一種耐腐蝕生物鎂基金屬玻璃復(fù)合材料及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種耐腐蝕生物鎂基金屬玻璃復(fù)合材料及其制備方法，該復(fù)合材料的合金成分原子百分比表達式為：Mga(Cu0.6Ag0.2Zn0.2)b(Gd0.7Y0.3)c，70≤a≤85，10.8≤b≤21.6，4.2≤c≤8.4，a+b+c=100。制備方法如下：首先在氬氣保護氣氛下采用非自耗電弧爐將高熔點組元熔煉均勻，制備成中間合金；然后將中間合金和Mg、Zn元素一起放入坩堝中，在氬氣保護下采用感應(yīng)熔煉成母合金；再將母合金放入石英玻璃管中，在氬氣保護下采用感應(yīng)熔煉重熔，并通過低壓銅模鑄造制成母合金型材；最后將母合金型材后放入預(yù)處理好的坩堝內(nèi)，在氬氣保護下，采用感應(yīng)熔煉加熱至完全熔融狀態(tài)并保溫10分鐘，隨后實施快速順序凝固，形成金屬玻璃復(fù)合材料。本發(fā)明制備的鎂基金屬玻璃復(fù)合材料最大尺寸可達16mm，具有優(yōu)異的耐腐蝕性和室溫塑性。
【專利說明】一種耐腐蝕生物鎂基金屬玻璃復(fù)合材料及其制備方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于金屬基復(fù)合材料【技術(shù)領(lǐng)域】，特別是一種耐腐蝕生物鎂基金屬玻璃復(fù)合 材料及其制備方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 鎂基金屬玻璃（Mg-BMG)是一種長程無序的新型合金，具有高強度、低彈性模量等 獨特的力學(xué)性能，以及優(yōu)異的耐腐蝕性能和良好的生物相容性，從而成為了生物可降解材 料的一個重要發(fā)展方向。然而，由于缺乏位錯、孿生等加工硬化機制，Mg-BMG以高度局域化 的剪切模式進行變形，其室溫塑性極差，拉伸應(yīng)力下直接脆性斷裂。這就嚴重制約了 Mg-BMG 作為生物可降解材料的臨床應(yīng)用，因此必須解決Mg-BMG的室溫脆性問題。
[0003] 為改善BMG材料的室溫脆性，2000年美國Johnson研究小組首次通過在Zr-BMG合 金系中添加 Nb合金化元素，制備出微米尺寸β-Zr(Ti)固溶體相增塑的BMG復(fù)合材料，獲 得了良好的室溫塑性。隨后，科技人員開發(fā)出了一種Mg-BMG復(fù)合材料，其斷裂前的室溫壓 縮應(yīng)變達到了 22% (專利號：CN101418423)。
[0004] 但上述Mg-BMG復(fù)合材料形成能力較低，臨界尺寸只有6mm，難以滿足實際應(yīng)用的 需要。因此，亟需開發(fā)一種同時具有強玻璃形成能力和韌性的Mg-BMG復(fù)合材料及其制備方 法。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于提供一種具有強玻璃形成能力和良好韌性的Mg-BMG復(fù)合材料 及其制備方法。
[0006] 實現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)解決方案為：一種耐腐蝕生物鎂基金屬玻璃復(fù)合材料，其 特征在于所述復(fù)合材料的合金成分原子百分比表達式為：Mg a(Cua6Aga2Zna2)b(Gd a7Υα3)。， 70 彡 a 彡 85,10. 8 彡 b 彡 21. 6,4· 2 彡 c 彡 8· 4, a+b+c =100。
