一种基于超细三相共晶组织增强的高强韧医用生物可降解锌合金及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种基于超细三相共晶组织增强的高强韧医用生物可降解锌合金及其制备方法，其步骤包括：A、将纯锌锭和纯镁锭在CO

A high strength and toughness medical biodegradable zinc alloy based on ultra-fine three-phase eutectic structure reinforcement and its preparation method

【技术实现步骤摘要】
一种基于超细三相共晶组织增强的高强韧医用生物可降解锌合金及其制备方法
本专利技术涉及一种基于超细三相共晶组织增强的高强韧医用生物可降解锌合金及其制备方法，属于可降解金属加工

技术介绍
相比于传统不可降解（惰性）医用金属材料，如不锈钢、钛基合金、钴基合金和镍铬合金等，生物可降解金属具有突出的优点，包括：（1）良好的生物相容性；（2）可生物降解性，完成服役作用后即可在体内完全降解，且降解产物对人体无副作用；（3）植入体内无需进行二次手术取出，减轻了患者的痛苦，降低了二次手术的风险和医疗成本。因此，进入21世纪后，生物可降解金属受到了众多材料研究学者和医疗研究人员的青睐，被誉为是新一代革命性的生物医用金属材料。根据可降解金属对金属材料生物降解能力和生物相容性的要求，可用作可降解金属的合金体系主要包括三类，分别是铁基合金、镁基合金和锌基合金【Y.Liu,etal.AdvancedFunctionalMaterials,2019,1805402】。当前广泛的研究集中于铁基合金和镁基合金，对锌基合金的研究较少。Fe是人体内必需的微量元素，成人一天的建议摄入量为8～18毫克。铁基合金具有良好的力学性能（强度和韧性），但其腐蚀速率过慢，通常在植入体内2年内难以完全降解。此外，铁基合金降解过程中产生的大量铁氧化合物恐难以在体内安全降解。Mg基合金具有优异的生物相容性，成人的建议摄入量为240～400毫克/天。镁基合金作为可降解金属存在的最大问题是其腐蚀速率过快，在植入人体的半年内就会因快速腐蚀而失去设计的力学功能。因此，无论是铁基合金还是镁基合金，需要通过进一步研究调控其腐蚀速率。近年来，锌基合金作为可降解金属受到了人们的广泛研究。Zn的标准电极电位为－0.76V，介于Mg（－2.37V）和Fe（－0.44V）元素之间，具有适宜的降解速率。Zn是人体的必须营养元素，同时也是人体内第二多的过渡金属元素，具有良好的生物相容性，对于人体免疫系统和神经系统具有至关重要的作用。婴儿每日需补充2～3毫克锌，成人每日需补充10～15毫克锌。因此，锌基合金作为可降解金属材料，更加符合临床的要求，具有较大应用潜力，有望发展成为新一代可降解植入器件材料【郑玉峰等，专利技术专利，授权公告号：CN104212998B】。然而，作为六方结构的金属，锌基合金的力学性能相对较差，限制了其作为可降解金属的应用潜力。因此，本专利技术针对特定成分的Zn-Mg二元合金，提出了一种采用控制凝固联合等通道转角挤压加工获得基于超细三相共晶组织增强的高强韧医用生物可降解锌合金的制备方法。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种基于超细三相共晶组织增强的高强韧医用生物可降解锌合金及其制备方法。本专利技术采用的技术方案为：一种基于超细三相共晶组织增强的高强韧医用生物可降解锌合金的制备方法，其步骤包括：A、将纯锌锭和纯镁锭在CO2和SF6混合气氛保护下进行熔炼，随后控制浇铸，获得含有三相共晶组织的锌合金铸锭；B、从上述锌合金铸锭中切割出长方体或圆柱体坯料，进行多道次等通道转角挤压加工，获得组织超细化的高强韧医用生物可降解锌合金。其中，所述锌合金中Mg元素的含量为0.3%～1.2wt%，余下为Zn。步骤A中，锌合金浇铸的冷却速度控制为600～800℃/s。步骤B中，等通道转角挤压加工的温度为150～250℃。步骤B中，等通道转角挤压加工的道次为8～16。本专利技术还公开了上述的方法制备得到的基于超细三相共晶组织增强的高强韧医用生物可降解锌合金。有益效果：本专利技术提供的方法先促使具有特定成分的锌镁二元合金中形成特殊的三相共晶组织，随后联合多道次连续等通道转角挤压加工使合金基体和共晶组织细化并分散，充分发挥细晶强化和多组元的协同强化作用，提高了锌基合金的强韧性，同时改善了其腐蚀行为。