本发明涉及金属材料技术领域，具体涉及一种生物医用镁合金及其制备方法。
背景技术：
传统镁合金中不仅存在不同的相、杂质与缺陷，即使同一相中不同部位的元素含量也不尽相同，镁合金表面难以达到电化学均匀，易引起局部腐蚀的发生，导致生物镁合金在服役过程中发生不可控失效。
细化镁合金的微观组织是降低局部腐蚀发生机率的有效措施之一。通过在变形过程中诱发再结晶，塑性变形能够引起明显的晶粒细化，同时消除铸造合金中的成分偏析、气孔夹杂等缺陷，从而有效改善镁合金的耐腐蚀性能。剧烈塑性变形技术是一类受到广泛关注的晶粒细化方法，能够实现优异的晶粒细化效果，近年来已陆续开发出等通道角挤压、高压扭转、累计叠轧和多向锻造等多种剧烈塑性变形方法，在改善生物镁合金的耐腐蚀性能方面展现出很大的潜力。搅拌摩擦加工技术是在搅拌摩擦焊接技术基础上发展而来的一种剧烈塑性变形技术，该技术利用搅拌摩擦焊的搅拌头高速搅拌所引起加工区材料的剧烈塑性变形、混合、破碎和热暴露，实现材料微观组织结构的致密化、均匀化和晶粒细化。与其他几种剧烈塑性变形技术相比，搅拌摩擦加工技术无需加热工件、不改变工件形状和尺寸、不受加工环境的限制，因而具有独特的优势。得益于其强大的塑性变形能力，该技术在镁合金中具有很强的适应性。搅拌摩擦加工细晶生物镁合金这一方法要进入实际应用，对所制备细晶生物镁合金的体积有一定要求，而制备大块细晶金属材料一直是剧烈塑性变形技术领域面临的难题，常规的单道搅拌摩擦加工技术同样存在作用范围小、组织分布不均匀等缺点。而多道搭接搅拌摩擦加工技术则可以利用在各道次加工区域间保持一定的搭接率，通过多道次作用区域的叠加，从而制备大块细晶金属材料，该方法已在铝合金、镁合金上得到初步应用。因此，采用多道搭接搅拌摩擦加工技术，有望获得具有良好性能的大块细晶生物镁合金。
不同的生物医用镁合金应用场合，对镁合金的耐腐蚀性能有不同的要求，如何通过调控合金成分实现生物医用镁合金耐腐蚀性能的有效调控也是一个亟待解决的难题。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种生物医用镁合金及其制备方法，该方法通过采用熔炼制备镁合金坯料、均质化处理和多道搭接搅拌摩擦加工等步骤，实现生物医用镁合金的制备，且经本发明方法制得的生物医用镁合金具有良好的力学性能，且可通过镁合金成分对其耐腐蚀性能进行有效调控。
本发明是通过如下技术方案实现的：
一种生物医用镁合金，其特征在于，所述的生物医用镁合金包括如下重量百分数的组分：锌1.0-2.0wt％；钙0.2-0.4wt％；锂2.0-4.0wt％；余量为镁。本发明的生物医用镁合金通过在传统镁-锌-钙生物镁合金的基础上加入锂元素，由于锂元素的化学性质比较活泼，可以通过改变锂元素的含量来调节生物镁合金的耐腐蚀性能；本发明在传统镁-锌-钙生物镁合金的基础上加入锂元素，可以提高镁合金的塑性变形能力，满足搅拌摩擦加工过程中剧烈塑性变形的要求。
进一步地，所述的金属锌、钙、锂和镁的纯度均不小于99.9％。
一种生物医用镁合金的制备方法，包括如下步骤：
(1)制备镁合金坯料：根据生物医用镁合金的成分配比，称取纯度不小于99.9％的镁、锌、钙和锂金属颗粒，在惰性气氛下，将所述的金属颗粒熔炼，冷却，得到镁合金坯料；
(2)均质化处理：在惰性气氛下，将上述所得镁合金坯料在高温下进行均质化处理，然后冷却；
(3)多道搭接搅拌摩擦加工：将均质化处理后的镁合金坯料加工成镁合金板材，并采用搅拌摩擦焊的方式对所述镁合金板材进行多道搭接搅拌摩擦加工，在多道搭接搅拌摩擦加工过程中，搅拌针的长度为6-12毫米，搅拌针轴肩直径为12-24毫米，每道次加工长度为80-120mm，各道次间搭接率为40-60％；加工结束后去除周围未加工区域，即得到生物医用镁合金。
