关键词： AZ31B镁合金   304不锈钢   电阻点焊   高熵合金   抗剪载荷  

摘要： 以FeCoNiCrMn高熵合金为中间层,获得高质量的AZ31B/不锈钢电阻点焊接头。分析过渡区与两侧母材的反应扩散行为,检测接头性能并优化焊接工艺。结果表明:包含FeCoNiCrMn颗粒的过渡区成功连接镁、钢两母材。镁合金侧界面主要是颗粒周围反应生成的Fe4Al13金属间化合物;而不锈钢侧边界主要由(Fe,Ni)固溶体和Fe4Al13金属间化合物两部分组成。拉剪载荷F随焊接电流I和焊接压力P的增加,焊接时间t的延长,呈现出先升高后降低的趋势,在18.2~22.5 kA,15~35周波,2.0~10.6 kN的实验工艺范围内,添加高熵合金镁/钢点焊接头拉剪载荷在3.2 kN以上,最大拉剪载荷为5.605 kN,相比未添加高熵合金镁/钢点焊接头拉剪载荷提高了397%。高熵合金过渡层形成了大量(Fe,Ni)固溶体,减少Fe4Al13脆性金属间化合物的生成,有效提高了接头的力学性能。

关键词： Er   镁合金   固溶   时效   析出  

摘要： 改善镁合金的抗高温性能,增强镁合金的热稳定性一直是镁合金研究中的一个重要领域。本文研究了Mg-5Zn-3Sn-xEr(x=0、0.5、1、2)合金通过335℃保温24h,440℃保温24h,480℃保温18h的三级固溶后150℃中时效的析出机制。发现Mg-Zn-Sn-Er合金中铸态下凝固的相全部固溶于基体中。时效后,MgZn2的沉淀相以'β1平行于α-Mg基体的[0001]方向析出和'β2在(0001)生成。Mg_(2) Sn一般垂直于较长MgZn2针,呈现短条状,易于在MgZn2针的端部生长。MgSnEr以MgZn2作为形核质点进行异质形核。

关键词： 搅拌摩擦焊   AZ31B镁合金   底部辅热   热循环曲线  

摘要： 针对镁合金搅拌摩擦焊接头底部成形不良的问题,对4 mm厚AZ31B镁合金板进行底部辅热搅拌摩擦焊,研究了底部辅热对镁合金接头底部区域温度及组织性能的影响。结果表明:施加底部辅热后,焊缝底部散热减少,峰值温度得到提升。同时,底部辅热可以软化金属,提高材料的流动性,焊缝底部的孔洞缺陷消失,底部组织得到细化,接头的抗拉强度和伸长率得到提升。

关键词： 镁合金   晶粒组织   变形机制  

摘要： 采用拉伸实验、扫描电镜、电子背散射衍射技术和粘塑性自洽(VPSC)模拟计算等方法分析了不同Mn含量对挤压Mg-1Al-xMn(x=1、2和3,mass%)合金微观组织和塑性变形机制的影响。结果表明:随着Mn含量从1 mass%增加至3 mass%,Mg-1Al挤压合金的强度和塑性得到同步提升,其中Mg-3Mn-1Al合金的力学性能表现良好,拉伸屈服强度、极限拉伸强度和断裂伸长率分别为302 MPa、325 MPa和21%。随着Mn含量的增加,Mg-1Al挤压合金中的第二相数量显著增加,且沿着挤压方向呈带状分布,Mg-3Mn-1Al合金的晶粒最细小,出现明显的混晶组织,平均晶粒尺寸为1.31μm。VPSC模拟结果表明,在Mg-1Al合金中加入Mn元素可以有效抑制基面滑移的启动,有利于促进锥面滑移系的激活,非基面滑移的启动能够有效协调应变,进而提升合金的塑性变形能力,最终实现强度和塑性的同步提升。

关键词： aFGF   磺化壳寡糖   温敏凝胶   缓释研究   生物相容性  

摘要： 通过合成反应制备了P407-P188泊洛沙姆和磺化壳寡糖复合温敏凝胶并负载aFGF,用于对aFGF进行缓释保护。SEM结果表明该复合温敏凝胶呈疏松多孔,层状分布,有助于吸附aFGF蛋白。体外释放实验结果表明在5d以后,aFGF的释放基本呈缓慢持续增长,说明复合温敏凝胶具有缓控释放的效果。生物相容性评价表明aFGF磺化壳寡糖温敏凝胶在小鼠体内存在异物性,但并没有毒性和抗原性,且具有良好的生物相容性。