[0007] -種耐腐蝕生物鎂基金屬玻璃復(fù)合材料制備方法，其特征在于采用快速順序凝固 法，具體包括以下制備步驟： 第一步：按照復(fù)合材料預(yù)定成分進行配比，其合金成分原子百分比表達式為： Mga(Cu0.6Ag0.2Zn 0.2)b (Gd0.7Y0.3) C，70<a<85，10.8〇3<21.6,4.2<c<8.4, a+b+c =100。 首先在氬氣保護氣氛下采用非自耗電弧爐將Cu、Ag、GcU Y等高熔點組元熔煉均勻，制備成 中間合金；然后將中間合金和Mg、Zn元素一起放入坩堝中，在氬氣保護下采用感應(yīng)熔煉成 母合金； 第二步：將母合金放入石英玻璃管中，在氬氣保護下采用感應(yīng)熔煉重熔，并通過低壓銅 模鑄造制成母合金型材； 第三步：將母合金型材后放入預(yù)處理好的坩堝內(nèi)，在氬氣保護下，采用感應(yīng)熔煉加熱至 完全熔融狀態(tài)并保溫10分鐘，隨后實施快速順序凝固，形成金屬玻璃復(fù)合材料。
[0008] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點在于：1、通過科學(xué)的成分設(shè)計和制備工藝， 可以獲得16mm的大尺寸Mg-BMG復(fù)合材料，并且復(fù)合材料中先析出鎂固溶體相的體積可在 30-80%范圍內(nèi)可任意調(diào)整；2、Mg-BMG復(fù)合材料組織均勻，力學(xué)性能優(yōu)異，還具有良好的耐 腐蝕性和生物相容性。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0009] 圖1是為耐腐蝕生物鎂基金屬玻璃復(fù)合材料的制備流程圖。
[0010] 圖2是耐腐蝕生物鎂基金屬玻璃復(fù)合材料宏觀樣品、顯微結(jié)構(gòu)及XRD衍射圖。
[0011] 圖3是耐腐蝕生物鎂基金屬玻璃復(fù)合材料的室溫壓縮曲線及模擬體液中的極化 曲線。

【具體實施方式】
[0012] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進一步詳細描述 結(jié)合圖1，本發(fā)明一種耐腐蝕生物鎂基金屬玻璃復(fù)合材料，其合金成分原子百分比表達 SS:Mga(Cu0.6Ag0.2Zn 0.2)b(Gd0.7Y0. 3)c，70<a<85，10.8<bi^2L6,4.2i^ci^8.4，a+b+c =100。
[0013] 本發(fā)明一種耐腐蝕生物鎂基金屬玻璃復(fù)合材料，其制備方法包括以下步驟： 第一步：選取純度大于99. 5%合金元素，按照預(yù)定成分進行配比首先在氬氣保護氣氛 下采用非自耗電弧爐將〇1^8、6(1、￥等高熔點組元熔煉均勻，制備成中間合金；然后將中間 合金和Mg、Zn元素一起放入坩堝中，在氬氣保護下采用感應(yīng)熔煉成母合金； 第二步：將母合金放入石英玻璃管中，在氬氣保護下采用感應(yīng)熔煉重熔，并通過低壓銅 模鑄造制成母合金型材； 第三步：將母合金型材后放入預(yù)處理好的坩堝內(nèi)，在氬氣保護下，采用感應(yīng)熔煉加熱至 完全熔融狀態(tài)并保溫10分鐘，隨后實施快速順序凝固，形成金屬玻璃復(fù)合材料。
[0014] 本發(fā)明的具體實施過程如下： (1)合金成分設(shè)計： 首先選擇具有良好玻璃基體形成能力的合金體系（Mg-Cu-Ag-Gd),并根據(jù)相選擇原理， 設(shè)計出可形成Mg固溶體相析出的Mg-BMG復(fù)合材料的具體合金成分，再添加適量的合金化 元素 Zn及Y，進一步提高合金的玻璃形成能力。
[0015] (2)母合金熔煉： 根據(jù)（1)所得到的合金成分，首先在氬氣保護氣氛下采用非自耗電弧爐將Cu、Ag、Gd、Y 等高熔點組元熔煉均勻，制備成中間合金；然后將中間合金和Mg、Zn元素一起放入坩堝中， 在氬氣保護下采用感應(yīng)熔煉成母合金；再將母合金放入石英玻璃管中，在氬氣保護下采用 感應(yīng)熔煉重熔，并通過低壓銅模鑄造制成母合金型材； (3)快速順序凝固 將母合金型材后放入預(yù)處理好的坩堝內(nèi)，在氬氣保護下，采用感應(yīng)熔煉加熱至完全熔 融狀態(tài)并保溫10分鐘，隨后以3mm/s的抽拉速率浸入冷卻能力極強的Ga-In-Sn液態(tài)合金 中，實現(xiàn)快速順序凝固，形成金屬玻璃復(fù)合材料。
