Gd对生物医用AZ31镁合金组织和性能的影响*

戚文军，甘春雷，黄鸿归，黄正华

广东省材料与加工研究所，广东 广州 510650

生物医用镁合金由于具有可降解、力学性能与人骨接近及成本较低等一系列优点，受到国内外学者广泛关注，是目前生物医用金属材料领域研究开发的热点．AZ31镁合金具有密度小、比强度高、比弹性模量大及良好的耐腐蚀和加工成形性能，获得了广泛关注．目前相关学者在改善和提高AZ31镁合金性能方面做了大量的研究工作[1-8]，取得了较多的研究成果．然而，AZ31镁合金相对较低的力学性能在很大程度上限制了其进一步推广应用．为了提升AZ31镁合金的综合力学性能，研究者主要通过施加外场及改进成形加工方法等手段[9-11]，有效地改善了AZ31镁合金的综合力学性能，取得了较好的效果．

近年来，通过添加稀土元素改善AZ31镁合金组织和性能的方法受到重视，但研究主要集中在铸态组织及力学性能方面[12]．Gd是一种重要的稀土元素，能有效改善镁合金的组织及性能[13-15]．为了进一步了解Gd元素对生物医用AZ31镁合金组织性能的影响，本研究以AZ31镁合金为基础，通过加入质量分数1.0%的稀土元素Gd进行合金化，研究Gd元素对挤压态生物医用AZ31镁合金组织性能的影响，为进一步提升和改善生物医用AZ31镁合金综合性能以及拓宽其应用范围提供实验基础．

1 实验部分

1.1 试样制备

首先将AZ31镁合金和AZ31+1.0%Gd镁合金原料分别加热，使其熔化并在750 ℃下保温20 min，然后对熔体进行精炼、搅拌以确保合金元素均匀，再分别将熔体温度降至690 ℃，保温15 min后浇注于预热温度为200 ℃的钢模具中，分别获得AZ31和AZ31-1Gd镁合金圆棒铸坯．将圆棒铸坯在400 ℃下固溶处理20 h后机械加工成直径为100 mm的挤压棒坯(图1(a))，然后进行热挤压加工成镁合金棒材(图1(b))，其中挤压温度为380 ℃、挤压速度为1.5 m/min、挤压比为25．

图1 挤压棒坯和挤压后的棒材(a)挤压棒坯；(b)挤压后的棒材Fig.1 The billet and extruded bar(a)extruded billet；(b)the bar after extrusion

1.2 测试方法

首先镁合金试样需经粗磨、细磨及抛光处理，然后进行化学腐蚀，所用浸蚀剂配比为6.0 g的苦味酸+100 mL的乙醇+20 mL的乙酸+40 mL的蒸馏水．用LEICA-DMI3000M型金相显微镜观察试样的微观组织；用JSM-5610LV型扫描电镜对试样进行成分分析及观察其拉伸断口形貌;用MH-5L型维氏硬度计测试镁合金试样的硬度，测试10点，取其平均值为试样的硬度，其中加载负荷为9.8 N，加载时间为20 s；用GP-TS2000型电子万能材料实验机进行室温下试样拉伸力学性能测试，测试3次，取其平均值为试样的抗拉强度、屈服强度和延伸率，其中拉伸速率为2.0 mm/min.

2 结果与讨论

2.1 微观组织

图2为AZ31和AZ31-1Gd镁合金的挤压态组织．从图2可见：经大变形热挤压加工后镁合金组织发生了动态再结晶，其中AZ31镁合金平均晶粒尺寸为20 μm，而AZ3-1Gd镁合金由于添加了Gd元素，使得合金组织得到细化，其平均晶粒尺寸为15 μm；进一步观察可以发现，两种镁合金组织中均存在弥散分布的第二相粒子，且AZ31-1Gd镁合金组织中含有更多的第二相粒子，这些第二相粒子主要分布于晶界处．

图2 镁合金的挤压态组织(a)AZ31；(b)AZ31-1GdFig.2 The microstructures of extruded magnesium alloys

为更好地观察合金中第二相粒子在挤压变形后的形貌及分布，用电子扫描电镜观察第二相粒子并进行能谱分析．图3为挤压态镁合金的SEM图谱．从图3可见，镁合金经过热挤压变形后组织中出现第二相粒子析出，而且AZ31-1Gd镁合金中析出相粒子的数量明显增多，并且在组织中呈现小颗粒弥散分布．通过对AZ31-1Gd镁合金组织中部分粒子进行能谱分析发现，Al/Gd原子比值约为1.75，可以判断该第二相粒子为Al2Gd[16]．这些第二相粒子为再结晶晶粒的形成提供了大量的外生晶核，从而有效地细化了晶粒，这是挤压态AZ31-1Gd镁合金晶粒比AZ31镁合金晶粒更细小的重要原因．