关键词： 铸造镁合金   固溶处理   力学性能   显微组织   强化机理  

摘要： 探讨了固溶温度和固溶时间对EV31A镁合金力学性能、显微组织、断口形貌的影响。结果表明:当固溶温度520℃时,EV31A镁合金综合力学性能最优。固溶时间大于6h后,固溶时间对其抗拉强度、伸长率的影响不大,固溶时间取6~10h为宜。

关键词： Mg-Zn-Ca-Sr合金   高压扭转   体外降解   生物相容性   抗菌性能  

摘要： 随着人口老龄化和现代交通工具普及,以及公众健康需求不断增长,对骨折及骨缺损填充等骨组织修复治疗的需求日益增多。传统金属植入物引起的应力屏蔽效应可能导致骨质欠佳等,可降解金属骨植入物在体内完成修复的同时逐渐降解,避免了二次手术,减轻了患者痛苦。近年来,以镁及镁合金为代表的可降解金属,因具有良好的生物相容性、适宜的弹性模量及可降解的特性,逐渐成为了骨折内固定及骨缺损修复材料的研究热点,是一类非常具有应用潜力的医用金属材料。 本课题组研发的可生物降解骨植入用Mg-3Zn-1Ca-0.5Sr(wt.%)合金(下称ZXJ310合金),具有全营养元素组成的特点,挤压态ZXJ310合金具有良好力学性能。然而ZXJ310合金中存在粗大的第二相,合金的降解速率过快,前期动物试验研究发现,体内植入时存在快速降解、产气严重的现象,限制了其临床推广和应用。因此,有必要通过优化材料加工手段,改善合金的组织,以提高镁合金的力学性能和耐腐蚀性能,从而降低降解速率。而采用高压扭转变形(High Pressure Torsion,下称HPT)工艺可以细化晶粒和破碎并改善第二相分布,从而提升合金的力学性能,改善耐腐蚀性能,将高压扭转变形工艺应用于镁及镁合金加工,可提高其在生物医学应用中的潜力。 因此,本论文以ZXJ310镁合金为研究对象,通过HPT对该镁合金的晶粒进行细化,对第二相进行充分破碎并实现均匀弥散分布,结合后续热处理工艺对合金的显微组织和力学性能进行调整,改善合金的非均匀腐蚀行为,以期得到耐腐蚀性能优良、生物相容性良好的合金,以满足骨科和神经外科对微型接骨板、颅骨板,以及口腔科对拔牙窝骨填充修复时使用的口腔金属膜的临床需求,同时,促进细晶化全营养元素镁合金在硬组织修复领域的推广应用。 结合文献调研和前期不同压力的预实验,ZXJ310镁合金高压扭转的试验压力为7.85 GPa,转速设定为1 rpm,对合金进行0.5、1、3、6、10、15周次的高压扭转变形。利用光学显微镜OM、扫描电子显微镜SEM、透射电子显微镜TEM和能谱分析EDS研究了高压扭转对挤压态ZXJ310合金的微观组织和性能变化的影响。