强剪切搅拌铸造与ECAE组合制备HA/Mg-Zn-Ca复合材料及其显微组织与性能研究

Biodegradable magnesium（Mg） and magnesium alloys for biomedical implant materials application have attracted increasing interest recently.The major drawbacks of magnesium alloys in clinical application is that they suffer from a high corrosion rate in the physiological environment and relatively poor strength and toughness.In this study,biocompatible elements such as calcium (Ca) and zinc (Zn) will be chosen as alloying elements of magnesium alloy matrix ，nano hydroxyapatite(HA) as reinforcement.A novel melt shearing device .will be used to fabricate the HA/Mg-Zn-Ca composite for improving the microstructure uniformity in the casting state. Subsequently,the equal channel angular extrusion (ECAE) technology will be used to impose the deform severe plastic deformation on the cast HA/Mg-Zn-Ca composite for futher improving the uniformity of nano HA particles and refining grain of matrix alloy,so that the strength, plasticity and corrosion resistance of composite can be improved.The main study emphasis is placed on the following problems : The influence mechanism of intensive melt shearing on the microstructure uniformity during solidification process;Effect of ECAE on the .microstructure of composite,especially the effect of extrusion temperture and route.on the grain size and distribution state of HA particles and secondary phase.The influence mechanism of microstructure evolution on the mechanical and corrosion behavior of composite.Revealing the strengthening and toughening mechanism and homogeneous degradation mechanism of HA/Mg-Zn-Ca composite;Establishing the ralationship among the components,microstructure and correlation clinical application properties of magnesium matrix composite.This study has important significance for developing controllable degradation magnesium alloy.

强度较低、塑性差特别是生理环境下的腐蚀降解速度过快，是限制镁合金作为可降解医用植入材料临床应用的关键所在。本项目选用生命元素Zn、Ca作为基体合金成分，以纳米羟基磷灰石（HA）为增强体，探索通过新型强剪切熔体搅拌方式制备HA/Mg-Zn-Ca复合材料，提高复合材料铸态下的组织均匀性。再利用等通道转角挤压技术（ECAE）对该铸态复合材料进行大塑性变形加工，进一步细化基体合金晶粒和提高HA颗粒分散的均匀性，以提高材料的强度、塑性和耐蚀性。重点研究熔体强剪切搅拌对铸态复合材料组织均匀化的作用机理;ECAE变形对复合材料显微组织结构的影响，特别是挤压温度及挤压路径对晶粒尺寸与复合相和第二相分布状态的影响；显微组织结构变化对复合材料力学性能及耐蚀性能的影响机理，揭示HA/Mg-Zn-Ca生物复合材料的强韧化机制及组织细化改善耐蚀性的作用机制。本研究对开发可控降解镁合金具有可借鉴的试验与理论指导意义。

强度较低、塑性差特别是生理环境下的腐蚀降解速度过快，是目前限制镁合金临床应用的关键所在。本项目以纳米生物活性陶瓷羟基磷灰石（HA）以及β-TCP为增强体，采用新型强剪切搅拌结合等通道转角挤压技术（equal channel angular extrusion，ECAE)制备Ca-P陶瓷颗粒增强镁基复合生物材料，以期获得良好力学性能和耐蚀性能的植入材料。主要研究内容和结果为：.（1）优化得到适宜作为镁基复合材料基体合金的成分配比为Mg-3Zn-0.2Ca和Mg-3Zn-0.8Zr。.（2）通过凝固速率的变化，制备了不同晶粒尺寸的纯镁、Mg-Zn-Ca合金及1β-TCP/Mg-Zn-Ca复合材料，研究了晶粒尺寸对三种材料腐蚀行为的影响。发现合金和复合材料的晶粒尺寸越小，复合颗粒分布越均匀，含量越高则耐蚀性越好。.（3）在腐蚀过程中，Mg-Ca合金的腐蚀层被认为是多层结构。Mg-Ca合金在长期的浸泡腐蚀产物为核壳结构的颗粒,这些颗粒对细胞没有毒性。.（4）HA和β-TCP的添加可以有效细化Mg合金的晶粒，经过强剪切搅拌后复合颗粒的团聚状况得到较大改善。.（5）对HA增强复合材料的热压缩变形行为研究表明：相同的加工条件下，复合材料的流动应力要高于基体合金的流动应力，HA的添加使基体合金的热加工失稳区增大。.（6）常规挤压的HA/Mg-Zn-Ca复合材料相比于合金基体，屈服强度和抗拉强度增大，断后延伸率减小。耐蚀性增加，细胞相容性良好。.（7）在复合材料ECAE过程中，团聚的HA或-TCP颗粒经历了塑性变形流动被物理碎化，形成弥散分布状态,且与基体合金之间具有良好的界面结合。.（8）将常规挤压与等通道转角挤压相结合对铸态复合材料进行了组合挤压变形。随着等通道挤压道次的增加，晶粒尺寸表现出先细化后增大的趋势，复合材料的耐蚀性能也是先提高后降低。将铸态HA/Mg-Zn-Ca复合材料先热挤压再进行ECAE变形工艺的耐蚀性优于铸态复合材料直接ECAE变形后的耐蚀性。.本项目通过强剪切搅拌铸造结合ECAE变形制备镁基活性生物复合材料，并开展关键技术和科学问题的研究,为实现可控降解镁基复合材料的高质量制备探索了新途径。