[0016] (4)結(jié)構(gòu)和性能表征 利用XRD、0M等手段對Mg-BMG復(fù)合材料進行微觀結(jié)構(gòu)表征、力學(xué)性能及腐蝕性能表征， 以確定具有最佳綜合性能的復(fù)合材料微觀組織及其相應(yīng)的合金成分及制備工藝參數(shù)。
[0017] 下面結(jié)合具體實施例對本發(fā)明作進一步說明。
[0018] 實施例1 (1) 原材料的選用 本發(fā)明制備母合金錠選用的各金屬組兀的純度如表1，合金成分為Mg75(Cua6Aga2Zn a2) is.3 (GdaΛ. 3) 6.7 (原子百分比）。
[0019] 表1制備母合金錠選用金屬組兀的純度（%)

【權(quán)利要求】
1. 一種耐腐蝕生物鎂基金屬玻璃復(fù)合材料，其特征在于所述復(fù)合材料的合金成分 原子百分比表達式為^gJCuwAgwZndbteduYjyO彡a彡85，10.8彡b彡21.6， 4. 2 ^ c ^ 8. 4, a+b+c =100〇
2. -種耐腐蝕生物鎂基金屬玻璃復(fù)合材料制備方法，其特征在于采用快速順序凝固 法，具體包括以下制備步驟： 第一步：按照復(fù)合材料預(yù)定成分進行配比，其合金成分原子百分比表達式為： Mga (Cu〇 6Ag〇 2Zn〇 2) b (Gd〇 7Y〇 3) c,70^a^85,10. 8^b^21.6,4. 2^c^8. 4, a+b+c =100; 首先在氬氣保護氣氛下采用非自耗電弧爐將Cu、Ag、Gd、Y等高熔點組元熔煉均勻，制備成 中間合金；然后將中間合金和Mg、Zn元素一起放入坩堝中，在氬氣保護下采用感應(yīng)熔煉成 母合金； 第二步：將母合金放入石英玻璃管中，在氬氣保護下采用感應(yīng)熔煉重熔，并通過低壓銅 模鑄造制成母合金型材； 第三步：將母合金型材后放入預(yù)處理好的坩堝內(nèi)，在氬氣保護下，采用感應(yīng)熔煉加熱至 完全熔融狀態(tài)并保溫10分鐘，隨后實施快速順序凝固，形成鎂基金屬玻璃復(fù)合材料。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的耐腐蝕生物鎂基金屬玻璃復(fù)合材料制備方法，其特征在于： 第一步和第三步所采用的坩堝為石墨坩堝，其純度高于99. 9% ;第一步、第二步和第三步中 采用的氬氣純度高于99. 9%，壓強為0. 06MPa ;第三步中快速順序凝固工藝的抽拉速率控制 在 3-10mm/s。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1-3所述的耐腐蝕生物鎂基金屬玻璃復(fù)合材料，其特征在于：鎂基 金屬玻璃復(fù)合材料的最大尺寸達到16mm，先析出相為長周期Mg固溶體相，其體積分數(shù)在 30-80%范圍內(nèi)可任意調(diào)整，并且均勻分布在鎂基金屬玻璃基體上；所述鎂基金屬玻璃復(fù)合 材料的屈服強度大于700MPa，室溫壓縮塑性彡8%。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1-3所述的耐腐蝕生物鎂基金屬玻璃復(fù)合材料，其特征在于：鎂基金 屬玻璃復(fù)合材料在模擬體液中的電化學(xué)腐蝕電位EP > -1. 2V。
【文檔編號】C22C1/00GK104388841SQ201410543955
【公開日】2015年3月4日 申請日期:2014年10月15日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月15日
【發(fā)明者】成家林, 王章忠, 章曉波, 巴志新, 曾強強, 云露 申請人:南京工程學(xué)院