结果显示,挤压态ZXJ310镁合金由α-Mg基体、Ca2Mg6Zn3相以及Mg17Sr2相组成,在合金纵截面中,粗大的Mg17Sr2相和尺寸相对较小的Ca2Mg6Zn3相沿挤压流线分布;挤压态ZXJ310镁合金的平均晶粒尺寸为6.4 μm。光学显微镜观察结果显示:随着高压扭转周次的增加,第二相从边缘到中心实现弥散分布,扭转变形区域逐步扩展,在15周次时实现合金整体的扭转变形和晶粒细化,金相显微镜下无法看到晶界。通过TEM观察,在高压扭转初期(0.5周次)合金内部出现高密度位错和条状晶粒,随着高压扭转周次的增加(1周次),合金内部出现位错胞,并且有向多晶转变的趋势。当高压扭转周次增加至3周次时,已经具有多晶衍射环特征。随着累积应变增大,合金经历晶粒拉长、位错增殖及湮灭重组后形成新的晶界。最终经过15周次高压扭转后,合金平均晶粒尺寸为98nm,已细化至纳米晶,但晶内存在高密度位错。SEM图像显示,经过15周次高压扭转处理,合金纵截面细化效果明显,流线组织消失,第二相破碎后呈弥散分布。 利用SEM、EDS、腐蚀失重实验以及电化学工作站研究了退火处理对高压扭转ZXJ310合金的微观组织和体外降解性能的影响。结果表明:高压扭转态ZXJ310合金在150℃退火时,随着退火时间延长(0-4 h),合金的平均晶粒尺寸由高压扭转态的98.3 nm,分别增长至 169.8 nm、217.6 nm、220.2 nm 和 259.5 nm。通过 TEM 观察可知,高压扭转合金中的位错密度明显降低;电化学测试显示:随着退火时间延长,腐蚀电位明显正移,合金Nyquist图谱中的容抗弧半径逐渐增加,退火4 h后合金的电化学腐蚀速率可以降低至0.32 mm/y;合金在模拟体液中的浸泡失重试验结果也表现出同样的趋势;对合金的腐蚀产物进行分析,退火处理显著改善合金在模拟体液中的浸泡腐蚀行为,增加腐蚀产物膜层的致密性和稳定性。合金浸泡120h后均能产生含羟基磷灰石的Ca-P化合物。 通过细胞活死染色、细胞骨架染色、细胞划痕和直接接触抗菌实验对最佳工艺制度热处理(150℃退火4h)的高压扭转退火态ZXJ310镁合金的生物相容性和抗菌性评价。高压扭转退火态ZXJ310镁合金浸提液对细胞无毒性、对细胞的迁移和黏附无抑制效果,呈现出良好的生物相容性,且对细胞成骨分化具有一定促进效果。高压扭转退火态ZXJ310镁合金与金黄色葡萄球菌球菌共培养,由于合金降解过程中产生Zn2+、Sr2+等金属离子和OH-升高对细菌代谢的扰乱作用,高压扭转退火态ZXJ310合金显示出良好的抗菌性能。 通过建立大鼠颅骨

