本发明专利技术涉及一种细小层片共晶结构的生物锌合金及其制备方法，属于生物锌合金设计和制造技术领域。所述共晶生物锌合金以质量百分比计包括下述组分：锌98.9‑99.1wt％、铝0.8wt％、锆0.1‑0.3wt％。按设计组份取锌粉、铝粉和锆粉，在保护气氛下250‑400r/min球磨2‑4h，得到混合粉末；然后在保护气氛下，采用SLM工艺制备锌‑铝‑锆共晶生物锌合金。本发明专利技术通过锆元素的异质形核和成分过冷，使基体中的富铝相和富锌相交替析出凝固，从而在锌铝合金中生成层片共晶结构，并且提高锆的含量能够进一步细化层片共晶结构；此外，应用SLM技术凝固速度快的特点能够抑制形核生长，从而进一步细化锌合金的层片共晶结构。层片共晶结构的形成和细化提高了生物锌合金的力学性能，促进了其在组织修复领域的应用。
A bio-zinc alloy with fine lamellar eutectic structure and its preparation method
The invention relates to a bio-zinc alloy with fine lamellar eutectic structure and a preparation method thereof, belonging to the technical field of design and manufacture of bio-zinc alloy. The eutectic bio-zinc alloy comprises the following components in mass percentage: zinc 98.9 99.1wt%, aluminium 0.8wt%, zirconium 0.1 0.3wt%. Zinc powder, aluminium powder and zirconium powder were obtained by ball milling for 2_4 h at 250_400 r/min in protective atmosphere. Then, zinc-aluminium-zirconium eutectic bio-zinc alloy was prepared by SLM process in protective atmosphere. By heterogeneous nucleation and supercooling of zirconium element, the aluminium-rich phase and zinc-rich phase in the matrix alternately precipitate and solidify, thus forming lamellar eutectic structure in zinc-aluminium alloy, and increasing the content of zirconium can further refine lamellar eutectic structure; moreover, the fast solidification speed of SLM technology can inhibit nucleation growth and further refine lamellar eutectic structure of zinc alloy. Crystal structure. The formation and refinement of lamellar eutectic structure improve the mechanical properties of bio-zinc alloy and promote its application in the field of tissue repair.
【技术实现步骤摘要】
一种细小层片共晶结构的生物锌合金及其制备方法
本专利技术属于生物材料设计和制备
，特别涉及一种细小层片共晶结构的生物锌合金及其制备方法。
技术介绍
