[发明专利]一种含微量镱的镁合金及其制备方法

说明书

本发明公开了一种含微量镱的镁合金及其制备方法，所述镁合金中镱的质量百分数为0.5~1.5%，制备步骤包括熔炼→固溶→热挤压→退火。本发明通过添加微量镱显著提升纯镁的综合性能，具有良好的强度、塑性、耐腐蚀性和细胞相容性，可用于制备可降解医用植入物的备选材料。

技术领域

本发明涉及医用金属材料及其制备技术领域，具体涉及一种含微量镱的镁合金及其制备方法。

背景技术

镁合金由于其密度小、比强度、比刚度高成为近年来的一个结构材料研究热点。纯镁密度为1.73 g/cm3，约为铝密度的2/3，钢密度的1/4，是目前最轻的金属结构材料。在提倡节能环保，追求轻量化的今天，镁合金的优势显而易见。镁合金还具有很多其他优点，如良好的铸造性能、机械加工性能、阻尼性能和电磁屏蔽性能。此外，其优异的生物相容性，也使镁及其合金成为潜在的医用材料：镁合金具有和人体骨骼相近的理学指标，如弹性模量、抗压屈服强度等，可以作为人体骨骼的替代品，另外，Mg自然存在于人体骨骼，参与多种体内新陈代谢活动，是人体所必需的微量元素之一，有着良好的生物医用前景。因此，镁合金材料被广泛地应用于航空航天、交通运输、3C电子、生物医疗等各个领域。

然而，镁合金作为结构材料，也有其无法回避的缺点。尽管镁合金拥有比强度、比刚度高、机械加工性能好的优点，但作为工程结构件，它的绝对强度与钢和铝等传统材料相比还有很大的差距。同时其室温下可开动的滑移系有限，室温塑性差也是其大规模应用的主要瓶颈。另外，镁的平衡电位很低，化学性质活泼，与其他不同类金属接触发生电化学反应时，经常作为阳极优先被腐蚀。而且表面形成的腐蚀产物薄膜比较疏松，达不到保护基体的作用，反而更容易引起腐蚀离子的渗透，进一步加速腐蚀反应进行。其绝对强度低、不耐腐蚀等缺点严重制约其广泛应用。

鉴于此，本发明提供一种含微量镱（Yb）的镁合金及其制备方法。通过微量镱添加并设计变形和热处理工艺，获得强度、塑性和耐腐蚀性能的改善，较纯镁综合性能全面提升。具有成本低、性能好、制备流程短、效率高的优点，可作为医用可植入材料的备选。

发明内容

本发明的目的在于提供一种低成本高性能镁合金材料及其制备方法，本发明制备的镁合金具有良好的力学性能、生物相容性和耐腐蚀性，且可通过镱含量调控强塑性匹配以适应不同医用植入物材料的使用要求。

本发明所要解决的技术问题是，克服上述背景技术中纯镁作为结构材料在力学性能和耐腐蚀性能方面的技术劣势，提供一种成分简单，强度、塑性和耐腐蚀性能较纯镁有显著提升的低成本镁合金材料及其制备方法。该镁合金材料晶粒等轴细小、第二相密度低，抗拉强度≥ 200 MPa，屈服强度≥ 100 MPa，延伸率≥ 5%，按照ASTM G31-72的浸泡标准，在37±0.5℃模拟体液中恒温浸泡的腐蚀速率≤5 mm·year^-1。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

首先优选合金成分和含量，并借助合理的熔炼浇铸工艺充分发挥Yb对镁合金凝固组织的细化作用，细化铸态晶粒尺寸并净化熔体，从源头上改善初始锭坯的质量；再固溶使残留的粗大第二相回溶入基体中；随后对铸坯进行等温热挤压，使铸态柱状晶粒等轴细化；最后进行高温退火处理，回复热变形残留的高密度位错，回溶粗大第二相和动态析出相，确保Yb充分固溶入基体，减少局部腐蚀倾向，最终得到室温强度、塑性和耐腐蚀性良好的镁合金块料。该方法立足于稀土含量的选择、坯料初始状态的控制以及变形、热处理工艺的优化。结合熔炼、固溶、挤压、退火成套工艺组合，系统调控晶粒尺寸、形貌、位错密度、残余第二相含量、Yb的存在形式和分布。利用微量Yb的固溶强化增塑效果，获得镁基体强度和塑性的同步提升；同时，基于Yb固溶后可稳定基体提升耐腐蚀性能的发现，拟定变形后高温退火的加工策略，通过降低残余位错密度、回溶第二相来抑制局部腐蚀倾向，在保证强度增加塑性的同时显著提升耐腐蚀性能。最终获得合金强度、塑性和耐腐蚀性能的全面提升。以低成本、短流程制备出高性能的镁合金材料。