关键词： 镁合金   合金化   表面电势   微电偶腐蚀   原位观察  

摘要： 镁合金的腐蚀行为与其微观结构密切相关,常规腐蚀测试手段难以深入探究镁合金局部腐蚀演化过程,腐蚀原位观察技术可准确表征镁合金在电解液中的腐蚀行为,有助于开发新型耐蚀镁合金。为了更直接和更全面地了解镁合金的腐蚀机理,本研究采用多种原位观察技术记录了稀土Nd、Y元素改性的Mg-Al系镁合金腐蚀演化过程,阐明了不同稀土金属间化合物对镁合金微电偶腐蚀的影响规律,在机制机理上对金属间化合物如何实现镁合金耐蚀性能改善进行解释。 采用原位光学显微镜（In-situ OM）、原位激光扫描共聚焦显微镜（In-situ LSCM）、原位电化学光学显微镜技术（In-situ EC-OM）、准原位扫描电子显微镜（Quasi-in-situ SEM）、扫描开尔文显微镜（SKPFM）探究了Mg-7Al-1Fe-xNd合金的微电偶腐蚀行为。Mg-7Al-1Fe合金由α-Mg基体、β-Mg17Al12相和Al Fe3相组成。在Mg-7Al-1Fe合金中加入Nd不仅细化了β-Mg17Al12相,而且还抑制了阴极Al Fe3相。扫描开尔文显微镜（SKPFM）结果显示,Nd-rich/α-Mg（～220 m V）的电位差显著小于Al Fe3/α-Mg（～400 m V）,大于β-Mg17Al12/α-Mg（～150 m V）。原位激光扫描共聚焦显微镜（In-situ LSCM）结果表明,氢气泡起源于接近Al Fe3相的基体,微电偶腐蚀优先在强阴极Al Fe3相周围开始。通过电化学控制下的原位光学显微镜研究了Mg-7Al-1Fe-xNd合金在电解液里的局部微电偶腐蚀过程和腐蚀动力学信息,结果表明,Mg-7Al-1Fe合金的Al Fe3/α-Mg边界处发生了严重的腐蚀,可引起沿β-Mg17Al12相延伸的丝状腐蚀,而Mg-7Al-1Fe-0.8Nd合金仅发生了轻微的腐蚀。在微尺度动电位极化试验中,Mg-7Al-1Fe-0.8Nd的电流密度远小于Mg-7Al-1Fe合金,Mg-7Al-1Fe-0.8Nd合金中富Nd相的形成导致了电位差从～400 m V（Al Fe3/α-Mg）降到了～220m V（Nd-rich/α-Mg）,因此减少了阴极相周围的腐蚀产物和微尺度区域的腐蚀电流密度。Mg-7Al-1Fe-0.8Nd合金具有最低的电流密度(icorr=9.2μA·cm-2),最大的电荷转移电阻(Rct=302.8Ω·cm2)和最低的平均腐蚀速率（PH=5.3 mm/y,PW=5.8 mm/y）。Nd的加入显著提高了耐腐蚀性,这主要是因为减弱了第二相与α-Mg基体之间的微电偶效应。 采用原位光学显微镜、准原位扫描电子显微镜、扫描开尔文显微镜揭示了稀土Mg-9Al-1Zn-（x Y）镁合金的微电偶腐蚀行为。Mg-9Al-1Zn基体合金的具有连续网络结构的β-Mg17Al12相和块状灰色的Al-Mn相组成。当添加稀土Y至Mg-9Al-1Zn合金后,β-Mg17Al12变成了精细的网络破碎结构,并且形成了新的富Y稀土相。Mg-9Al-1Zn-（x Y）合金的SKPFM结果显示:Y-rich/α-Mg（～230m V）的电位差显著小于Al-Mn/α-Mg（～300 m V）,大于β-Mg17Al12/α-Mg（～170 m V）。原位光学显微镜和准原位扫描电子显微镜腐蚀观察结果表明:强阴极Al-Mn相周围发生了强烈的微电偶腐蚀,富Y相与基体的微电偶效应较弱,β-Mg17Al12相短期内没有观察到明显的腐蚀变化。根据失重析氢实验和电化学测试实验,Mg-9Al-1Zn-0.6Y合金(Pw=0.14 mm·y-1,icorr=10.03μA·cm-2)和Mg-9Al-1Zn-1.2Y合金(Pw=0.24 mm·y-1,icorr=14.92μA·cm-2)的腐蚀速率均远小于基体Mg-9Al-1Zn合金的(Pw=2.92 mm·y-1,icorr=80.02μA·cm-2)腐蚀速率。Mg-9Al-1Zn镁合金中体积分数较大的β-Mg17Al12相在长期浸泡中引发了强烈微电偶腐蚀,引入稀土元素Y显著减少了有效阴极相(包括β-Mg17Al12相和富Y相)的面积,分散分布的β-Mg17Al12相和富Y相对提高镁合金的耐蚀性具有积极作用。

