攪拌摩擦加工對(duì)醫(yī)用鎂合金腐蝕和力學(xué)性能的影響

黃麗穎

(河北科技工程職業(yè)技術(shù)大學(xué) 機(jī)電工程系,河北 邢臺(tái) 054035)

鎂(Mg)是實(shí)際應(yīng)用中較輕的金屬結(jié)構(gòu)材料之一,鎂合金具有良好的比強(qiáng)度和比剛度.Mg除了比鋼輕77%、比鋁(Al)輕30%[1]外,還具有生物相容性,且Mg的彈性模量約為45 GPa,更接近于人骨的彈性模量(3 GPa～20 GPa)[2].Mg 的密度為1.7 g/cm3～1.9 g/cm3,與鈦合金(4.47 g/cm3)和不銹鋼(7.8 g/cm3)相比,其密度與人骨的密度(1.75 g/cm3)更相似[2].鎂合金因?yàn)榫哂信c人體骨骼相匹配的力學(xué)和物理性能,所以可以最大限度地減小應(yīng)力屏蔽效應(yīng)[3].這些特性促使鎂合金成了良好的骨植入物.然而鎂合金較高的化學(xué)活性限制了其作為骨植入物的應(yīng)用[4].因此,鎂合金在人體內(nèi)耐腐蝕性的提高將有利于開發(fā)輕質(zhì)和堅(jiān)固的骨植入物.而大量研究表明,晶粒細(xì)化有利于提高鎂合金的耐腐蝕性[5-10].

AZ系列鎂合金常作為結(jié)構(gòu)材料使用[11].AZ31鎂合金中含有3%的鋁和1%的鋅[12],由于鋁含量較低,其耐腐蝕性和耐疲勞性較好,常被應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中,是骨植入物的較好選擇[13].然而,鎂合金在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用依然面臨著耐腐蝕性差的難題.文獻(xiàn)[10]報(bào)道,晶粒細(xì)化可以提高鎂合金的耐腐蝕性.文獻(xiàn)[14]利用劇烈塑性變形技術(shù)對(duì)金屬進(jìn)行了晶粒細(xì)化.攪拌摩擦加工(friction stir processing,簡(jiǎn)寫為“FSP”)技術(shù)是一種新興的劇烈塑性變形技術(shù)[15],其工作原理見圖1.

圖1 摩擦攪拌加工原理圖

在攪拌摩擦加工鎂合金的過(guò)程中,軸向力促使攪拌針插入工件中,在攪拌頭旋轉(zhuǎn)的同時(shí),攪拌針沿加工方向前進(jìn).鎂合金在摩擦生熱下發(fā)生軟化,使其微觀組織發(fā)生變化,并改變其力學(xué)性能和腐蝕性能.

本研究采用合適加工參數(shù)下的FSP 對(duì)AZ31鎂合金擠壓板材進(jìn)行處理,以研究FSP對(duì)生物醫(yī)用AZ31鎂合金的力學(xué)性能和在模擬體液(simulated body fluids,簡(jiǎn)寫為“SBF”)中的電化學(xué)腐蝕性能的影響.

1 材料和實(shí)驗(yàn)方法

1.1 材料和FSP實(shí)驗(yàn)

本研究使用的材料為長(zhǎng)300 mm、寬200 mm、厚度為4 mm 的AZ31鎂合金擠壓板材.FSP 實(shí)驗(yàn)采用FSW-BM16-2D 龍門式攪拌摩擦焊機(jī).由H13鋼制成的具有四棱臺(tái)形狀的攪拌針的攪拌頭結(jié)構(gòu)和尺寸見圖2.攪拌頭轉(zhuǎn)速為1 000 r/min,焊速為200 mm/min.

圖2 攪拌頭結(jié)構(gòu)和尺寸(單位為mm)

1.2 拉伸實(shí)驗(yàn)

室溫拉伸實(shí)驗(yàn)在Instron 8801型拉伸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行,本研究?jī)H分析橫向拉伸性能,試樣沿橫向切取.拉伸試樣取樣位置和試樣尺寸示意圖見圖3.

