医用可降解多孔锌镁合金的制备及性能研究
Mg—Zn—Al镁合金研究现状
在 Ｍ — ｎ Ａ 合金中，ｎＡ 元素的添加对合金都 ｇＺ— １ ｚ 、１ 具有 重要 的作用 。Ａ 是 镁合 金 中最 有效 的合 金化 元 素 ｌ
之一 ， ｌ Ｍｇ中 的 固溶 度较 大 ，在共 晶温度 ４ ７ Ａ在 ３℃时 的最 大 固溶 度 达 到 １．％，而且 随 温度 下 降 固溶度 变 ２７
化明显 ， 因此不仅可以产生固溶强化作用 ， 而且还可以
收稿 日期 ：０ １ ０ — ８ ２１－３２ 文章编号 ：０ ０ ８ ２ １－ ３ １
作者简介 ： 陈建波（ ９ ４ ）男 ， １８ 一 ， 在读研究生 ， 方向 ： 研究 高锌镁合金半 固
态成形技术
中国铸造装备与技术 ４２ １ Ｃ Ｆ Ｉ Ｉ ｒ ／０ １ 、１ ，
此通过控制 ｚ 、ｌ ｎＡ 含量提高合金的高温蠕变性能和组 织 性 能 都 具 有 一 定 的局 限 性 。为 了 进 一 步 提 高 Ｍｇ — Ｚ－ １ ｎ Ａ 镁合金 系综合力学性能和铸造性能 ，还需要从 其它方面人手研究，比如现在国内外研究 的微合金化
镁 中的溶解度最高为 ６ ％，其对镁 的影响仅次于铝。 ． ２ ｚ 对力 学性能的影 响主要是 自身的强化 和增加 Ａ 在 ｎ ｌ 镁 中的溶解 度 ， 高 铝 的 固溶强 化 效果 。ｚ 提 ｎ不 仅 能 固
溶 在 ａＭｇ 中提 高 室温 强 度 ， 可 以形 成 熔 点较 高 的 （ ） 还 Ｍｇ （ １Ｚ ９ Ａ ，ｎ ４从而 提 高合金 的抗 蠕变 性 能。 ｋ＇Ｚ ￣Ｊ ｎ对 ｂ
镁合金铸造性能和抗腐蚀性能都有影响。 目前 ， Ｍｇ Ｚ — １ 合金 的研 究 主 要集 中在 Ｚ／ 对 —ｎＡ 镁 ｎ Ａ 比及 ｚ 、 ｌ 素 添加 量方 面 。杨 明波嘲 研 究指 ｌ ｎＡ 元 等 出 ： Ａ 含量低于 ８ 时 ， ｚ 含量增加 ， 当 ｌ ％ 随 ｎ 合金的抗拉 强度提高 、 伸长率下降； 当含 Ａ１ 而 量高于 ８ ％时 ， ｚ 随 ｎ 含量增加 ， 合金抗拉强度降低 ， 伸长率提高。 不过 ｚ 含 ｎ 量较高 ， 将影 响到合金 的铸造性能 ， 姚三九ｌ 高锌镁 ７ 】 对 合 金 的研究 发 现 ： 当含 ｚ ｎ量 很 小 （ ｌ 时 ，Ｍｇ Ｚ — ＜ ％） — ｎ Ａ 合金处于可铸造区 ， ｌ 而随着含 ｚ 量增加 ， ｎ 则进入热 裂区， 并且 该 热裂 区 随含 Ａ 量 不 同而变 化 ； ｚ ｌ 当 ｎ含 量 进一步增加时 ， 进入可铸造 区和脆性区＿ 图 １ 。 ６ １ （ ）
镁合金的优势在哪？镁材料的应用在哪？
镁合金的优势在哪？镁材料的应用在哪？镁合金的优势在哪？镁材料的应用在哪呢？什么是镁合金？镁合金的优势在哪？镁材料的应用在哪？接下来，就带你了解一下吧！镁合金由于其比强度高、弹性模量大、散热好、消震性好、承受冲击载荷能力比铝合金大、耐有机物和碱的腐蚀性能好等特点，现已广泛应用于航空、航天、运输、化工、火箭等领域。
除此之外，镁合金在医疗器械上的应用潜力很大；如果金属镁企业能在加工性能和产品价格上取得突破，那么镁合金也将在LED产业得到广泛应用。
院士说左铁镛院士在今年新材料发展趋势高层论坛中说到：“就镁材料来说，近20年来，我国的镁材料已取得了三个“第一”的好成绩，分别是镁产量第一，镁储量第一和镁出口量第一。
现在我国在上海交通大学和重庆大学分别建立了镁材料研究中心，在山西、陕西等省份形成产业一体化的布局，大大促进了我国镁合金的研究应用。
目前，镁金属与铝金属相比，价格只高出20%，相较之前有大幅度降低，这也能极大的促进镁合金的研究发展和应用。