关键词： 超声空化   微磨粒   Ti-Ta合金   微纳织构   生物相容性  

摘要： 微观表面形貌对植入体的生物相容性具有重要影响。微纳织构表面可以表现出更加优异的生物相容性,这为植入体的发展提供了新的方向。随着国内外人口老龄化的加剧,国内外对植入体的需求日益增长,Ti-Ta合金作为一种优质的人体骨骼植入体材料,已在临床医学领域逐步得到应用。然而,Ti-Ta合金植入体与周围成骨细胞的结合仍然是一个亟待解决的问题。因此,研究者们正致力于Ti-Ta合金植入体表面改性,改善其生物相容性,更好地服务于广大患者。超声空化微磨粒协同冲击Ti-Ta合金表面,形成微纳织构,有利于与周围成骨细胞的结合,从而提高Ti-Ta合金植入体的生物相容性,但是对于Ti-Ta合金表面微纳织构的研究开发和生物相容性验证始终缺乏完备的综合理论和试验研究。为探究超声空化微磨粒协同加工Ti-Ta合金微纳织构表面的生物相容性,本文以空泡动力学为基础,构建了超声空化微磨粒协同冲击Ti-Ta合金的速度-压强模型、冲击载荷模型等理论模型,进而模拟分析了超声场和空化泡溃灭无量纲量（R/R0）的影响,通过试验加工获得了微纳织构表面Ti-Ta合金,并利用细胞培养试验评估了其生物相容性优劣,最终,综合形成了“理论+模型+仿真+试验+验证”的整体论文框架,全面探讨了超声空化微磨粒协同冲击Ti-Ta合金微纳织构表面的生物相容性。开展的主要研究内容如下: （1）研究了超声空化微磨粒协同作用机理。从超声振动加工入手,研究超声振动加工系统设备,分析超声振动加工原理,对比了多种空泡动力学模型及机理,进而从理论上阐明了超声空化效应与微磨粒协同作用原理。此外,以空化泡动力学为基础,建立了冲击波、微射流和微磨粒统一受空化泡溃灭无量纲量（R/R0）影响的连续控制方程,将三者进行一体化研究;进而建立超声空化的速度-压强模型,超声空化诱导微磨粒的粒径-速度-压强模型;最后建立超声空化效应和微磨粒在Ti-Ta合金表面的冲击载荷模型。综合构建了超声空化微磨粒协同冲击Ti-Ta合金全过程数值理论模型,为超声空化微磨粒协同冲击Ti-Ta合金提供了数值理论基础。 （2）探讨了超声空化微磨粒协同冲击Ti-Ta合金全过程数值模型的参数影响。通过控制变量法分析超声场频率、声压变化对空化泡溃灭无量纲量（R/R0）的影响,得到最大空化泡溃灭无量纲量（R/R0）,并利用Matlab软件仿真分析空化泡溃灭无量纲量（R/R0）对冲击波、微射流速度-压强的影响规律,进而研究超声空化能量、微磨粒粒径对微磨粒速度-压强的影响。结果表明,冲击波、微射流速度-压强受空化泡溃灭无量纲量（R/R0）的正向影响,无量纲量越大,其速度越快,压力越高;微磨粒速度-压强同样受冲击波、微射流的正向影响;在10-30μm范围内,微磨粒的粒径越小,速度和压强越大。这些为后续的试验研究提供了微磨粒参数选择的参考,有助于降低试验过程中的试错成本。 （3）反演分析了超声空化和超声空化诱导的微磨粒冲击对Ti-Ta合金表面造成的冲击载荷和压强,验证了超声空化和微磨粒压强模型的正确性。以试验获取的超声空化和微磨粒侵蚀凹坑参数为基础,反演分析超声空化和微磨粒在Ti-Ta合金表面的冲击载荷,进而对比超声空化和微磨粒压强的反演及模拟结果,以模拟和试验相结合的反演对比分析得到超声空化压强误差率为1.751%,微磨粒压强误差率为8.769%,证实了超声空化和微磨粒整体数学模型的正确性。另外,拟合方程的建立,为超声空化和微磨粒在Ti-Ta合金表面的冲击载荷计算提供了新的经验模型。 （4）试验研究了超声空化和不同粒径、不同质量分数微磨粒冲击Ti-Ta合金的形貌特点。试验结果显示,超声空化冲击Ti-Ta合金的侵蚀凹坑呈黑色,导致了表面材料去除和剥落,形状轮廓呈带有毛刺的不规则形状;而球形光滑微磨粒冲击Ti-Ta合金的侵蚀凹坑则保持了原有表面颜色,未造成材料去除和剥落,整体形状呈碗状。对比得到在表面形貌方面,Ti-Ta合金表面的超声空化侵蚀凹坑增加了颗粒脱离进入血液的风险,故超声空化冲击Ti-Ta合金的生物相容性不如微磨粒冲击Ti-Ta合金的生物相容性。通过表征结果发现,不同粒径的球形光滑微磨粒冲击Ti-Ta合金,主要影响侵蚀凹坑的直径和深度,粒径越大,侵蚀凹坑直径和深度越大;不同质量分数的球形光滑微磨粒冲击Ti-Ta合金,主要影响侵蚀凹坑的数量。此外,在微磨粒粒径方面,对比相应文献,发现10μm微磨粒侵蚀Ti-Ta合金得到的粗糙度、表面形貌、侵蚀凹坑参数等,更利于Ti-Ta合金表面微纳织构的生物相容性,但合适的质量分数无法通过冲击试验确定。 （5）设计并进行了细胞培养试验,验证了Ti-Ta合金微纳表面的细胞相容性,并优化了加工过程中微磨粒粒径和质量分数的选择。首先,在经过不同粒径微磨粒加工过的Ti-Ta合金表面进行细胞培养试验,通过表面细胞染色后的宏观变化以及吸光度数据

