可生物降解镁合金多孔体固/气共晶定向凝固制备工艺及力学性能研究

Biodegradable Mg-based alloy is a new frontier of biomedical materials and porous structure can further improve its biocompatibility and mechanical compatibility. In order to achieve a better biocompatibility and mechanical compatibility, this project will first make an attempt to fabricate regular porous Mg-based biodegradable alloys by the solid/gas eutectic directional solidification (Gasar process). Through practical Gasar solidification experiment of Mg-M(M=Zn,Mn,Ca) alloys, this project will focused on these key scientific items including the solidification interface/gas bubble interaction mechanism, pores structural control and theoretical prediction of porous structural parameters in Gasar solidification of magnesium alloys. Combining theoretical analysis and fabrication experiments, this project will systematically investigate influence of the processing parameters, adding content of different alloying elements on pore morphology, size and distribution, finally achieve the fabrication of biodegradable porous Mg-based alloys and active control of porous structural parameters. After that, the influence of porous structural parameters on the mechanical properties including the elastic modulus and the compression strength of porous Mg-M(M=Zn,Mn,Ca) alloys will be investigated systematically. These research contents will make a strong foundation for the biodegradable Mg-based alloys' application in the reparation and promote the development of solidification theory.

可生物降解镁合金是医用金属材料的前沿方向，而多孔结构可进一步改善其生物和力学相容性。本项目提出采用固/气共晶定向凝固(Gasar工艺)制备镁合金规则多孔结构，实现生物和力学相容。选取典型可生物降解镁合金Mg-M(M=Zn,Mn,Ca)二元系作为研究对象，重点解决镁合金在Gasar凝固过程中糊状区枝晶与气泡相互作用机制、气泡形貌与凝固界面形貌关系、结构参数理论预测等关键科学问题。理论和实验相结合，系统研究制备工艺参数、合金化元素种类及加入量对镁合金多孔体的气孔形貌、气孔率以及气孔尺寸的影响规律，最终通过工艺参数的调节实现对气孔形貌、大小和分布的主动控制。在获得镁合金规则多孔结构基础上，研究其弹性模量、压缩强度和弯曲强度等力学性能与气孔率、孔径、形貌以及分布的关系。该项目的开展对于推动我国可降解镁合金生物医用材料的应用以及Gasar凝固理论的发展具有重要作用。

镁及其合金因其优异的生物相容性和可降解特性，在人体骨组织工程领域比传统医用金属材料更具优势。本项目利用固/气共晶定向凝固法和合金近平衡凝固原理预测氢在金属及合金熔体中物理参数，得到了镁合金熔体中氢的相关物理参数。 通过建立固/气两相协同生长物理模型，成功预测了藕状多孔镁合金的孔隙率。在此基础上，对Bridgman定向凝固法制备藕状多孔镁合金的工艺进行研究，揭示了单室Gasar工艺参数对孔结构的影响，实现藕状多孔Mg合金制备质量的突破，成功制备具有孔结构优异且可控的藕状多孔Mg-Mn合金、Mg-Zn合金以及Mg-Mn-Zn合金。对藕状多孔镁合金组织及结构进行表征，发现在相同工艺参数条件下，合金元素的加入可以改变材料的择优取向与凝固组织形貌，同时也首次发现定向孔下方溶质元素聚集现象，并揭示其与孔形核的相互关系。对所制得的多孔纯Mg、Mg-Mn、Mg-Zn和Mg-Mn-Zn合金试样进行性能测试发现，Mn和Zn元素的加入可以大幅度提高藕状多孔材料的压缩性能以及模拟体液耐腐蚀性能。通过对其压缩变形过程前后组织的形貌观察发现：当压力方向垂直于孔的方向时，气孔发生了塑性压扁、塌陷；而当压力方向平行于孔的方向时，多孔样品发生了扭转。这是由于外力方向与滑移基面的角度会发生变化，从而引起局部变形的发生，并形成扭转。本项目突破镁合金Gasar制备技术，大幅度提高材料的力学性能及耐腐蚀性能，为多孔可降解镁合金Gasar凝固理论预测以及在生物可植入医用材料的工程应用奠定了基础。