进一步地，步骤(1)制备镁合金坯料：根据生物医用镁合金的成分配比，准确称取纯度不小于99.9％的镁、锌、钙和锂金属颗粒，然后在氩气气氛下，将所述的镁、锌、钙和锂金属颗粒置于真空感应熔炼炉中在680-720℃下熔炼0.4-0.6小时，熔炼完成后随炉自然冷却至室温，即得到镁合金坯料。
进一步地，步骤(2)均质化处理：将上述所得镁合金坯料置于高温电阻炉中，并在下氩气保护下，进行均质化处理，均质化处理后水淬冷却；且所述的均质化处理的温度为600-630℃，均质化处理的时间为12-24小时。本发明的生物医用镁合金在设计中避免低熔点第二相形成，使合金能够在高达600-630℃的条件下进行均质化处理，能够最大程度地使合金元素在镁合金内部均匀分布。
进一步地，步骤(3)多道搭接搅拌摩擦加工：将均质化处理后的镁合金坯料加工成厚度为6-12毫米的镁合金板材，然后采用搅拌摩擦焊机对所述的镁合金板材进行多道搭接搅拌摩擦加工；在多道搭接搅拌摩擦加工过程中，搅拌针的长度为6-12毫米，搅拌针轴肩直径为12-24毫米，所述搅拌针的转速为800-1600转/分钟，所述搅拌针紧给速度为40-80毫米/分钟；每道次加工长度为80-120毫米，各道次间搭接率为40-60％；多道搭接搅拌摩擦加工过程中，在所述镁合金板材的表面喷洒冰水促进其冷却；加工结束后去除周围未加工区域，即得到生物医用镁合金。本发明采用多道搭接搅拌摩擦加工技术，克服了传统搅拌摩擦加工技术难以制备大块细晶材料的局限，实现了大块细晶生物医用镁合金板材的制备。
本发明的有益效果：
(1)本发明的生物医用镁合金在传统镁-锌-钙生物镁合金的基础上加入锂元素，由于锂元素的化学性质比较活泼，可以通过改变锂元素的含量来调节生物镁合金的耐腐蚀性能；本发明在传统镁-锌-钙生物镁合金的基础上加入锂元素，可以提高镁合金的塑性变形能力，满足搅拌摩擦加工过程中剧烈塑性变形的要求。
(2)本发明的生物医用镁合金在设计中避免低熔点第二相形成，使合金能够在高达600-630℃的条件下进行均质化处理，能够最大程度地使合金元素在镁合金内部均匀分布。
(3)本发明的生物医用镁合金的制备方法简单，采用多道搭接搅拌摩擦加工技术，克服传统搅拌摩擦加工技术难以制备大块细晶材料的局限，实现了大块细晶生物医用镁合金板材的制备。
具体实施方式
下面将结合具体实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
一种生物医用镁合金，其特征在于，该生物医用镁合金包括如下重量百分数的组分：锌1.0wt％；钙0.2wt％；锂2.0wt％；余量为镁；所述的金属锌、钙、锂和镁的纯度均为99.9％。
上述生物医用镁合金的制备方法，包括如下步骤：
(1)制备镁合金坯料：根据生物医用镁合金的成分配比，准确称取纯度为99.9％的镁、锌、钙和锂金属颗粒，然后在氩气气氛下，将所述的金属颗粒混合后置于真空感应熔炼炉中，在680℃下熔炼0.6小时，熔炼结束后随炉自然冷却至室温，即得到镁合金坯料；
(2)均质化处理：将上述所得的镁合金坯料放入高温电阻炉中，在氩气保护下进行均质化处理，其中：均质化处理的温度为630℃，均质化处理的时间为12小时，均质化处理结束后水淬冷却；
(3)多道搭接搅拌摩擦加工：将均质化处理后的镁合金坯料加工成厚度为6毫米的镁合金板材，并采用搅拌摩擦焊机对所述的镁合金板材进行多道搭接搅拌摩擦加工；在多道搭接搅拌摩擦加工过程中，所用的搅拌针的长度为6毫米，搅拌针轴肩直径为12毫米，每道次加工长度为80毫米，搅拌针转速为800转/分钟，搅拌针进给速度为40毫米/分钟，各道次间搭接率为40％；多道搭接搅拌摩擦加工过程中，在所述镁合金板材的表面喷洒冰水促进其快速冷却；加工结束后去除周围未加工区域，即得到生物医用镁合金。