”那么，镁合金的优势在哪？镁材料的应用在哪呢？1镁是地球上储量最丰富的轻金属元素之一，镁的比重是1.74g/cm3，只有铝的2/3、钛的2/5、钢的1/4；镁合金比铝合金轻36%、比锌合金轻73%、比钢轻77%。
镁具有比强度、比刚度高，导热导电性能好,并具有很好的电磁屏蔽、阻尼性、减振性、切削加工性以及加工成本低、加工能量仅为铝合金的70%和易于回收等优点。
镁合金是以镁为基加入其他元素组成的合金。
镁合金的比强度高于铝合金和钢，略低于比强度最高的纤维增强塑料；比刚度与铝合金和钢相当,远高于纤维增强塑料；耐磨性能比低碳钢好得多,已超过压铸铝合金A380；减振性能、磁屏蔽性能远优于铝合金。
镁合金是制造工业中可使用的最轻金属结构材料之一，其性能特点决定了众多的应用优势：一是减轻资源压力，镁合金产品的应用可以缓解铁矿和铝矿资源短缺的压力；二是减轻能源和环境压力，以汽车为例，镁合金大规模应用可降低10%—15%的油耗和排放；三是镁合金产品减震性能优越；四是镁合金能源特性好，在某种程度上可以说有镁就有电；五是镁合金产品可屏蔽电子辐射，可广泛用于手机和电脑外壳……中国有丰富的镁资源（占世界70%以上）和巨大的应用市场，为制造业减重的同时必将提升中国制造业的竞争力。
ZK61镁合金薄板轧制与组织、织构及性能研究共3篇
ZK61镁合金薄板轧制与组织、织构及性能研究共3篇ZK61镁合金薄板轧制与组织、织构及性能研究1ZK61镁合金薄板轧制与组织、织构及性能研究摘要：为了研究ZK61镁合金薄板的轧制工艺对其组织、织构及性能的影响，本文采用了压下式轧制工艺，通过金相显微镜、SEM、XRD等手段对材料进行了组织、织构及性能的表征。
结果表明，通过选取合适的轧制参数，可以得到具有优异织构性能的ZK61镁合金薄板，并且该薄板具有良好的力学性能、耐腐蚀性能和耐磨性能，可以满足航空、汽车和轻量化领域的应用需求。
关键词：ZK61镁合金薄板；轧制工艺；组织；织构；力学性能1. 引言随着航空、汽车和轻量化领域的不断发展，对于轻量、高强、耐腐蚀的材料需求越来越高。
镁合金作为一种轻质高强、耐腐蚀的材料，已成为这些领域中的重要材料之一。
ZK61镁合金薄板作为一种广泛应用的材料之一，其具有优异的机械性能、良好的耐腐蚀性能和较高的加工性能，在航空、汽车和轻量化领域有着广泛的应用。
然而，由于ZK61镁合金材料具有低的塑性和低的机械性能，为了提高其塑性和机械性能，需要对其进行适当的加工工艺调控。
本文对ZK61镁合金薄板的轧制工艺进行了研究，通过对材料的组织、织构及性能进行表征，为该材料的应用提供了理论依据和实验基础。
2. 实验方法2.1 材料制备选取ZK61镁合金作为实验材料，在真空熔炼炉中进行高纯度的熔炼，得到ZK61镁合金毛坯。
然后对毛坯进行热轧工艺，将其制备成为初始厚度为3mm的扁平坯。
之后，在热轧之后进行冷轧，将材料制备成为厚度约为0.5mm的镁合金薄板。
最后对薄板进行退火处理，使其组织稳定。
2.2 薄板表征对制备好的ZK61镁合金薄板进行金相显微镜、SEM、XRD等手段对其组织、织构及性能进行表征。
其中金相显微镜用于对薄板的组织进行观测和分析，SEM用于对其表面形貌进行观察和表征，XRD用于对其晶体结构进行分析和确定。
2.3 力学性能测试将制备好的ZK61镁合金薄板进行拉伸试验和硬度测试，得到其力学性能数据。
医用镁合金的优缺点以及局限性
据张小农介绍，他们研究的镁锌合金主要有五
降解速度控制问题仍待解决
整个研究过程也不是一帆风顺的。
张小农在研究中发现，镁锌合金这种
“作为当前生物材料研究的热门之一，我们研究的镁锌合金作为生物可
张小农说：“我们课题组已经创建了上海奥芮济医疗科技有限公司实施有关成果的实用转化，一些具有羟基磷灰石涂层的骨钉、髓内针等骨内固定器械预计将在本年度内研发完成。
