Gd對生物醫(yī)用AZ31鎂合金組織和性能的影響*

戚文軍，甘春雷，黃鴻歸，黃正華

廣東省材料與加工研究所，廣東 廣州 510650

生物醫(yī)用鎂合金由于具有可降解、力學(xué)性能與人骨接近及成本較低等一系列優(yōu)點，受到國內(nèi)外學(xué)者廣泛關(guān)注，是目前生物醫(yī)用金屬材料領(lǐng)域研究開發(fā)的熱點．AZ31鎂合金具有密度小、比強度高、比彈性模量大及良好的耐腐蝕和加工成形性能，獲得了廣泛關(guān)注．目前相關(guān)學(xué)者在改善和提高AZ31鎂合金性能方面做了大量的研究工作[1-8]，取得了較多的研究成果．然而，AZ31鎂合金相對較低的力學(xué)性能在很大程度上限制了其進一步推廣應(yīng)用．為了提升AZ31鎂合金的綜合力學(xué)性能，研究者主要通過施加外場及改進成形加工方法等手段[9-11]，有效地改善了AZ31鎂合金的綜合力學(xué)性能，取得了較好的效果．

近年來，通過添加稀土元素改善AZ31鎂合金組織和性能的方法受到重視，但研究主要集中在鑄態(tài)組織及力學(xué)性能方面[12]．Gd是一種重要的稀土元素，能有效改善鎂合金的組織及性能[13-15]．為了進一步了解Gd元素對生物醫(yī)用AZ31鎂合金組織性能的影響，本研究以AZ31鎂合金為基礎(chǔ)，通過加入質(zhì)量分數(shù)1.0%的稀土元素Gd進行合金化，研究Gd元素對擠壓態(tài)生物醫(yī)用AZ31鎂合金組織性能的影響，為進一步提升和改善生物醫(yī)用AZ31鎂合金綜合性能以及拓寬其應(yīng)用范圍提供實驗基礎(chǔ)．

1 實驗部分

1.1 試樣制備

首先將AZ31鎂合金和AZ31+1.0%Gd鎂合金原料分別加熱，使其熔化并在750 ℃下保溫20 min，然后對熔體進行精煉、攪拌以確保合金元素均勻，再分別將熔體溫度降至690 ℃，保溫15 min后澆注于預(yù)熱溫度為200 ℃的鋼模具中，分別獲得AZ31和AZ31-1Gd鎂合金圓棒鑄坯．將圓棒鑄坯在400 ℃下固溶處理20 h后機械加工成直徑為100 mm的擠壓棒坯(圖1(a))，然后進行熱擠壓加工成鎂合金棒材(圖1(b))，其中擠壓溫度為380 ℃、擠壓速度為1.5 m/min、擠壓比為25．

圖1 擠壓棒坯和擠壓后的棒材(a)擠壓棒坯；(b)擠壓后的棒材Fig.1 The billet and extruded bar(a)extruded billet；(b)the bar after extrusion

1.2 測試方法

首先鎂合金試樣需經(jīng)粗磨、細磨及拋光處理，然后進行化學(xué)腐蝕，所用浸蝕劑配比為6.0 g的苦味酸+100 mL的乙醇+20 mL的乙酸+40 mL的蒸餾水．用LEICA-DMI3000M型金相顯微鏡觀察試樣的微觀組織；用JSM-5610LV型掃描電鏡對試樣進行成分分析及觀察其拉伸斷口形貌;用MH-5L型維氏硬度計測試鎂合金試樣的硬度，測試10點，取其平均值為試樣的硬度，其中加載負荷為9.8 N，加載時間為20 s；用GP-TS2000型電子萬能材料實驗機進行室溫下試樣拉伸力學(xué)性能測試，測試3次，取其平均值為試樣的抗拉強度、屈服強度和延伸率，其中拉伸速率為2.0 mm/min.

2 結(jié)果與討論

2.1 微觀組織

圖2為AZ31和AZ31-1Gd鎂合金的擠壓態(tài)組織．從圖2可見：經(jīng)大變形熱擠壓加工后鎂合金組織發(fā)生了動態(tài)再結(jié)晶，其中AZ31鎂合金平均晶粒尺寸為20 μm，而AZ3-1Gd鎂合金由于添加了Gd元素，使得合金組織得到細化，其平均晶粒尺寸為15 μm；進一步觀察可以發(fā)現(xiàn)，兩種鎂合金組織中均存在彌散分布的第二相粒子，且AZ31-1Gd鎂合金組織中含有更多的第二相粒子，這些第二相粒子主要分布于晶界處．

圖2 鎂合金的擠壓態(tài)組織(a)AZ31；(b)AZ31-1GdFig.2 The microstructures of extruded magnesium alloys

為更好地觀察合金中第二相粒子在擠壓變形后的形貌及分布，用電子掃描電鏡觀察第二相粒子并進行能譜分析．圖3為擠壓態(tài)鎂合金的SEM圖譜．從圖3可見，鎂合金經(jīng)過熱擠壓變形后組織中出現(xiàn)第二相粒子析出，而且AZ31-1Gd鎂合金中析出相粒子的數(shù)量明顯增多，并且在組織中呈現(xiàn)小顆粒彌散分布．通過對AZ31-1Gd鎂合金組織中部分粒子進行能譜分析發(fā)現(xiàn)，Al/Gd原子比值約為1.75，可以判斷該第二相粒子為Al2Gd[16]．這些第二相粒子為再結(jié)晶晶粒的形成提供了大量的外生晶核，從而有效地細化了晶粒，這是擠壓態(tài)AZ31-1Gd鎂合金晶粒比AZ31鎂合金晶粒更細小的重要原因．

