①课题来源与背景:项目来源于黑龙江省自然基金重点项目《高性能镁合金材料的制备及耐蚀性》，编号ZD201202。镁作为人体必需的微量元素之一，具有可降解性及生物相容性，与现已投入临床使用的各种金属硬组织植入材料相比，由于高强度镁合金具有良好的综合力学性能，特别是密度与杨氏弹性模量最为接近人骨，被尤为关注应用于骨固定材料，并且骨愈合后，避免了二次手术取出，大大降低了病人和医疗结构的负担。因此有必要研制出合适的镁合金作为骨固定材料，使其得以广泛应用。 ②研究目的与意义：镁合金因其综合力学性能优异，同时兼具生物相容性、可降解性等特点，被广泛应用于国防军事、航空航天、汽车、电子通信及医用领域。但在镁合金研究与应用中存在的易燃、耐腐蚀性差和强韧性低、塑性差等基础性问题，仍然制约着高性能镁合金材料的研究、开发与应用。本项目以Mg-2Zn-0.5Ca-xMn为基础，通过加入Mn含量的不同，优化工艺流程，制备出高性能镁合金。并采用等通道角式挤压法（ECAP）和微弧氧化技术，提高其力学性能和耐腐蚀性能。利用光学显微镜、扫描显微镜、透射电镜、X射线衍射、万能材料试验机和电化学测试系统实验，研究挤压态合金和镁合金表面生成的致密氧化膜微观组织、力学性能和腐蚀行为的影响规律。探索和分析Mg-2Zn-0.5Ca-xMn合金的腐蚀行为。将实验研究、性能测试、组织分析、数值模拟技术等相结合，多尺度分析总结高性能镁合金微观组织、力学性能和腐蚀行为影响规律。以便为高性能镁合金的研究提供理论依据，期望对镁合金生物医用材料的应用具有指导意义。 ③主要论点与论据：(1) 在Mg-Zn-Ca系合金基础上研究不同含量Mn元素的添加，优化制备出具有生物相容性Mg-2Zn-0.5Ca-1.0Mn合金，研究并得出了该合金铸态和不同热处理态时显微组织和优异的力学性能。研究Mg-2Zn-0.5Ca-1.0Mn合金热处理过程组织演变规律，确定了最佳的热处理工艺制度。(2) 自行设计了等通道角挤压模具、变换挤压比的棒材挤压模具以及板条热挤压模具；并对挤压过程进行有限元模拟分析，确定了适宜的挤压变形条件。(3) 采用宏观金相组织比较以及三维金相分析，研究Mg-2Zn-0.5Ca-1.0Mn、Mg-2.0Zn-0.5Ca-0.7Zr合金挤压变形时的组织演变和力学性能，确定该合金的变形条件。(4) 通过等通道转角挤压技术改善了铸态Mg-Zn-Ca-Zr合金的显微组织，使合金的晶粒变得细小均匀；此外，合金经等通道转角挤压后其力学性能也得到改善，强度和塑性都得到较大的提升，拉伸后的断口由原先铸态合金的脆性断口变为了韧性断口。 ④创见与创新：(1) 根据生物相容性原理和提高力学性能的角度出发，制备了新型的Mg-2Zn-0.5Ca-1.0Mn、Mg-2.0Zn-0.5Ca-0.7Zr生物合金。并通过实验摸索出了适合该合金的等通道挤压的最佳挤压工艺。(2) 通过镁合金微弧氧化实验过程研究，自行优化了镁合金微弧氧化硅酸盐电解液的成分，并且优化了在恒压设备下，镁合金微弧氧化的最佳的处理电压和成膜时间。获得耐蚀性能良好的生物镁合金陶瓷膜，为镁合金作为生物医用植入材料提供了理论依据。 ⑤社会经济效益，存在的问题：（1）Mg-2Zn-0.5Ca-1.0Mn和Mg-2.0Zn-0.5Ca-0.7Zr合金的其他方面如动物体内生物相容性等还需要深入研究，以便于临床应用。（2）ECAP是通过多次挤压累积应变来改善材料的组织和性能的，其效率较低难以实现连续化生产，所以如何提高实际生产时的生产效率还有待继续研究。（3）镁合金的微弧氧化目前只是建立在制备对人体无毒无害的基础上，因此，高性能的生物镁合金陶瓷膜的制备还有待继续研究，以满足不同的植入需求。 ⑦成果简介要向社会公开：项目以Mg-2Zn-0.5Ca-xMn为基础，通过加入Mn含量的不同，优化工艺流程，制备出高性能镁合金。同时也对另一种新型的Mg-Zn-Ca-Zr系生物镁合金材料进行配比设计。为了进一步提高合金的性能，利用自行设计的等通道转角挤压（ECAP）和板条热挤压模具，对热处理后的合金进行了多道次挤压和不同挤压参数研究，最终获得综合性能良好的生物医用镁合金材料。采用微弧氧化技术，提高其力学性能和耐腐蚀性能。

哈尔滨理工大学

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