AZ31镁合金表面微弧氧化处理及其耐蚀性能
目 录
1 引言 I
1.1 镁合金的概述 1
1.2 微弧氧化的概述 3
1.3 耐蚀性能的概述 4
1.4 本课题的研究意义及研究内容 4
2 实验材料及研究方法 5
2.1 实验材料 5
2.2 实验设备 6
2.3 微弧氧化膜层的制备 7
2.3 微弧氧化膜层的表征 7
3 实验结果与讨论 9
3.1 工艺参数对微弧氧化膜层表面形貌的影响 9
3.2 工艺参数对微弧氧化膜层厚度的影响 10
3.3 微弧氧化膜层的耐蚀性 14
结 论 20
致 谢 21
参 考 文 献 22
1 引言
1．1 镁合金的概述
1.1.1 镁合金的介绍
镁元素在海水中很丰富浓度很高，是地球上排第八位最丰富的元素。并且镁元素也是人体必需的第五大营养元素，在人的正常生理机能中承担催化激活机体325种酶的重要作用，几乎参与了人体内所有新陈代谢过程。镁元素对肌肉收缩、神经运动机能、生理机能及预防循环系统疾病和缺血性心脏病均具有重要作用。因此镁合金在人体内的降解产生的镁离子不会对人体产生不良后果，并且镁主要通过泌尿系统排泄出体外，它在人体中的降解不会明显提高血清中的镁含量。
当前，可降解生物医用材料成为生物材料研究邻域的前沿课题。与传统的惰性金属植入材料如不锈钢、钛合金、铬钴合金等相比，可降解生物医用材料可以在病人身体痊愈后完全降解，无需二次手术取出植入物，能克服医用高分子材料的强度、刚性、稳定性等较低的缺陷。到目前为止，镁是生物力学性能与人体自然骨骼最为相 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: *351916072*
似的金属材料。此外，镁合金的密度在1.74～2.0 g/cm3 范围，这与人体自然骨骼密度最为接近，再者镁合金的其他物理机械性能与人体骨骼也最为接近，因此镁合金是理想的医用植入生物材料[1-2]。镁及镁合金有着较好的生物相容性和力学相容性，有望作为可降解金属植入材料得到广泛的应用。镁合金具有比强度高、密度低、减震性好、强电磁屏蔽性、尺寸稳定和易于回收利用等优点，被誉为21世纪最具有发展潜力的绿色工程材料。镁合金的标准电极电位是结构材料中最负的，加上其自身的氧化膜疏松多孔而无自保护功能 耐蚀性较差，是限制其发挥潜力的关键，因此必须对其进行适当的表面改性处理后以提高其性能，然后才能使用。在人体中，镁合金能够以缓慢腐蚀的方式被完全降解吸收，这使得镁合金极具良好的医用前景。但是镁合金的腐蚀方式一般不是均匀腐蚀而是点腐蚀，这使得镁合金的降解行为不可控，往往会导致植入件还没到达服役寿命就报废，并且镁合金的过快腐蚀也会导致析氢速度过快，植入件周围PH值快速升高，这可能会对身体造成危害。这些都会对镁合金在生物医学上的应用造成不良影响。
镁是地球表层最为丰富的金属资源，来源广泛，价格比较便宜。用镁合金作为金属植入材料，相比钛合金而言，可用较低廉的价格达到同等的性能。而相比医用不锈钢，又能拥有医用不锈钢不可达到的性能。由此可见，镁合金以其低成本、高性能的优势在医用材料领域将有广泛应用前景[3]。
1.1.2 镁合金的表面改性
表面改性技术既能保持基材的力学性能，又可以提高材料耐蚀性能，同时也能赋予材料表面良好的生物活性，提高其生物相容性。医用镁合金表面改性技术主要有：化学转化法、激光处理、离子注入、气相沉积、微弧氧化等等 [4?5]。