锌的标准电极电位在镁和铁之间，具有与人体骨组织生长相适宜的降解速率，因此被认为是一种极具潜力的骨修复材料。此外，锌具有良好的生物相容性和优异的加工性能，并能参与人体细胞发育生长、基因表达、免疫系统和神经系统等众多生理反应过程。然而，锌的力学性能尤其是强度和韧性较差，目前还难以达到骨缺损修复的要求，这极大地限制了其应用。因此，提高锌的力学性能成为其用于可降解骨植入物迫切需要解决的难题。近年来大量研究表明，添加合金元素和改进制备工艺是提高锌力学性能的有效方法。在选择合金元素时不仅要考虑对锌力学性能的改善作用，同时还应考虑合金元素的生物相容性。目前国内外学者针对锌基合金做了一系列研究，获得了许多合金体系，如锌-镁、锌-钙、锌-锶等，这些合金元素的添加均不同程度的提高了锌的力学强度，但同时也在锌基体中生成了硬而脆的第二相，使得这些锌合金的断裂韧性和延伸率降低，还是难以满足使用要求。根据锌铝二元合金相图，铝元素和锌元素在特定比例下会发生共晶反应形成片状的共晶结构。因此，若能将铝作为合金元素添加到锌中，有望生成层片状的共晶结构，从而提高锌合金的力学性能。但是锌铝合金共晶点处的铝含量为5.1wt％，如此高的铝含量不仅会对人体组织器官造成损伤，并且会造成层片状共晶组织粗大，减弱其力学强化效果。因此，如何在保持生物安全性的基础上，有效利用铝和锌之间的层片共晶反应并有效发挥其强化作用，成为锌铝合金在骨修复中应用的关键。专利技术内容为了克服上述现有技术中生物锌合金力学性能不足等缺点，本专利技术的目的在于提供一种细小层片共晶结构的生物锌合金及其制备方法。为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：一种细小层片共晶结构的生物锌合金，由锌98.9-99.1wt％、铝0.8wt％和锆0.1-0.3wt％组成，其中，富铝相和富锌相交替析出凝固形成细小层片共晶结构。所述细小层片共晶结构的生物锌合金晶粒尺寸随锆含量的升高而减小。优选地，所述细小层片共晶结构的层片间距小于1μm。本专利技术中，所述锆的含量越高，细小层片共晶结构的层片间距越小，压缩强度越高。优选地，所述铝的含量为0.8wt％，锆的含量为0.1-0.2wt％。更优选地，所述铝的含量为0.8wt％，锆的含量为0.2wt％。本专利技术还提供了所述细小层片共晶结构的生物锌合金的制备方法，包括下述步骤：步骤一：配取锌粉、铝粉和锆粉，在保护气氛下球磨得到锌铝锆混合粉末；步骤二：以步骤一所得锌铝锆混合粉末为原料，在保护气氛下，采用SLM工艺制备层片共晶结构的生物锌合金。优选地，所述步骤一中，球料质量比10:1-30:1，球磨转速为250-400r/min，球磨2-4h。所述步骤二中，控制激光功率为50-70W，扫描速率为10-15mm/s，光斑直径为50μm，激光扫描间距为20-30μm，铺粉厚度为0.1-0.2mm。更优选地，所述步骤一中，球料质量比为20:1-30:1，球磨转速为350-400r/min，球磨3-4h；所述步骤二中，控制激光功率为60-70W，扫描速率为12-15mm/s，光斑直径为50μm，激光扫描间距为20μm，铺粉厚度为0.1mm。优选地，所述步骤一和步骤二中，保护气氛均为纯度大于等于99.999％的高纯氩气。本专利技术所设计和制备的细小层片状共晶结构的生物锌合金用作可降解植入物具有明显的优势。本专利技术的原理和优势：本专利技术首次尝试了利用SLM工艺将铝和锆直接添加于生物锌合金中，制备细小层片状共晶结构的生物锌合金。通过控制锆的用量在确保适当降解速率和生物相容性的同时尽可能的提升产品的力学性能。由锌铝二元相图可知，Zn-0.8Al合金中Al含量低于其在锌中的固溶度(1.1wt％)，并远低于其共晶点成分(5.1wt％)，因此激光制备过程中Al会完全固溶在锌基体中，无法形成层片共晶结构。而在添加锆之后，一方面锆会与锌和铝形成锌铝锆第二相，这种第二相可作为有效异质形核位点，促使富锌相和富铝相的交替析出和形核；另一方面，锆极高的熔点能够增大组分过冷促进形核，使更多的富铝相析出，两者共同作用促进层片共晶结构的形成。而随着锆含量增加，形成了更多的锌铝锆第二相，促进了更多的富锌相和富铝相形核，因此增加了单位体积中的层片共晶数量，进而细化了层片状共晶结构。同时，利用SLM工艺极高的冷却速率使合金迅速凝固，促进了层片共晶结构在晶粒边界形成，进一步细化了层片共晶结构。