摘要
近年来随着对生物可降解金属材料研究的不断深入，Zn及Zn基合金以其适宜的降解速率、良好的生物相容性而逐渐受到人们的关注，并成为继Mg基合金和Fe基合金之后一种新型的生物可降解材料。鉴于纯Zn的力学性能较差，所以以Mg、Ca、Sr作为合金元素的经过变形处理的二元和三元Zn基合金相继被开发和研究，结果显示其力学性能较纯Zn有显著提高，但是仍不能满足植入材料对力学性能的要求，而且对于Zn基合金力学性能与微观组织之间关系的关注不足。因此本文在Zn-Mg合金的基础上，进一步添加元素Mn，并通过反向热挤压的方法制备出Zn-xMg(x=0.5、1.0wt.％)-yMn(y=0.1、0.3、0.5、1.0、1.5wt.％)合金棒材，并通过EBSD、SEM、力学性能测试等多种方法，研究元素Mn对Zn-Mg基合金微观组织、力学性能及腐蚀行为的影响，从而为高强韧Zn基合金的设计、开发提供有参考意义的基础数据。所得实验结果主要如下: 经过铸造、反挤压制备的Zn-Mg-Mn合金棒材形成了Mg2Zn11和MnZn13两种第二相，在200℃反向热挤压过程中，第二相发生破碎并被拉长沿挤压方向呈条状分布，同时Zn基体晶粒发生了动态再结晶。第二相的存在阻碍了再结晶晶粒的长大，使得Zn-Mg-Mn合金相对于Zn-Mg合金基体晶粒得到了显著细化，其中Mn元素对Zn-0.5Mg-xMn合金的细化作用较为明显，Zn-0.5Mg-1Mn合金平均晶粒尺寸最小为2.1μm。同时挤压后Zn基体形成了较强的{0002}基面织构，较Zn-Mg合金相比添加Mn元素后织构强度减弱。 Zn-0.5Mg-xMn合金的拉伸屈服强度和抗拉强度随Mn含量的增多而逐渐得到提升。由Zn-0.5Mg合金的221MPa和279MPa提升到Zn-0.5Mg-1.5Mn合金的333MPa和422MPa。延伸率呈先增大后减小的趋势，其中Zn-0.5Mg-0.5Mn合金的延伸率最大为22.5％。压缩屈服强度随Mn含量的增多由Zn-0.5Mg合金的233MPa提升到Zn-0.5Mg-1.5Mn合金的405MPa。相比于同等条件下制备的纯Zn，Zn-Mg-Mn合金的拉压不对称性得到明显改善。蠕变测试表明，Mn可以明显提升Zn-Mg合金的抗蠕变性能，Zn-Mg-Mn合金的稳态蠕变速率较Zn-Mg合金降低了一个数量级。综上表明，在Zn-0.5Mg合金中添加元素Mn，通过细化晶粒、织构弱化及第二相强化，使得Zn-Mg-Mn合金实现强度和塑性的同时提升，达到了强韧化。其中Mn含量在0.5wt.％-1.0wt.％时，Zn-Mg-Mn合金具有最佳的强韧性。 Zn-1Mg-xMn合金的拉伸屈服强度和抗拉强度随Mn含量的增多，也逐渐增大，由Zn-1Mg合金的263MPa和332MPa提升到Zn-1Mg-1Mn合金的317MPa和403MPa。延伸率却逐渐减小，由Zn-1Mg合金的6.8％降低到Zn-1Mg-1Mn的1.7％，压缩屈服强度随Mn含量的增多，由Zn-1Mg合金的298MPa提升到Zn-1Mg-1.5Mn合金的447MPa，相比于同等条件下制备的纯Zn拉压不对称性得到改善。主要是由于硬脆第二相含量太高，虽然使强度得到了提升，但却使塑性急剧降低。 37℃SBF模拟体液浸泡实验表明，在Zn-0.5Mg合金中添加不同含量的Mn元素后，腐蚀速率降低。浸泡14天后，Zn-0.5Mg-xMn合金的腐蚀速率相近，均在0.05mm/year左右，电化学实验显示，Zn-0.5Mg-xMn合金的腐蚀速率与模拟体液浸泡实验有相同的规律，进一步证实合金元素Mn的添加可以提高Zn-0.5Mg合金的耐蚀性。
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