骨用Mg-4 Zn-xNd合金微觀組織與生物力學(xué)性能影響研究

臧志海 天津市東麗區(qū)東麗醫(yī)院骨科 （天津 300300）

內(nèi)容提要： 本文研究了Nd對骨用Mg-4 Zn合金微觀組織和生物力學(xué)性能的影響，研究結(jié)果表明：鑄態(tài)Mg-4Zn合金基體上分布著亮白的團(tuán)狀和條狀組織，尺寸在5～20μm之間，該組織為Mg元素和Zn元素的共晶組織；添加0.5Nd后，在合金的枝間和晶界凝固析出含Mg、Zn和Nd元素的條狀和團(tuán)狀共晶組織，隨著Nd含量增加，共晶組織的體積分?jǐn)?shù)明顯增加，并最終呈網(wǎng)狀分布；Mg-4Zn合金二次樹枝晶間距在10μm～100μm之間波動，當(dāng)Mg-4Zn合金添加0.5%Nd后，合金的二次枝晶間距有所降低，合金的強(qiáng)度和延伸率也有所提高，當(dāng)Nd添加量為1.0%時，二次枝晶間距降低至10～20μm，強(qiáng)度和延伸率達(dá)到最高值。

金屬鎂生物相容性好，彈性模量與人骨相近，并具有可降解的優(yōu)勢，成為醫(yī)用材料研究熱點(diǎn)。骨用鎂合金強(qiáng)韌性提高具有重要意義，因?yàn)樵谙嗤休d的條件下，提高鎂合金的強(qiáng)韌性可以提高鎂合金降解過程中的安全性，減輕大量鎂離子溶解對人體帶來的負(fù)擔(dān)。研究者在此方面進(jìn)行了大量研究，通過合金化不僅能夠提高骨用鎂合金的生物力學(xué)性能，同時耐腐蝕性能也會改善。有研究者將AZ31和WE43鎂合金的作為骨折內(nèi)骨定材料進(jìn)行植入研究，證明了鎂合金作為植入材料的可行性[1]；之后，針對這些牌號合金存在的問題，開發(fā)了新型醫(yī)用鎂合金材料，鄭玉峰課題組研發(fā)了Mg-Ca和Mg-Zn-Ca系列合金，發(fā)現(xiàn)該系合金具有良好的力學(xué)性能[2]；L. P . Xu等的研究結(jié)果證實(shí)Mg-Mn-Zn合金具有非常好的骨組織相容性和骨組織誘導(dǎo)生長特性[3]。另有研究發(fā)現(xiàn)：軋制態(tài)的Mg-Sr合金，在降解過程中，植入體周圍新骨的形成及礦化得到明顯促進(jìn)[4]。上海交通大學(xué)袁廣銀課題組研發(fā)了JDBM系列醫(yī)用鎂合金，具有優(yōu)異的綜合性能，目前已經(jīng)進(jìn)入臨床階段[5]。

在研究中，發(fā)現(xiàn)Mg-Zn系合金，具有優(yōu)異的綜合性能受到關(guān)注，大量研究認(rèn)為，當(dāng)Zn含量在1～8%范圍內(nèi)變化時，當(dāng)Zn增加至4%時，鑄態(tài)合金的強(qiáng)度和韌性顯著提高，且此時合金的耐蝕最佳[6]。因此本文以Mg-4Zn為基開發(fā)新型醫(yī)用鎂合金，研究Nd含量變化對骨用Mg-4Zn合金的微觀組織和力學(xué)性能影響規(guī)律，為新型醫(yī)用鎂合金的開發(fā)提供新的實(shí)踐和理論支撐。

1. 實(shí)驗(yàn)材料與方法

采用高純鎂錠（99.99%）、高純鋅錠（99.99%）和Mg-30Nd中間合金作為原料。在井式坩堝電阻爐中進(jìn)行Mg-4ZnxNd合金的熔配。熔煉是在混合氣體（CO299.5%+SF60.5%）保護(hù)下進(jìn)行。熔化后攪拌均勻，澆入金屬模具中，得到的鑄態(tài)試樣，其名義成分為Mg-4Zn-xNd（x=0.5，1.0，1.5）。

對于不同成分試樣，在相同部位取樣，打磨，拋光，0.5%硝酸酒精腐蝕，利用JSM-6300LV電子掃描電鏡觀察腐蝕后試樣表面形貌、利用掃描電鏡所佩戴的能譜儀（EDS）分析試樣微區(qū)成分。

從上述鑄錠上切取的標(biāo)距長20mm、寬6mm和厚2mm的片狀試樣。在INSTRON Series IX自動拉伸實(shí)驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，拉伸速度為1mm/min，溫度為20?C，結(jié)果取3個試樣的平均值。

2. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 微觀組織

圖1a)為Mg-4Zn合金的低倍微觀組織的SEM形貌，可以看出，合金的基體上存在著樹枝晶，樹枝晶間距較大，尺寸在10～100μm之間，平均二次樹枝晶間距為28μm。樹枝晶之間和晶粒邊界處，有大量的白亮狀產(chǎn)物存在，呈條狀和團(tuán)狀。晶界組織高倍形貌如圖1b)，通過能譜分析，可知這兩類組織含有大量的鎂元素和鋅元素。當(dāng)在合金中添加0.5%Nd后合金的微觀形貌如圖2a)所示，可以看出二次樹枝晶間距有所降低，白亮狀產(chǎn)量數(shù)量明顯增加，且產(chǎn)物的襯度也明顯提高，其形貌如圖2b)所示，經(jīng)過EDS分析可知，樹枝晶間凝固析出相含有有Mg/Zn/Nd三種元素。繼續(xù)增加Nd元素添加量至1.0%，其形貌如圖3所示，合金基體上的亮白色產(chǎn)物數(shù)量進(jìn)一步增加，二次樹枝晶間距顯著降低，經(jīng)定量金相分析可知二次枝晶間距平均值為15μm。對基體上亮白相進(jìn)行EDS分析，可知這些組織中含有Mg/Zn/Nd三種元素。當(dāng)Nd添加量增長至1.5%時，合金基體上亮白產(chǎn)物體積分?jǐn)?shù)有所增加，但合金的樹枝晶間距沒有進(jìn)一步降低。依據(jù)能譜分析及前人研究的結(jié)果認(rèn)為在枝晶間和晶界處發(fā)生了如下的反應(yīng)：L→α-Mg+Mg7Zn3。有研究者對Mg-Zn-Nd三元合金及其相圖進(jìn)行試驗(yàn)和計算研究，認(rèn)為在Nd元素、Zn元素含量時凝固而生成α-Mg+MgZn+T1三相。其中T1經(jīng)分析為Mg-Zn-Nd三元相[7]。在以上研究發(fā)現(xiàn)，Nd元素添加能夠顯著細(xì)化Mg-4Zn合金的二次枝晶間距，其機(jī)理分析如下：稀土Nd為活性原子，在凝固過程中，會富集在枝晶前沿，增大成分過冷，對二次枝晶間距起到降低的作用[8]。

圖1. Mg-4Zn合金微觀組織。a) Mg-4Zn的低倍掃描電鏡照片； b) 晶界處共晶組織形貌； c) 共晶組織能譜分析

圖2. Mg-4Zn-0.5Nd合金微觀組織。a) Mg-4Zn-0.5Nd的低倍掃描電鏡照片； b) 晶界處共晶組織形貌； c) Mg-4Zn-0.5Nd共晶組織能譜分析

2.2 力學(xué)性能

從表1中可以看出，隨著Nd質(zhì)量分?jǐn)?shù)的提高，合金抗拉強(qiáng)度逐步提高，當(dāng)Nd質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到1.0%時，強(qiáng)度達(dá)到最大值195.7M Pa。合金中添加0.5～1.0%Nd后，合金的延伸率有所增加，當(dāng)Nd含量增加到1.5%時，合金的延伸率有所降低。分析認(rèn)為，Nd質(zhì)量分?jǐn)?shù)由0.5%增加至1.0%時，合金的二次枝晶間距得到顯著降低，根據(jù)霍爾佩奇公式，合金的屈服強(qiáng)度將顯著增加，另外，二次枝晶間距降低也將對伸長率提高具有積極影響，因此當(dāng)Nd含量由0.5%增加至1.0%時，伸長率明顯提高。隨著Nd元素的添加，Mg-Zn-Nd三元共晶組織體積分?jǐn)?shù)明顯增加，當(dāng)Nd含量至1.5%時，割裂基體，伸長率降低。

表1. Mg-4Zn-xNd合金的拉伸性能

圖3. Mg-4Zn-1.0Nd合金微觀組織。a) Mg-4Zn-0.5Nd的低倍掃描電鏡照片； b) 晶界處共晶組織形貌； c) 共晶組織能譜分析

圖4. Mg-4Zn-1.5Nd合金微觀組織。a) Mg-4Zn-1.5Nd的低倍掃描電鏡照片； b) 晶界處共晶組織形貌； c) 共晶組織能譜分析

3. 結(jié)論

1）骨用Mg-4Zn合金由α-Mg和Mg-Zn共晶組織組成，添加Nd后，合金中出現(xiàn)Mg-Zn-Nd共晶組織，并隨Nd含量增加，體積分?jǐn)?shù)增加；

2）骨用Mg-4Zn合金基體上存粗大枝晶，添加Nd元素，合金的二次枝晶間距顯著降低，當(dāng)Nd元素增加到1.0%時，樹枝晶間距由28μm降低至15μm；

3）骨用Mg-4Zn合金添加Nd元素后，合金的抗拉強(qiáng)度，屈服強(qiáng)度明顯提高，當(dāng)Nd含量為1.0%時，達(dá)到195.7MPa，延伸率也達(dá)到最高點(diǎn)，6.8%。