与现有技术相比，本专利技术具有以下优点：（1）充分利用α-Zn基体的细晶强化，并协同Mg2Zn11亚微米级颗粒和MgZn2纳米颗粒的耦合强化作用，使低合金化的锌镁二元合金获得了优异的综合力学性能，屈服强度普遍高于280MPa，抗拉强度高于340MPa（甚至突破450MPa），同时具有良好的塑性（延伸率为10～60%）。（2）合金的强度与塑性可适配，作为医用可降解金属时可根据实际需求进行调控与选择。当合金中Mg含量较低时，合金会具有更加优异的塑性；Mg含量较高时，增强相含量增加，合金具有更高的强度。此外，低温多道次等通道转角挤压加工促使合金形成带状组织，强化效果进一步提升，但塑性下降；高温多道次等通道转角挤压加工促使合金形成完全均匀组织，合金的塑性显著优化，但强度存在一定程度的削弱。（3）均匀细小的合金组织改善了锌合金的腐蚀和降解行为，Mg2Zn11亚微米级颗粒和MgZn2纳米颗粒第二相的均匀分布增加了合金表面的电位均匀性，导致合金的腐蚀方式为均匀腐蚀且腐蚀速率较慢，更适宜于作为可降解金属植入器件在人体内使用。附图说明图1为实施例4中所述的Zn-0.8wt%Mg铸态合金中三相共晶组织的TEM照片。具体实施方式以下通过具体实施例对本专利技术的技术方案进行进一步说明，但本专利技术并不限于以下具体实施例。实施例1将成分为Zn-0.3wt%Mg合金所需的纯锌锭和纯镁锭在CO2和SF6混合气氛（99:1）保护下进行熔炼，随后控制浇铸，冷却速度为600℃/s，获得含有三相共晶组织的Zn-0.3wt%Mg锌合金铸锭。从上述锌合金铸锭中切割出长方体或圆柱体坯料，进行多道次等通道转角挤压加工，等通道转角挤压加工的温度为150℃，等通道转角挤压加工的道次为16，随后获得组织超细化的高强韧医用生物可降解锌合金。实施例2将成分为Zn-1.0wt%Mg合金所需的纯锌锭和纯镁锭在CO2和SF6混合气氛（99:1）保护下进行熔炼，随后控制浇铸，冷却速度为700℃/s，获得含有三相共晶组织的Zn-1.0wt%Mg锌合金铸锭。从上述锌合金铸锭中切割出长方体或圆柱体坯料，进行多道次等通道转角挤压加工，等通道转角挤压加工的温度为200℃，等通道转角挤压加工的道次为12，随后获得组织超细化的高强韧医用生物可降解锌合金。实施例3将成分为Zn-1.2wt%Mg合金所需的纯锌锭和纯镁锭在CO2和SF6混合气氛（99:1）保护下进行熔炼，随后控制浇铸，冷却速度为800℃/s，获得含有三相共晶组织的Zn-1.2wt%Mg锌合金铸锭。从上述锌合金铸锭中切割出长方体或圆柱体坯料，进行多道次等通道转角挤压加工，等通道转角挤压加工的温度为250℃，等通道转角挤压加工的道次为8，随后获得组织超细化的高强韧医用生物可降解锌合金。实施例4将成分为Zn-0.8wt%Mg合金所需的纯锌锭和纯镁锭在CO2和SF6混合气氛（99:1）保护下进行熔炼，随后控制浇铸，冷却速度为650℃/s，获得含有三相共晶组织的Zn-0.8wt%Mg锌合金铸锭。从上述锌合金铸本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于超细三相共晶组织增强的高强韧医用生物可降解锌合金的制备方法，其步骤包括：/nA、将纯锌锭和纯镁锭在惰性气氛保护下进行熔炼，随后控制浇铸，锌合金浇铸的冷却速度控制为600～800℃/s，获得含有三相共晶组织的锌合金铸锭，所述锌合金铸锭中Mg元素的含量为0.3%～1.2wt%，余下为Zn；/nB、从上述锌合金铸锭中切割出长方体或圆柱体坯料，进行多道次等通道转角挤压加工，获得组织超细化的高强韧医用生物可降解锌合金。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于超细三相共晶组织增强的高强韧医用生物可降解锌合金的制备方法，其步骤包括：
A、将纯锌锭和纯镁锭在惰性气氛保护下进行熔炼，随后控制浇铸，锌合金浇铸的冷却速度控制为600～800℃/s，获得含有三相共晶组织的锌合金铸锭，所述锌合金铸锭中Mg元素的含量为0.3%～1.2wt%，余下为Zn；
B、从上述锌合金铸锭中切割出长方体或圆柱体坯料，进行多道次等通道转角挤压加工，获得组织超细化的高强韧医用生物可降解锌合金。


2.根据权利要求1所述的一种基于超细三相共晶组织增强的高强韧医用生物可降解锌合金的制...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘欢，孙超，黄河，任康轩，江静华，马爱斌，
申请(专利权)人：河海大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32