LPSO结构生物镁合金的均匀腐蚀行为与机理研究

Bio-magnesium alloys are honored as "revolutionized metallic bimaterials" due to their good biocompatibility, mechanical properties and in vivo biodegradation. However, magnesium alloys cannot meet the clinical requirement as biomedical metallic materials so far due to the fast corrosion rate and localized corrosion. Therefore, it is of great significance to improve the corrosion resistance and develop novel magnesium alloys with uniform corrosion mode.Mg-Gd-Zn-Zr alloy, which exhibits long period stacking order (LPSO) structure, will be chosen as the research material. The thermal stability of the phases is going to be calculated by first-principles calculations in order to optimize Mg-Gd-Zn-Zr alloy with LPSO structure. The microstructure evolution, dislocation configuration, dynamic recrystallization will be studied by SEM, TEM, EBSD. The corrosion dynamic parameters and corrosion film of the alloy will be studied in simulated body fluid by cyclic polarization, SEM, AES and argon ion sputter. The effects of LPSO structure, chemical composition, heat treatment and extrusion defromation on corrosion behavior of bio-magnesium alloy will be studied. The mechanisms of the high corrosion resistance and the uniform corrosion will be interpreted. It can provide theoretical foundation for designing and developing novel biodegradable magnesium alloys with good corrosion resistance and uniform corrosion mode.

生物镁合金具有良好的生物相容性、力学性能和可降解性，被誉为"革命性的金属生物材料"。然而，过快的腐蚀速率、局部腐蚀等不足导致生物镁合金尚未满足临床使用要求。改善镁合金的耐蚀性能，开发具有均匀腐蚀行为的生物镁合金成为推动镁合金临床应用的关键。本项目以具有长周期堆垛有序结构（LPSO结构）Mg-Gd-Zn-Zr镁合金为对象，利用第一性原理计算合金相的稳定性，优化具有LPSO结构的Mg-Gd-Zn-Zr镁合金；采用SEM、TEM、EBSD等手段研究不同热处理态和挤压态LPSO结构镁合金的组织演变、位错组态、动态再结晶；利用电化学循环极化、AES与氩离子轰击溅射、SEM等手段研究合金在模拟体液中的腐蚀动力学和腐蚀表面膜层，探明LPSO结构、合金成分、热处理和挤压变形等对生物镁合金腐蚀行为的影响规律，阐明其耐蚀机理与均匀腐蚀机理，为设计和开发具有高耐蚀性、均匀腐蚀行为的生物镁合金提供理论依据。

生物医用镁合金具有良好的生物相容性，生物活性，可降解性，优异的综合力学性能等优点，被誉为第三代生物医用材料，有望替代不锈钢、钛合金、钴基合金等传统不可降解医用金属材料，广泛应用于骨科固定、心血管支架等领域，造福人类健康。然而，目前生物可降解镁合金存在腐蚀速率过快和腐蚀不均匀等问题，容易导致植入材料力学完整性过早丧失，最终导致植入器械断裂，从而失去支撑功能。.本项目开发出具有长周期堆垛有序结构（LPSO结构）的低Gd含量的Mg-Gd-Zn-Zr生物可降解镁合金，该合金无细胞毒性，在铸态下具有层片状LPSO结构，分布在基体晶粒边缘。含有LPSO结构的镁合金的在模拟体液（SBF）中表现为理想的均匀腐蚀特性和较慢的腐蚀速率，而不含该结构的合金则呈现不均匀腐蚀。研究发现LPSO结构的体积分数可以通过热处理进行调控，并阐明了Mg-Gd-Zn-Zr镁合金组织的演变规律，建立了具有LPSO结构Mg-Gd-Zn-Zr镁合金中LPSO结构与腐蚀行为的对应关系。通过分析LPSO结构的分布与成分，揭示了其均匀腐蚀机理：该结构分布在基体晶粒周围，且比基体含有更多的Gd元素，在腐蚀过程中可形成Gd的氧化物和氢氧化物保护层，并且该结构分布在基体边缘，将基体与共晶相隔开，起到桥梁的作用，有效减慢了合金的腐蚀速率并抑制了局部腐蚀的发生，使合金呈现均匀降解特性。而当LPSO结构贯穿基体晶粒时，则耐蚀性降低。对挤压态Mg-Gd-Zn-Zr合金的力学性能研究发现其具有良好的综合力学性能（抗拉强度超过250 MPa，延伸率高于25%），且在SBF中的强度半衰期超过150天，能提供足够的力学支撑效果。在具有均匀腐蚀的Mg-Gd-Zn-Zr合金表面进行了Nd离子注入，显著降低了合金的腐蚀速率，且表现为均匀腐蚀。.本项目主要揭示了具有LPSO结构Mg-Gd-Zn-Zr镁合金的均匀腐蚀机理，并优化了Mg-Nd-Gd-Sr-Zn-Zr、Mg-Nd-Sr(-Zn)-Zr、Mg-Gd-Zn(-Ca/Mn)镁合金的组织、力学性能与生物腐蚀性能。本项目的研究成果可为生物可降解镁合金的临床应用提供理论指导和设计思路。