工作包括以下三部分。第一部分通过铣削仿真研究加工参数对切削力、切削温度、应力和应变的影响。首先在Catia V5中建立球头铣刀的几何模型,导入ABAQUS并建立球头干铣削几何模型;其次,基于Johnson-Cook本构模型建立球头干铣削有限元模型并进行仿真;最后对仿真结果进行方差分析,说明应力随超声振幅的增大而增大,而应变随超声振幅的增大而减小。进给速度对切削力的影响最大,主轴转速对切削温度的影响最大,超声振幅对二者的影响都不太大。第二部分通过实验研究加工参数对切削力、切削温度和表面完整性的影响。采用田口法设计切削实验,减少加工成本和时间。方差分析结果表明,进给速度是影响Z向切削力和三维表面粗糙度Sa的最主要因素,主轴转速是影响y向切削力和最高切削温度的最主要因素,切削深度是影响x向切削力、三维表面粗糙度Sz和表面硬度的显著因素,而超声振幅的影响不显著,但在主轴转速大于5000 rev/min时,超声振动的辅助作用可以在一定程度上降低切削温度。第三部分研究表面粗糙度和硬度对抗腐蚀性能的影响。通过电化学腐蚀实验分别研究加工试样中表面粗糙度和硬度差异最大的样品在模拟体液中的腐蚀特性,主要通过电化学阻抗谱测试和极化曲线,分析电流密度、腐蚀电位和极化电阻。结果表明,表面粗糙度较低和硬度较高的工件表面具有较强的耐蚀性,超声辅助球头干铣削的工件表面腐蚀速率比相同加工参数下传统铣削的工件表面腐蚀速率降低25.6%。