而植入大动物的体内实验安排在明年初开展，此后6个月的植入实验研究结果出来后将会确定是否能进行下一步的人体实验。
我们希望未来的2~3年内可降解吸收生物镁锌合金能够走出实验室，制造出的各类医疗器械将走进普通人的生活中，从而提高人们的生活和健康水平。
”。
镁合金研究现状及发展趋势
镁合金研究现状及发展趋势摘要：镁合金作为21世纪的绿色环保工程材料之一，近年来已成为学术界的一个研究热点。
本文主要综述了镁合金的研究进展和应用，介绍了耐热、耐蚀、阻燃和高强高韧等高性能镁合金材料的最新发展。
还介绍了镁合金成型技术的研究成果，最后展望了高性能镁合金的发展前景。
关键词：镁合金；高强高韧；成型技术；应用1.引言镁（Mg）是地球上储量最为丰富的元素之一，在陆地、湖泊和海洋中都广为分布，例如，其在地壳表层金属矿资源中的含量达2.3%，仅次于占8.1%的铝和5%的铁，居第三位；海水中的镁含量达到2.1×1015吨，可以认为是取之不尽、用之不竭的元素[1]。
此外，我国的白云石矿储量、菱镁矿以及原镁的产量位列世界镁资源储量首位[2]。
同时，随着当前钢铁行业中铁矿石等资源的日趋紧张，开发和利用镁作为替代材料是必然的趋势。
被誉为“二十一世纪绿色金属结构工程材料”的镁合金是目前所知金属结构材料中最轻的，与其他同类材料相比，它具有密度小，比强度、比刚度较高，可以回收再利用且机加工性能优异，阻尼减震性好，电磁屏蔽效果佳等一系列优点，因此在交通运输（如汽车、摩托车、自行车等工业）、航空航天、武器装备、计算机通讯和消费电子产品等领域具有广阔的应用前景[3]，但其使用量与铝合金和塑料相比还相当少[4]。
目前，从全球镁合金研发状况看，发展方向如图1所示[5]，我国在镁合金材料的应用研究与产业化方面也己取得重大进展，形成了从高品质镁材料生产到镁合金产品制造的完整产业链，为我国实现由镁资源大国向镁应用强国的跨越奠定了坚实的基础。
图1 镁合金的研发方向[5]Fig. 1 Directions of Mg alloy development2.镁合金的特点及分类通过在纯镁中添加其他化学元素，可显著改善镁的物理、化学和力学性能。
但镁合金同时存在着显著的缺点，下面对镁合金的优缺点进行简要的阐述。
2.1镁合金的优点[6 ~ 8]1）密度小、质量轻。
锌镁合金的缺点
锌镁合金的缺点锌镁合金是一种常用的金属材料，具有许多优点，如高强度、耐腐蚀性和良好的可塑性。
然而，它也存在一些缺点，这些缺点在特定应用场景下可能会对其使用造成一定的限制和不便。
本文将就锌镁合金的缺点进行详细阐述。
锌镁合金的缺点之一是其较高的成本。
相比于传统的金属材料，如铝、钢铁等，锌镁合金的制备和加工成本较高。
这主要是因为锌和镁等金属的成本较高，同时制备锌镁合金所需的工艺和设备也较为复杂。
因此，在一些成本敏感的应用领域，锌镁合金可能会受到替代材料的竞争。
锌镁合金存在一定的耐热性问题。
锌和镁的熔点较低，分别为419℃和651℃。
因此，在高温环境下，锌镁合金容易发生熔化和变形，从而影响其力学性能和使用寿命。
这使得锌镁合金在一些高温应用领域的使用受到限制，需要采取一些措施来改善其耐热性能，如添加稀土元素或采用热处理工艺。
锌镁合金的耐蚀性也存在一定的问题。
锌和镁都属于活泼金属，在湿润的环境中容易发生电化学反应，导致锌镁合金的腐蚀。
尤其是在酸性环境或含有氯离子等腐蚀介质的情况下，锌镁合金的耐蚀性更加有限。
因此，在一些腐蚀性较强的工业环境或海洋环境中，锌镁合金的使用需要采取防腐措施，如涂层处理或合金化改性。
锌镁合金的密度较高，相对于其他轻金属材料来说，如铝合金和镁合金，其密度较大。
这使得锌镁合金在一些要求轻质材料的应用领域受到限制，如汽车和航空领域。
