面向生物医用的镁合金材料的制备与加工

论文摘要

本世纪生物医用材料迅猛发展,其中镁合金作为生物医用材料有诸多优于其他金属材料的性能。本论文以制备适于生物医用的镁合金材料为目的,以Mg-Mn和Mg-Zr合金为基础,添加Ca、Zn合金元素,制备适于生物医用材料的MZ1和MZ2合金锭坯,通过对合金锭坯组织的分析,优化合金成分,确定MZ1和MZ2镁合金的成分。将MZ1和MZ2合金锭坯进行均匀化退火后,分别进行挤压、轧制加工成形,对加工工艺进行优化,制备出适于生物医用的镁合金棒材、板材。通过合理的热处理工艺制度,改善镁合金板材的综合力学性能,制备出满足力学性能要求的镁合金生物医用材料。主要工作和研究成果如下：（1）根据生物相容性要求并通过分析铸锭组织,优化合金成分,确定了MZ1和MZ2合金生物材料的最佳成分配比。（2）研究了铸锭工艺参数对镁合金组织的影响,确定了最佳铸造工艺参数：浇注温度700℃,冷却水流量5L/min。在此工艺制度下铸锭组织均匀、圆整,晶粒细小。（3）均匀化退火能消除铸锭组织晶内偏析,使合金元素分布均匀,改善合金铸锭的加工性能。通过对比不同均匀化制度下的组织,发现在铸锭组织不发生明显长大的条件下,温度越高,均匀化所用的时间越短,合金晶界上化合物更细小而弥散,合金的塑性更好。确定MZ1合金的均匀化退火的最佳工艺参数：退火温度为410℃；退火时间为8h；MZ2合金的均匀化退火的最佳工艺参数：退火温度为410℃；退火时间为16h。（4）通过MZ1合金进行挤压成形实验研究,确定最佳挤压工艺参数：挤压温度350℃,挤压比为10,挤压速度20mm/s,在上述工艺条件下成功制备Φ29mm的合金棒材。（5）通过研究轧制工艺参数对MZ2合金板材组织的影响规律,确定道次间退火温度为380℃、350℃、320℃,由高温到低温分阶段对合金锭坯进行轧制。道次压下量控制在10%～20%,制备出了1.0mm厚适合生物医用材料的镁合金板材。（6）研究了不同时效制度对MZ1和MZ2合金加工组织及性能的影响。确定MZ1合金最佳时效工艺参数为：时效温度175℃,时效时间12h,合金的抗拉强度可达270MPa,延伸率为8.72%；确定MZ2合金最佳时效工艺参数为：时效温度170℃,时效时间12h,合金的抗拉强度可达320MPa,延伸率为19.2%。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第1章 绪论
• 1.1 生物医用材料的概况
• 1.1.1 生物医用材料的概念
• 1.1.2 生物医用材料的功能
• 1.1.3 生物材料的类型与应用
• 1.2 镁合金作为生物医用材料的可行性分析
• 1.2.1 镁合金价格低廉及优良的机械性能
• 1.2.2 镁合金良好的生物活性、诱导成骨作用及生物相容性
• 1.2.3 镁合金可降解性
• 1.3 镁的合金化
• 1.3.1 锌元素对镁合金的作用
• 1.3.2 锰元素对镁合金的作用
• 1.3.3 钙元素对镁合金的作用
• 1.3.4 锆元素对镁合金的作用
• 1.4 镁合金生物医用材料的发展现状
• 1.4.1 镁合金生物医用材料的发展现状
• 1.4.2 镁合金作为生物医用材料存在的问题
• 1.5 本课题的研究意义及内容
• 1.5.1 本课题的研究意义
• 1.5.2 本课题的研究内容
• 第2章 实验
• 2.1 合金成分
• 2.2 实验设备
• 2.2.1 熔炼设备
• 2.2.2 轧制设备
• 2.2.3 挤压设备
• 2.2.4 热处理加热设备
• 2.2.5 拉伸设备
• 2.3 实验方案
• 2.3.1 合金锭坯的制备
• 2.3.2 均匀化退火
• 2.3.3 镁合金生物应用材料的挤压加工
• 2.3.4 镁合金生物医用材料的轧制
• 2.3.5 镁合金生物医用材料制品热处理
• 2.3.6 镁合金生物医用材料制品拉伸
• 2.4 组织观察与分析
• 2.4.1 试样制备
• 2.4.2 试样分析
• 第3章 合金元素对镁合金生物医用材料铸态组织的影响
• 3.1 合金元素对MZ1合金组织的影响
• 3.1.1 Ca元素对MZ1合金组织的影响
• 3.1.2 Mn元素对MZ1合金组织的影响
• 3.1.3 Zn元素对MZ1合金组织的影响
• 3.2 合金元素对MZ2合金组织的影响
• 3.2.1 Ca元素对MZ2合金组织的影响
• 3.2.2 Zr元素对MZ2合金组织的影响
• 3.2.3 Zn元素对MZ2合金组织的影响
• 3.3 合金元素对镁合金生物医用材料的细化机理
• 3.3.1 Ca元素对合金组织的细化机理
• 3.3.2 Mn元素对合金组织的细化机理
• 3.3.3 Zr元素对合金组织的细化机理
• 3.3.4 合金元素的细化方式
• 3.4 本章小结
• 第4章 镁合金生物医用材料的铸态组织
• 4.1 镁合金生物医用材料的铸态组织
• 4.1.1 MZ1合金的铸态组织
• 4.1.2 MZ2合金的铸态组织
• 4.2 浇注工艺参数对镁合金铸态组织的影响
• 4.2.1 浇注温度对镁合金铸态组织的影响
• 4.2.2 冷却强度对镁合金铸态组织的影响
• 4.3 本章小结
• 第5章 镁合金生物医用材料加工的研究
• 5.1 锭坯的均匀化处理
• 5.1.1 MZ1合金锭坯的均匀化处理
• 5.1.2 MZ2合金锭坯的均匀化处理
• 5.2 MZ1锭坯的挤压加工
• 5.2.1 挤压工艺参数对MZ1合金挤压成形性能的影响
• 5.2.2 挤压工艺参数对MZ1合金挤压组织的影响
• 5.2.3 MZ1合金热挤压组织的演变过程
• 5.3 MZ2合金的轧制加工
• 5.3.1 轧制工艺参数对轧制过程的影响
• 5.3.2 轧制工艺参数对轧制态组织的影响
• 5.4 结论
• 第6章 镁合金生物医用材料的热处理与组织性能研究
• 6.1 Mg-Zn合金的时效强化机制
• 6.2 MZ1合金的挤压制品热处理组织与性能
• 6.2.1 MZ1合金挤压制品的时效组织
• 6.2.2 MZ1合金挤压制品的组织性能
• 6.3 MZ2合金板材的热处理组织与性能
• 6.3.1 MZ2合金轧材的时效组织
• 6.3.2 MZ2合金轧材的时效组织性能
• 6.4 本章小结
• 第7章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表的论文