根据gb/t228-2010《金属材料拉伸试验》测得上述实施例1所制备生物医用镁合金的抗拉强度为269mpa。依据astmg31-1972(2004)《standardpracticeforlabimmersioncorrosiontestingofmetals》进行腐蚀性能测试，腐蚀介质为模拟体液，温度保持在36.5±0.5℃，每24小时更换一次模拟体液，测得该生物医用镁合金的腐蚀速率为0.24mm/year。
实施例2
一种生物医用镁合金，其特征在于，该生物医用镁合金包括如下重量百分数的组分：锌1.5wt％；钙0.3wt％；锂3.0wt％；余量为镁；所述的金属锌、钙、锂和镁的纯度均为99.9％。
上述生物医用镁合金的制备方法，包括如下步骤：
(1)制备镁合金坯料：根据生物医用镁合金的成分配比，准确称取纯度为99.9％的镁、锌、钙和锂金属颗粒，然后在氩气气氛下，将所述的金属颗粒混合后置于真空感应熔炼炉中，在700℃下熔炼0.5小时，熔炼结束后随炉自然冷却至室温，即得到镁合金坯料；
(2)均质化处理：将上述所得的镁合金坯料放入高温电阻炉中，在氩气保护下进行均质化处理，其中：均质化处理的温度为615℃，均质化处理的时间为18小时，均质化处理结束后水淬冷却；
(3)多道搭接搅拌摩擦加工：将均质化处理后的镁合金坯料加工成厚度为8毫米的镁合金板材，并采用搅拌摩擦焊机对所述的镁合金板材进行多道搭接搅拌摩擦加工；在多道搭接搅拌摩擦加工过程中，所用的搅拌针的长度为8毫米，搅拌针轴肩直径为16毫米，每道次加工长度为100毫米，搅拌针转速为1200转/分钟，搅拌针进给速度为60毫米/分钟，各道次间搭接率为50％；多道搭接搅拌摩擦加工过程中，在所述镁合金板材的表面喷洒冰水促进其快速冷却；加工结束后去除周围未加工区域，即得到生物医用镁合金。
根据gb/t228-2010《金属材料拉伸试验》测得上述实施例2所制备生物医用镁合金的抗拉强度为281mpa。依据astmg31-1972(2004)《standardpracticeforlabimmersioncorrosiontestingofmetals》进行腐蚀性能测试，腐蚀介质为模拟体液，温度保持在36.5±0.5℃，每24小时更换一次模拟体液，测得该生物医用镁合金的腐蚀速率为0.27mm/year。
实施例3
一种生物医用镁合金，其特征在于，该生物医用镁合金包括如下重量百分数的组分：锌2.0wt％；钙0.4wt％；锂4.0wt％；余量为镁；所述的金属锌、钙、锂和镁的纯度均为99.9％。
上述生物医用镁合金的制备方法，包括如下步骤：
(1)制备镁合金坯料：根据生物医用镁合金的成分配比，准确称取纯度为99.9％的镁、锌、钙和锂金属颗粒，然后在氩气气氛下，将所述的金属颗粒混合后置于真空感应熔炼炉中，在720℃下熔炼0.4小时，熔炼结束后随炉自然冷却至室温，即得到镁合金坯料；
(2)均质化处理：将上述所得的镁合金坯料放入高温电阻炉中，在氩气保护下进行均质化处理，其中：均质化处理的温度为600℃，均质化处理的时间为24小时，均质化处理结束后水淬冷却；
(3)多道搭接搅拌摩擦加工：将均质化处理后的镁合金坯料加工成厚度为12毫米的镁合金板材，并采用搅拌摩擦焊机对所述的镁合金板材进行多道搭接搅拌摩擦加工；在多道搭接搅拌摩擦加工过程中，所用的搅拌针的长度为12毫米，搅拌针轴肩直径为24毫米，每道次加工长度为120毫米，搅拌针转速为1600转/分钟，搅拌针进给速度为80毫米/分钟，各道次间搭接率为60％；多道搭接搅拌摩擦加工过程中，在所述镁合金板材的表面喷洒冰水促进其快速冷却；加工结束后去除周围未加工区域，即得到生物医用镁合金。