虽然锌镁合金具有良好的强度和可塑性，但由于其密度较大，使用锌镁合金制造的产品会增加整体重量，从而影响其性能和能效。
锌镁合金的热膨胀系数较大，容易导致热应力和热裂纹的产生。
在温度变化较大的环境中，锌镁合金的热膨胀系数会引起材料的膨胀和收缩，从而导致应力集中和裂纹的产生，进而影响材料的力学性能和使用寿命。
因此，在一些对温度变化敏感的应用领域，如航空航天、电子器件等，需要考虑锌镁合金的热膨胀性能，并采取相应的设计和工艺措施。
锌镁合金作为一种常用的金属材料，虽然具有许多优点，但也存在一些缺点。
镁合金的成分、组织和性能
表2-1 镁合金化合物的熔点
(4) 原子价因素
业已指出，当溶质和溶剂的原子价相差越大，则溶解度
越小。
与低价元素相比，较高价元素在镁中的溶解度较大。 所以，尽管Mg-Ag和Mg-In之间原子价差是相同的，但 一价银在二价镁中的溶解度比三价铟在镁中的溶解度要
小得多。
2．2．2 镁合金成分与牌号
另外，由于冷却速度的差异，导致压铸组织表层组织致 密、晶粒细小；而心部组织晶粒比较粗大。因而表面层硬 度明显高于心部硬度。
研究表明，随AZ91D压铸件厚度的增加，铸件的抗拉强 度及蠕变抗力下降。
图2- 5 压铸AZ91D镁合金组织
随Zn含量的增加，β(Mg17Al12)相中合金成分会变成三元金 属间化合物—MgxZnyAlz型。 例如，图2-6表示砂型铸造合金AZ92和AZ63的成分，AZ92 合金只有Mg17Al12，而AZ63合金除Mg17Al12以外，还有 三元化合物Al3Mg3Zn2。Mg-10％Zn-4％Al合金中只有 Mg32(Al，Zn)49；Mg-10％Zn-6％Al合金中的金属间化合 物主要是Al2Mg5Zn2。 压铸组织耐蚀性比砂型铸造的要好。这是压铸组织表面铝含 量较高的缘故。镁合金的力学性能随Al含量的增加而提高。 尽管压铸方法能很大程度地减少组织中铸造缺陷(如空洞、 缩孔等)，但不可避免地组织中还会存在一些缺陷。这些缺 陷将会降低镁合金的力学性能。 实验表明，铸造缺陷对疲劳性能有很大影响，往往是疲劳裂 纹源。减少缺陷数量和尺寸，将显著地提高铸造镁合金的疲 劳性能。
所以，Mn在镁合金中存在有两类作用：一是作为合金元素， 可以提高镁合金的韧性，如AM60，此类合金中Mn含量较高； 二是形成中间相AlMn和AIMnFe，此类合金中Mn含量较低。 迄今为止，镁合金中含AlMn相的结构还不很清楚。Mn与Al 结合可形成中间相：AlMn、Al3Mn、Al4Mn、Al6Mn或 Al8Mn5。 Wei 研究了压铸Mg-Al基镁合金，认为含Mn相根据形态分 两类：一种为花瓣形，另一种为等轴或短棒状。 AlMn相在挤压镁合金AM60组织中的结构为具有规则外形的 等轴状。
镁及镁合金的研究现状与进展
镁及镁合金的研究现状与进展张高会 张平则 潘俊德(太原理工大学表面工程研究所,太原 030024)摘 要:文献综述了镁及镁合金的性能特性,镁合金的合金系列,国内外镁合金的研究现状,镁合金表面处理的各种方法以及镁合金在航空航天、汽车工业、电子工业及民用各个领域的广泛应用,展望了镁合金的应用前景。
关键词:镁 镁合金 表面处理R esearch and Developments of Magnesium and Magnesium AlloysZHANG G aohui ZHANG Pingze PAN Junde(R esearch Insistute of Surface E ngineering of T aiyu an U niversityof T echnology,T aiyu an 030024)Abstract:The properties of m agnesi um and