圖3 擠壓態(tài)鎂合金的SEM圖譜(a)AZ31；(b)AZ31-1Gd Fig.3 SEM images of extruded magnesium alloys

2.2 力學(xué)性能

室溫下擠壓態(tài)AZ31和AZ31-1Gd鎂合金的力學(xué)性能列于表1．由表1可知，AZ31-1Gd鎂合金的維氏硬度為56、抗拉強度為280 MPa、屈服強度為186 MPa，與擠壓態(tài)AZ31鎂合金相比，分別提高了5.7%，3.7%和13.4%，而且延伸率沒有出現(xiàn)降低.表明，添加Gd元素能有效地提高生物醫(yī)用AZ31鎂合金的綜合力學(xué)性能．這是因為：(1)AZ31-1Gd鎂合金晶粒直徑更小，晶界增多，阻礙位錯運動的能力提高，從而強化了金屬的力學(xué)性能；(2)晶粒尺寸減小，有利于降低相鄰晶粒的應(yīng)力集中，在強化了金屬力學(xué)性能的同時也降低了裂紋形成的幾率，使材料的韌性得到改善；(3)由于AZ31鎂合金添加了Gd元素，合金組織中生成了大量的高熔點的Al2Gd相，一旦析出形成彌散分布，特別是晶界處存在的Al2Gd相在室溫下能起到穩(wěn)定晶界、防止晶界滑移的作用，同時彌散分布的Al2Gd相通過阻礙位錯運動使合金力學(xué)性能得到提高．

表1 擠壓態(tài)AZ31和AZ31-1Gd鎂合金的室溫力學(xué)性能Table 1 Mechanical properties of extruded AZ31 and AZ31-1Gd magnesium alloys at room temperature

2.3 拉伸斷口形貌

為了進一步分析Gd對生物醫(yī)用AZ31鎂合金性能的影響機制，用電子掃描電鏡觀察AZ31和AZ31-1Gd鎂合金的拉伸斷口形貌，圖4為擠壓態(tài)鎂合金拉伸斷口形貌圖．從圖4可以看出，合金的拉伸斷面上充滿了大小不等的韌窩，且AZ31-1Gd合金比AZ31合金具有更多的韌窩．這是因為韌窩的數(shù)量與晶體中的第二相粒子密切相關(guān)，第二相粒子數(shù)量越多、尺寸越小，韌窩就越多，表明室溫下擠壓態(tài)AZ31-Gd合金具有韌性斷裂的特征．

進一步將圖4(b)中的A區(qū)域放大并進行EDS分析，圖5為擠壓態(tài)AZ31-1Gd合金拉伸斷口EDS圖．從圖5可見,AZ31-1Gd合金拉伸斷口組織的某些韌窩底部存在裂紋.對該處進行EDS分析可知，這些裂紋的產(chǎn)生主要是由于Mg-Mn及Al-Gd等第二相粒子．從圖5還可見：合金斷口的某些區(qū)域有明顯的韌窩，該韌窩的形成是由于合金在較粗大的第二相處斷裂，第二相粒子脫落造成的；此外，沿第二相/基體的界面、基體中的晶界處均有撕開和斷裂的痕跡，表明AZ31-1Gd合金的拉伸斷裂具有韌性和脆性混合斷裂的特征．

圖4 擠壓態(tài)鎂合金拉伸斷口形貌的SEM圖(a)AZ31；(b)AZ31-1GdFig.4 SEM images of tensile fracture surface of extruded magnesium alloys

處理選項：已分析所有元素(已歸一化)，按質(zhì)量百分比顯示所有結(jié)果

譜圖在狀態(tài)MgAlMnCuGd總計譜圖1是15 6918．0035．40-30．91100．00譜圖2是18．61-40．19-41．20100．00譜圖3是13．75-43．46-42．79100．00譜圖4是4．7730．2933．980．0530．91100．00最大-18．6130．2943．460．0542．79-最小-4．7718．0033．980．0530．91-

圖5擠壓態(tài)AZ31-1Gd合金拉伸斷口EDS

Fig.5EDS analysis of fracture surface of extruded AZ31-1Gd alloy

3 結(jié) 論

(1)在AZ31鎂合金中添加質(zhì)量分數(shù)為1.0%的Gd元素，合金的平均晶粒尺寸由20 μm減少至15 μm，合金組織明顯得到細化．

(2)由于AZ31-1Gd鎂合金組織中存在大量的彌散分布的第二相粒子，這些第二相粒子主要分布于晶界處，有效地提高了生物醫(yī)用AZ31鎂合金的綜合力學(xué)性能．AZ31-1Gd鎂合金的維氏硬度為56、抗拉強度為280 MPa、屈服強度為186 MPa，與AZ31鎂合金相比分別提高了5.7%，3.7%和13.4%，而延伸率沒有降低．

(3)AZ31-1Gd合金的拉伸斷裂具有韌性和脆性混合斷裂的特征．

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