关键词： 镁合金   激光熔覆   非晶复合涂层   稀土氧化物   表面性能  

摘要： 镁合金由于密度低、比强度高、加工性能良好等特点,广泛应用在电子产品、汽车工业、医疗设备及航空航天产品中。但其较低的表面硬度,耐磨性和耐腐蚀性差的问题阻碍了其进一步的发展。Zr基非晶合金具有强度高、耐磨性和耐腐蚀性好的优点,掺杂微量稀土氧化物可以进一步提高其性能。然而使用纯锆进行粉末配比时,纯锆易氧化的特点会给涂层引入多余的氧。所以本文采用激光熔覆的表面成形技术在镁合金表面制备Zr/Zr H2-Al-Ni-Cu非晶涂层。 Zr-Al-Ni-Cu涂层主要由白色花瓣状Zr3O和深灰色块状Al5Ni3Zr2组成。Zr H2-Al-Ni-Cu涂层中主要是以深灰色树枝状相和块状相形式存在的Al5Ni3Zr2,Zr H2-Al-Ni-Cu涂层中氧含量低于Zr-Al-Ni-Cu涂层。涂层中部为非晶含量最高的区域。表面性能方面前者硬度650 HV0.2比后者低40 HV0.2。Zr H2-Al-Ni-Cu涂层磨损量0.1095 mm3,Zr-Al-Ni-Cu涂层磨损量0.1205 mm3两者相差0.011 mm3,为基体磨损量的约10%,均远优于基体。Zr H2-Al-Ni-Cu涂层自腐蚀电位相比于基体提高1.144 V,Zr-Al-Ni-Cu涂层自腐蚀电位相比于基体提高0.868 V,前者涂层耐腐蚀性优于后者。 稀土氧化物可以净化氧杂质,提高涂层表面性能。本文在Zr/Zr H2-Al-Ni-Cu基础上制备了Zr/Zr H2-Al-Ni-Cu-x M（x=0.5%、1%、1.5%、2%、2.5%、3%,M=Y2O3、La2O3、Ce O2）涂层。随着稀土氧化物含量的增加,涂层高度逐渐降低,顶端由弧形逐渐变为平面。非晶含量先增大后减小,x=1.5%时非晶含量最高,耐腐蚀性最好。晶化相尺寸先减小后增大,x=1%时晶化相最小,硬度及耐磨性最优。适量Y2O3可以提高涂层非晶形成能力,La2O3对硬度提高最为明显,Ce O2能很好的增加涂层耐腐蚀性。 在Zr-Al-Ni-Cu-xY2O3涂层中,涂层中Y元素聚集为黑色小球状的YAl O3,尺寸随稀土含量的增加而逐渐增大,白色的Zr3O相数量逐渐减少。x为1.5%时,对涂层中晶化相抑制作用最强。在Zr H2-Al-Ni-Cu-x Y2O3涂层中,x≤1.5%时富Y黑色小球尺寸随着含量的增加逐渐变小,涂层中晶化相主要为树枝状Al5Ni3Zr2,x≥2%时黑色小球完全消失,涂层中出现块状相和明显晶界。 在Zr-Al-Ni-Cu-1.5%M（M=La2O3、Ce O2）涂层中,La和Ce元素分布均匀,主要有深灰色块状Al5Ni3Zr2,和白色Zr3O组成。1.5%Ce O2非晶含量低于Zr-Al-Ni-Cu,说明Ce O2不适合用来提高非晶形成能力。在Zr H2-Al-Ni-Cu-1.5%M（M=La2O3、Ce O2）涂层中,Zr3O和Al5Ni3Zr2相互依存生长,Zr3O表现为白色片层状。