圖3 橫向拉伸試樣取樣位置和尺寸示意圖(單位為mm)

1.3 顯微硬度

用鉬絲切割機(jī)沿橫向切取顯微硬度試樣,試樣長(zhǎng)25 mm、寬5 mm.先用碳化硅砂紙(1500#和2500#)打磨,然后用0.5μm 金剛石拋光劑拋光,再利用超聲波清洗機(jī)清洗10 min.使用維氏顯微硬度計(jì)(Falcon 500)測(cè)量試樣的顯微硬度,負(fù)載為0.98 N,加載時(shí)間為10 s.

1.4 電化學(xué)腐蝕實(shí)驗(yàn)

在普林斯頓4000A 型電化學(xué)工作站上測(cè)試試樣的電化學(xué)腐蝕性能.試樣在攪拌區(qū)(stir zone,簡(jiǎn)寫為“SZ”)切取,尺寸為4 mm×4 mm,用200#,1500#,3000#和5000#碳化硅砂紙依次打磨,用0.5μm 金剛石拋光劑拋光.試樣的三面用704 RTV(硅橡膠型號(hào))硅橡膠密封,僅留測(cè)試面暴露在SBF電解質(zhì)中.SBF的成分見表1.

表1 SBF成分

電池系統(tǒng)采用鉑片作為輔助電極,飽和甘汞電極為參比電極,測(cè)試試樣為工作電極.先建立開路電位2 h,測(cè)得開路電位曲線;然后以5 m V/s的掃描速率將試樣極化至-2.5 V～2.5 V,測(cè)得動(dòng)電位極化曲線.由腐蝕電流密度icorr(單位為m A/cm2)決定的腐蝕速率Pi(單位為mm/a)通過(guò)公式Pi=22.85icorr[16]計(jì)算得到.

2 結(jié)果和討論

2.1 微觀組織

圖4 為母材(base material,簡(jiǎn)寫為“BM”)和FSP試樣在SZ 區(qū)的顯微組織圖.金相顯微鏡和電子背散射衍射(electron backscatter diffraction,簡(jiǎn)寫為“EBSD”)檢測(cè)結(jié)果均表明,BM 試樣顯微組織為等軸晶,晶粒較粗大(見圖4a、圖4b),平均晶粒尺寸為32.6μm.FSP 后晶粒細(xì)化,SZ 區(qū)的晶粒細(xì)小且分布均勻,見圖4c、圖4d,平均晶粒尺寸由BM 的32.6μm 降到7.3μm.文獻(xiàn)[17]的研究表明,FSP過(guò)程中的劇烈塑性變形及動(dòng)態(tài)再結(jié)晶是導(dǎo)致晶粒細(xì)化的原因.

圖4 試樣微觀組織圖

BM 試樣和FSP試樣在SZ區(qū)的(0001)晶面極圖見圖5.

圖5 試樣(0001)晶面極圖(PD 為加工方向,TD 為橫向)

由圖5 可知,BM 試樣晶粒具有擇優(yōu)取向,(0001)晶面法向平行于加工方向,最大織構(gòu)強(qiáng)度為33;FSP 后試樣仍然具有明顯的擇優(yōu)取向,但(0001)晶面法向發(fā)生變化,晶粒c軸向橫向偏轉(zhuǎn)25°;最大織構(gòu)強(qiáng)度由BM 的33降為25.

2.2 顯微硬度

BM 和FSP 試樣顯微硬度沿橫截面的分布情況見圖6.

圖6 BM 和FSP試樣橫截面顯微硬度分布曲線

由圖6 可知,BM 的平均顯微硬度值為57.2 HV,FSP試樣的顯微硬度沿橫截面的分布發(fā)生變化,SZ區(qū)顯微硬度最高,平均值為72.1 HV,比BM 提高了約26%.由圖4可知,FSP后SZ區(qū)晶粒顯著細(xì)化,晶界數(shù)量增加,晶界數(shù)量的增加有效地阻止了位錯(cuò)的移動(dòng),從而提高了顯微硬度.這個(gè)結(jié)果說(shuō)明FSP工藝有助于提高生物醫(yī)用鎂合金的顯微硬度.