图3 挤压态镁合金的SEM图谱(a)AZ31；(b)AZ31-1Gd Fig.3 SEM images of extruded magnesium alloys

2.2 力学性能

室温下挤压态AZ31和AZ31-1Gd镁合金的力学性能列于表1．由表1可知，AZ31-1Gd镁合金的维氏硬度为56、抗拉强度为280 MPa、屈服强度为186 MPa，与挤压态AZ31镁合金相比，分别提高了5.7%，3.7%和13.4%，而且延伸率没有出现降低.表明，添加Gd元素能有效地提高生物医用AZ31镁合金的综合力学性能．这是因为：(1)AZ31-1Gd镁合金晶粒直径更小，晶界增多，阻碍位错运动的能力提高，从而强化了金属的力学性能；(2)晶粒尺寸减小，有利于降低相邻晶粒的应力集中，在强化了金属力学性能的同时也降低了裂纹形成的几率，使材料的韧性得到改善；(3)由于AZ31镁合金添加了Gd元素，合金组织中生成了大量的高熔点的Al2Gd相，一旦析出形成弥散分布，特别是晶界处存在的Al2Gd相在室温下能起到稳定晶界、防止晶界滑移的作用，同时弥散分布的Al2Gd相通过阻碍位错运动使合金力学性能得到提高．

表1 挤压态AZ31和AZ31-1Gd镁合金的室温力学性能Table 1 Mechanical properties of extruded AZ31 and AZ31-1Gd magnesium alloys at room temperature

2.3 拉伸断口形貌

为了进一步分析Gd对生物医用AZ31镁合金性能的影响机制，用电子扫描电镜观察AZ31和AZ31-1Gd镁合金的拉伸断口形貌，图4为挤压态镁合金拉伸断口形貌图．从图4可以看出，合金的拉伸断面上充满了大小不等的韧窝，且AZ31-1Gd合金比AZ31合金具有更多的韧窝．这是因为韧窝的数量与晶体中的第二相粒子密切相关，第二相粒子数量越多、尺寸越小，韧窝就越多，表明室温下挤压态AZ31-Gd合金具有韧性断裂的特征．

进一步将图4(b)中的A区域放大并进行EDS分析，图5为挤压态AZ31-1Gd合金拉伸断口EDS图．从图5可见,AZ31-1Gd合金拉伸断口组织的某些韧窝底部存在裂纹.对该处进行EDS分析可知，这些裂纹的产生主要是由于Mg-Mn及Al-Gd等第二相粒子．从图5还可见：合金断口的某些区域有明显的韧窝，该韧窝的形成是由于合金在较粗大的第二相处断裂，第二相粒子脱落造成的；此外，沿第二相/基体的界面、基体中的晶界处均有撕开和断裂的痕迹，表明AZ31-1Gd合金的拉伸断裂具有韧性和脆性混合断裂的特征．

图4 挤压态镁合金拉伸断口形貌的SEM图(a)AZ31；(b)AZ31-1GdFig.4 SEM images of tensile fracture surface of extruded magnesium alloys

处理选项：已分析所有元素(已归一化)，按质量百分比显示所有结果

谱图在状态MgAlMnCuGd总计谱图1是15 6918．0035．40-30．91100．00谱图2是18．61-40．19-41．20100．00谱图3是13．75-43．46-42．79100．00谱图4是4．7730．2933．980．0530．91100．00最大-18．6130．2943．460．0542．79-最小-4．7718．0033．980．0530．91-

图5挤压态AZ31-1Gd合金拉伸断口EDS

Fig.5EDS analysis of fracture surface of extruded AZ31-1Gd alloy

3 结 论

(1)在AZ31镁合金中添加质量分数为1.0%的Gd元素，合金的平均晶粒尺寸由20 μm减少至15 μm，合金组织明显得到细化．

(2)由于AZ31-1Gd镁合金组织中存在大量的弥散分布的第二相粒子，这些第二相粒子主要分布于晶界处，有效地提高了生物医用AZ31镁合金的综合力学性能．AZ31-1Gd镁合金的维氏硬度为56、抗拉强度为280 MPa、屈服强度为186 MPa，与AZ31镁合金相比分别提高了5.7%，3.7%和13.4%，而延伸率没有降低．

(3)AZ31-1Gd合金的拉伸断裂具有韧性和脆性混合断裂的特征．

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