its alloy,a series of m agnesi um alloy and the recent progress i n our count ry and abroad have been respectively sum m arized i n this article.Besi des those,a variety of surf ace t reat ment methods of m agnesi um alloy and the w i de applications i n the f iel ds ofaviation,automobile and elect ronic i ndust ries were also i ncl uded.In the end the development pros2 pect were viewed.K ey w ords:m agnesi um,m agnesi um alloys,surf ace t reat ment 随着21世纪的到来,保护环境,实现可持续发展,已经成为世界各个国家共同关心的问题。
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医用可降解多孔锌镁合金的制备及性能研究锌作为人体必须的微量元素之一,在生物可降解金属材料中具有最适宜的降解速度,是一种极具发展前景的生物材料。
但由于纯锌力学性能不足,无法满足植入体力学强度需求。
针对此问题本文采用粉末冶金法,通过添加Mg元素合金化来改善纯锌的力学性能,添加造孔剂制备了具有多孔结构的锌镁合金,希望通过制备连通的孔隙结构达到人体松质骨仿生的目的。
首先,设计制备出四组成分比例的Zn-xMg
（x=0,5,10,15 wt.%）块体Zn-Mg合金。
通过对比烧结后块体的致密度与力学性能,发现Mg的固溶强化与
MgZn<sub>2</sub>相析出强化作用显著,其中Mg含量为10 wt.%的综合力学性能较高,因此优选Zn-10Mg作为制备多孔锌镁合金的基材。
为了达到仿生效果并能够与松质骨力学性相匹配,本研究选用尿素为造孔剂,通过设计调控造孔剂比例,分别制备出孔隙率为10.2%、23.4%、40.4%和57.3%的多孔Zn-10Mg合金,开孔率范围在1.4-24.7%,平均孔径范围在416-612μm。
研究结果如下:（1）多孔Zn-10Mg合金的抗压强度、弹性模量与孔隙率之间存在幂指函数关系。
孔隙结构会削弱材料的机械性能,随孔隙率从10.2%提升至57.3%,多孔Zn-10Mg合金的抗压强度由99 MPa下降至8 MPa,抗弯强度由21.4 MPa 下降至7.4 MPa。
（2）通过电化学测试与模拟体液（SBF）静态浸泡测试,研究了多孔Zn-10Mg 合金的体外降解行为。
结果发现采用该工艺方法制备的不同孔隙率的多孔
Zn-10Mg合金腐蚀行为基本一致,随着孔隙率提高,腐蚀性能显著降低,其腐蚀过程分大致为三个阶段:前期Mg单质快速降解;中期Mg单质耗尽腐蚀产物沉积腐蚀
迅速回落;后期动态平衡腐蚀速率缓慢增加。
多孔试样体外静态浸泡28天后稳定腐蚀速率分布范围为
0.176-2.516mm/year。
（3）多孔Zn-10Mg合金的生物相容性评价表明其浸提液针对L-929细胞具有良好的细胞相容性,细胞毒性等级为0-2级。
综合对比四种不同孔隙率的Zn-10Mg合金的各项性能,并依据Gibson-Ashby 模型拟合计算分析其力学强度与孔隙率关系,得知孔隙率分布在40.4%-57.3%范围内的多孔Zn-10Mg合金,其力学强度与孔隙结构特征更接近人体松质骨特征,并且其降解速率与细胞毒性均符合可降解金属医用材料的安全使用要求。