2.3 拉伸性能

BM 和FSP試樣的拉伸實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表2.

表2 BM 及FSP試樣室溫拉伸實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由表2可知,AZ31鎂合金的抗拉強(qiáng)度Rm和屈服強(qiáng)度Rp0.2在FSP后有所降低,但降低幅度較小,FSP試樣的Rm和Rp0.2相比BM 分別降低了3%和7%.同時(shí),AZ31鎂合金的伸長(zhǎng)率A在FSP后得到了很大提升,相比BM 提高了97%.產(chǎn)生上述結(jié)果的原因與晶粒尺寸和晶粒取向有關(guān),由微觀組織分析可知,FSP后晶粒細(xì)化(圖4),晶粒越細(xì)小越有利于變形,伸長(zhǎng)率越高;同時(shí)FSP 后晶粒取向發(fā)生變化(圖5),c軸向TD方向偏轉(zhuǎn),同時(shí)極密度減小,相對(duì)BM 試樣而言FSP試樣發(fā)生了織構(gòu)軟化,而織構(gòu)軟化有利于提高伸長(zhǎng)率.

2.4 電化學(xué)腐蝕性能

2.4.1 開路電位

BM 和FSP試樣在SBF 中的開路電位隨浸泡時(shí)間變化的曲線見圖7.

圖7 BM 和FSP試樣在SBF中的開路電位曲線

由圖7可知,兩試樣的開路電位均逐漸增加并趨于穩(wěn)定.趨于穩(wěn)定說(shuō)明在AZ31鎂合金表面形成了腐蝕產(chǎn)物,這層腐蝕產(chǎn)物能夠保護(hù)鎂合金基體,使得鎂合金的腐蝕變慢.開路電位越高,越穩(wěn)定,表明越容易形成致密的腐蝕產(chǎn)物,對(duì)腐蝕的防護(hù)作用越強(qiáng).BM 和FSP 的穩(wěn)定開路電位分別為-1.42 V和-1.25 V,具有較高開路電位的FSP 試樣在SBF中更耐腐蝕.

2.4.2 動(dòng)電位極化曲線

對(duì)BM 和FSP試樣在SBF 中進(jìn)行了電位動(dòng)力學(xué)測(cè)試,獲得了動(dòng)電位極化曲線,見圖8.

圖8 BM 及FSP試樣的動(dòng)電位極化曲線

表3列出了根據(jù)動(dòng)電位極化曲線計(jì)算而來(lái)的自腐蝕電流密度icorr、自腐蝕電位值Ecorr及腐蝕速率Pi.

表3 BM 和FSP試樣的自腐蝕參數(shù)值

從電位動(dòng)力學(xué)測(cè)試結(jié)果可以觀察到,FSP 試樣具有更低的icorr和更高的Ecorr,說(shuō)明FSP試樣具有更好的抗腐蝕性能.同時(shí),FSP試樣的Pi比BM 試樣的小,說(shuō)明FSP工藝提高了AZ31鎂合金的耐腐蝕性.

3 結(jié)論

(1)FSP技術(shù)細(xì)化了AZ31鎂合金的晶粒,FSP試樣平均晶粒尺寸由BM 的32.6μm 細(xì)化至7.3μm;同時(shí),FSP使基面晶粒c軸向TD方向偏轉(zhuǎn)了25°.

(2)FSP導(dǎo)致的晶粒細(xì)化使顯微硬度提高,FSP試樣SZ區(qū)平均顯微硬度為72.1 HV,比BM 提高了約26%.

(3)FSP后由于晶粒取向的變化,試樣發(fā)生了織構(gòu)軟化,進(jìn)而導(dǎo)致FSP 試樣抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度略有降低,但卻提高了伸長(zhǎng)率;晶粒細(xì)化對(duì)伸長(zhǎng)率提高也有影響.

(4)通過(guò)FSP 技術(shù),可提高AZ31 鎂合金在SBF中的耐腐蝕性.