细化的共晶结构增加了层片界面，增强了层片界面的钉扎作用，能够有效阻碍位错的攀移运动以及穿越界面的运动，从而提高了生物锌合金的力学性能。在此基础上，本专利技术通过优化锌-铝-锆组分，获得细小弥散的锌铝锆第二相，这为得到层片状共晶结构提供了前提条件；通过优化球磨工艺参数，实现了铝粉、锆粉和锌粉的均匀混合，这为得到均匀分布的层片状共晶结构提供了必要条件；球磨完成后，辅以特定参数的SLM工艺，实现生物锌合金的快速制备。当锆含量过低时，锆会固溶到基体中，无法形成锌铝锆第二相，从而不能生成共晶结构；当锆含量过多时，易形成粗大或者相互桥连的锌铝锆第二相，进而增大了共晶结构的层片间距。当球磨时间过短时，三种粉末混合不均匀，得到了随机离散分布的层片状共晶结构，甚至形成粗大的锌铝锆第二相；当球磨时间过长时，加剧了粉末之间的冷焊，得到了粒度过大的粉末，从而使得粉末团聚现象出现，增大了层片间距。对于SLM工艺，当功率过低或者扫描速度过快，激光能量密度过小，金属粉末几乎不能成型；而能量密度过大则使熔池温度过高，促进了基体晶粒和第二相长大，增大了层片间距。粗大的层片间距和第二相，不可避免的会降低生物锌合金的力学性能。与现有技术相比，本专利技术优点如下：(1)通过锆元素促进异质形核并增大组分过冷，形成层片共晶组织；并且通过提高锆元素含量，进一步细化层片共晶组织的间距和尺寸，增加层片界面对裂纹的钉扎作用，进而提高了生物锌合金的力学性能。(2)利用SLM技术高能快冷的特点，促进了层片状共晶在晶界的形成，从而得到更多细小的层片状共晶组织。(3)所开发的锌-铝-锆合金体系不仅能够获得层片状共晶结构的生物锌合金，而且具有优良的生物相容性和适当的降解速率，能够用于人体组织修复。附图说明图1是本专利技术Zn-Al-Zr合金的表面形貌图。图2是Zr含量0.4wt％时合金的XRD图。具体实施方式下面结合附图和实施例详细说明本专利技术的实施方式。实施例1按0.2:0.8:99的质量比分别称取0.02g锆粉末、0.08g铝粉末和9.9g锌粉末，将三者加入到球磨罐中并以20:1的球料质量比，在99.999％高纯氩气保护气氛下，以转速350r/min球磨3h，从而得到锌铝锆混合粉末。以上述混合粉末为原料，在激光功率65W、扫描速度14mm/s、光斑直径50μm、扫描间距为0.01mm、铺粉厚度为0.1mm和99.999％高纯氩气保护气氛的工艺条件下，利用SLM工艺制备生物锌合金。微观结构测试发现，形成了大量细小均匀分布的层片状锌铝共晶结构，如图1a所示，层片间距为0.34μm，经力学测试发现，极限压缩强度260MPa，相对于锌提高了86％。实施例2按0本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种细小层片共晶结构的生物锌合金，其特征在于，由锌98.9‑99.1wt％、铝0.8wt％和锆0.1‑0.3wt％组成，其中，富铝相和富锌相交替析出凝固形成细小层片共晶结构。
【技术特征摘要】
1.一种细小层片共晶结构的生物锌合金，其特征在于，由锌98.9-99.1wt％、铝0.8wt％和锆0.1-0.3wt％组成，其中，富铝相和富锌相交替析出凝固形成细小层片共晶结构。2.根据权利要求1所述细小层片共晶结构的生物锌合金，其特征在于，所述锆含量越高，生物锌合金的晶粒越小，细小层片共晶结构的层片间距越小，压缩强度越高。3.根据权利要求1所述细小层片共晶结构的生物锌合金，其特征在于，所述细小层片共晶结构的层片间距小于1μm。4.根据权利要求1所述细小层片共晶结构的生物锌合金，其特征在于，所述铝的含量为0.8wt％，锆的含量为0.1-0.2wt％。5.根据权利要求1所述细小层片共晶结构的生物锌合金，其特征在于，所述铝的含量为0.8wt％，锆的含量为0.2wt％。6.权利要求1所述一种细小层片共晶结构的生物锌合金的制备方法，其特征在于，包括下述步骤：步骤一：配取锌粉、铝粉和锆粉，在保护气氛下球磨得到锌铝锆混合粉末；步骤二：以步骤一所得锌铝锆混合粉末为原料，在保护气氛下，采用...
【专利技术属性】
技术研发人员：帅词俊，高成德，
申请(专利权)人：江西理工大学，
类型：发明
国别省市：江西,36
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