金属植入材料，如不锈钢、钛合金和钴铬钼合金^[1]，已被广泛用于在愈合过程中支撑受伤的骨骼。由于这些植入物的弹性模量与皮质骨之间存在显着差异，随着时间的推移，骨密度和厚度会下降，由于屏蔽效应导致骨质弱化。对于弹性模量较高的永久植入物来说，这种效应更为明显，因此需要通过第二次手术将其从体内取出^[2]。相比之下，可生物降解的镁植入物由于其弹性模量和屈服应力与皮质骨相似，可以有效减轻应力屏蔽效应^[3,4]，因此不需要从人体中取出。此外，由于其他可生物降解材料如聚合物植入物的强度不足、镁合金优异的生物相容性以及镁元素在骨生成过程中的必要性^[5,6]，研究人员最近将注意力转向镁合金作为可生物降解植入物的新材料。

稀土元素Gd的加入可以在合金腐蚀过程中生成一层致密的MgH₂层，减缓腐蚀速率；Gd还可以与Mg元素和Zn元素形成多种二元和三元中间相，中间相对合金的力学性能有很大影响。因此，本工作诣在改善镁合金生物医用合金的力学性能和耐腐蚀性能，因而选择在Mg-Zn系医用镁合金的基础上，添加元素Gd来得到MgZnGd合金，并对合金铸锭进行固溶和时效处理来得到合适的中间相，以期望使其性能达到生物医用镁合金的标准。

1 实验材料及方法

1.1材料

本实验熔炼的镁合金所采用的原料有高纯镁(99.99wt.%),高纯锌粒(99.995wt.%),Mg-30wt.%Gd中间合金。实验设备采用新型SJ2井式电阻炉，熔炼过程中采用CO₂+SF₆(99:1)混合气体作为保护气, 在电阻炉中制备了名义成分为Mg-2.0Zn-0.8Gd的合金铸锭。熔炼完用电感耦合等离子体发射光谱仪进行成分分析，所得结果如表1所示。圆柱形铸锭的样品被用于铸态研究，随后对铸态试样在420℃、450℃、480℃下固溶12h，本实验时效工艺为：480℃×12h+200℃×8/16h。

表1 Mg-2.0Zn-0.8Gd合金理论成分与实际成分（wt.%）

1.2微观组织表征

取每个试样对应的金相试样，做好标记；用800目、1500目、2000目、3000目、5000目砂纸按顺序打磨；之后在P-2型金相磨抛机上分别使用2.5 μm和0.5 μm抛光膏抛光，之后用20%硝酸甲醇进行化学抛光，获得光亮镜面，光学显微镜下观察抛面干净平整，没有划痕，无抛光膏残留即可；再用4%硝酸酒精侵蚀20秒后清洗吹干备用。

采用RV-200B型X射线衍射仪测试不同热处理试样以及腐蚀产物的物相组成，热处理试样采用与金相试样尺寸一致的块状试样，并且同样需要磨光以及抛光，并且保证试样表面没有污染与杂质。腐蚀产物是腐蚀后直接进行测试。测试条件为：Cu靶，扫描速度为10 °/min，扫描范围在20-80 °之间。分析软件为Jade6.0X，使用Origin进行衍射图形绘制。

2 结果与讨论

2.1 显微组织分析

MgZnGd合金在部分不同热处理方式的金相照片如图1所示，(a)和(b)分别为铸态、420℃固溶12 h的金相。

可以看出，合金原始铸态组织为粗大的枝晶，第二相大多在晶界呈不连续的网状分布，少量点状第二相在基体内弥散分布，由图2(b)可看出第二相在晶界与晶内的出现是因为铸锭在凝固过程中出现了晶界偏析与枝晶偏析。随固溶温度升高，第二相逐渐减少，480℃固溶后，晶界处不连续网状分布的第二相大幅减少。时效8 h之后，由于时效温度低，原子扩散慢，枝晶内部的二次枝晶、三次枝晶时效后因为元素重新分布，第二相溶解并析出形成了一个个更加细小的亚晶界，更加细小的第二相沿着基体内部的亚晶界连续分布，时效16 h之后，亚晶合并为大的等轴晶，亚晶界处细小的第二相留在晶粒内部。

图1 MgZnGd合金不同热处理方式的金相照片

(a) 铸态；(b) 420℃固溶12 h

从铸态、固溶态、时效态MgZnGd合金的XRD图谱结果看出，铸态MgZnGd合金主要由α-Mg基体和Mg₄Zn₇、Mg₃Zn₃Gd₂金属间化合物组成；对铸态MgZnGd合金热处理后，两种金属间化合物的特征峰值消失，只剩α-Mg基体的特征峰，这是因为第二相比例大幅下降，难以被10 °/min的扫描速度检测。另外，较大的尺寸会削弱XRD的统计性，从而使α-Mg的一些峰消失。

由MgZnGd合金第二相的EDS能谱结果图可知，铸态与480℃固溶12 h处理中析出第二相颗粒的尺寸较大且不均匀，铸态中的第二相颗粒的尺寸大于5 μm，铸态与480℃固溶12 h中析出第二相颗粒Zn和Gd的原子比均接近2:1，常见的Mg-Zn-Gd三元二次相是X相(Mg₁₂ZnGd)、I相(Mg₃Zn₆Gd)和W相(Mg₃Zn₃Gd₂)，其中W相中的x(Zn)/x(Gd)比不一定是1.5，其比值存在波动，可在一定范围内升高，合金元素的含量与分布使W相的成分和晶胞参数产生偏移。因此铸态与480℃固溶12 h中析出第二相颗粒应为W相(Mg₃Zn₃Gd₂)，与XRD结果符合。而480℃固溶12 h+200℃时效8 h处理中时效析出的第二相颗粒尺寸均匀，Mg和Gd的原子比均接近3:1，Zn原子占比很少，说明出现480℃固溶12 h+200℃时效8 h中第二相颗粒为Mg₃Gd。

图2 MgZnGd合金（铸态）的EDS能谱结果

2.2 耐蚀性分析

随固溶温度增加，腐蚀速率大幅下降，耐蚀性能得到了改善。而对480℃固溶12 h的合金进行时效后，腐蚀速率先降低后增加。其中，时效8 h的合金腐蚀速率最慢，为0.83 mm/a，耐蚀性最佳，相比于420℃固溶的合金，腐蚀速率减慢约6倍。

3 结论

本文研究MgZnGd合金的显微组织、力学性能和耐蚀性能，通过热处理提升了合金的综合性能，并得到以下结论：

铸态MgZnGd合金显微组织为粗大的α-Mg枝晶+大量第二相，第二相主要为W相和Mg₄Zn₇相，呈不连续网状分布于晶界，少量在晶内呈弥散点状分布，固溶处理后，晶界处的网状第二相减少明显，时效处理后，第二相溶解并析出形成了亚晶界，显微组织由粗大的枝晶变为细小的亚晶。

参考文献：

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