根据gb/t228-2010《金属材料拉伸试验》测得上述实施例3所制备生物医用镁合金的抗拉强度为284mpa。依据astmg31-1972(2004)《standardpracticeforlabimmersioncorrosiontestingofmetals》进行腐蚀性能测试，腐蚀介质为模拟体液，温度保持在36.5±0.5℃，每24小时更换一次模拟体液，测得该生物医用镁合金的腐蚀速率为0.31mm/year。
上述为本发明的较佳实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。凡由本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。
1.一种生物医用镁合金，其特征在于，所述的生物医用镁合金包括如下重量百分数的组分：锌1.0-2.0wt％；钙0.2-0.4wt％；锂2.0-4.0wt％；余量为镁。
2.根据权利要求1所述的一种生物医用镁合金，其特征在于，所述的金属锌、钙、锂和镁的纯度均不小于99.9％。
3.根据权利要求1-2任一项所述的一种生物医用镁合金的制备方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
(1)制备镁合金坯料：根据生物医用镁合金的成分配比，称取纯度不小于99.9％的镁、锌、钙和锂金属颗粒，在惰性气氛下，将所述的金属颗粒熔炼，冷却，得到镁合金坯料；
(2)均质化处理：在惰性气氛下，将上述所得镁合金坯料在高温下进行均质化处理，然后冷却；
(3)多道搭接搅拌摩擦加工：将均质化处理后的镁合金坯料加工成镁合金板材，并采用搅拌摩擦焊的方式对所述镁合金板材进行多道搭接搅拌摩擦加工，在多道搭接搅拌摩擦加工过程中，搅拌针的长度为6-12毫米，搅拌针轴肩直径为12-24毫米，每道次加工长度为80-120mm，各道次间搭接率为40-60％；加工结束后去除周围未加工区域，即得到生物医用镁合金。
4.根据权利要求3所述的一种生物医用镁合金的制备方法，其特征在于，步骤(1)制备镁合金坯料：根据生物医用镁合金的成分配比，准确称取纯度不小于99.9％的镁、锌、钙和锂金属颗粒，然后在氩气气氛下，将所述的镁、锌、钙和锂金属颗粒置于真空感应熔炼炉中在680-720℃下熔炼0.4-0.6小时，熔炼完成后随炉自然冷却至室温，即得到镁合金坯料。
5.根据权利要求3所述的一种生物医用镁合金的制备方法，其特征在于，步骤(2)均质化处理：将上述所得镁合金坯料置于高温电阻炉中，在下氩气保护下进行均质化处理，均质化处理后水淬冷却；所述均质化处理的温度为600-630℃，均质化处理时间为12-24小时。
6.根据权利要求3所述的一种生物医用镁合金的制备方法，其特征在于，步骤(3)多道搭接搅拌摩擦加工：将均质化处理后的镁合金坯料加工成厚度为6-12毫米的镁合金板材，然后采用搅拌摩擦焊机对所述的镁合金板材进行多道搭接搅拌摩擦加工；在多道搭接搅拌摩擦加工过程中，搅拌针的长度为6-12毫米，搅拌针轴肩直径为12-24毫米，所述搅拌针的转速为800-1600转/分钟，所述搅拌针紧给速度为40-80毫米/分钟；每道次加工长度为80-120毫米，各道次间搭接率为40-60％；多道搭接搅拌摩擦加工过程中，在所述镁合金板材的表面喷洒冰水促进其冷却；加工结束后去除周围未加工区域，即得到生物医用镁合金。
技术总结