（1）化学转化法
化学转化法是工业领域经常使用的镁合金表面防护处理方法。它包括磷化、铬化、稀土转化等，其中最具研发潜力的医用镁合金化学转化法是仿生钝化法，也被称做仿生法。是一类特殊的化学转化法，是在类似于人体生理环境的仿生溶液中模拟生物磷灰石的矿化过程，实现在材料表面自发沉积生物活性陶瓷HA[Ca10(PO4)6(OH)2] 的方法。
（2）激光处理
用激光处理材料的兴趣是基于其具有的高能密度和可以将能量用于指定的金属表面，在使用高能量的激光时，可以控制温度。目前见于报导的镁合金激光处理主要有激光表面热处理和激光表面合金化。
（3）离子注入
离子注入材料表面改性是指在材料表面预定深度注入预定剂量的离子，材料表层的化学成分、相结构和组织发生显著变化，从而改善材料的性能。有研究人员通过扫描电镜观察腐蚀形貌和交流阻抗法进行了一些机理探讨，发现离子注入的改性层可以抑制丝状腐蚀和点蚀的产生。离子注入技术又有新的发展，可以与各种扩渗、沉积技术结合，变成新的复合表面处理工艺，如离子束辅助沉积、等离子体浸没离子注入等。
（4）镁合金物理气相沉积（PVD）合金化
PVD方法的优点是其原理为用不同的源将镁和合金元素分别气化，然后让两种蒸气混合，形成不同混合气压比的PVD合金，其优点冷却速度可以超过1016 Ks-1，气相固化快，与铁合金化的合金元素种类可增多，形成合金的熔点可高于镁的沸点。
（5）镁合金等离子微弧氧化
微弧氧化是一种直接在金属表面原位生长出陶瓷层的新技术，该技术是在阳极氧化基础上发展而来，所以微弧氧化技术也被认为是“发展中的阳极氧化”。两种技术在工艺上、机理上以及膜层性能上都有差异。与传统的阳极氧化法相比，微弧氧化陶瓷涂层与基体结合牢固，结构致密，具有良好的耐蚀性、耐磨性、电绝缘性耐和耐高温冲击等特点，有望得到广泛应用。
1．2 微弧氧化技术概述
微弧氧化是将Al、Mg、Ti 等阀金属或者其合金置于电解质水溶液中，利用电化学方法，在该材料的表面微孔中产生火花放电斑点，在热化学、等离子体化学和电化学的共同作用下，生成陶瓷膜层的方法。虽然微弧氧化处理是从普通阳极氧化基础上发展而来的，但其工艺流程比普通阳极氧化简单，具有不污染环境的优点，并最重要的是所获得的膜层性能优于阳极氧化。第一，微弧氧化技术克服了阳极氧化的缺陷，将高电压大电流引入阳极氧化过程中，让非晶结构的氧化膜可以转化为晶体结构的陶瓷层，从而陶瓷膜层的综合性能提高了，如耐磨性、耐蚀性、厚度、绝缘性和抗氧化能力等性能。微弧氧化处理时，电解液体系、添加剂、氧化时间和电解液温度等工艺参数对镁合金陶瓷膜层组织和性能产生影响。近年来，国内外研究学者对不同电参数下医用镁合金微弧氧化膜层微观结构和性能的影响方面进行了较为深入的研究，并取得一定的收获[9?14]。
对材料进行微弧氧化处理，这是因为该技术的突出优势：（1）能够大幅度地提高材料的表面硬度 ， 显微硬度 在1000至2000 HV，最高可达3000 HV，可与硬质合金相媲美，超过热处理后的高碳钢 、高合金钢和高速工具钢的硬度；（2）具有良好的耐磨损性能；（3）工艺稳定可靠，设备简单；（4）具有良好的绝缘性能，绝缘电阻 可达100 MΩ；（5）溶液为环保型，符合环保排放要求；（6）良好的耐热性及抗腐蚀性，克服了铝、镁、钛合金 材料在应用中的缺点。（7）反应在常温下进行，操作方便，易于掌握；（8）基体原位生长陶瓷膜 ，结合牢固，陶瓷膜致密均匀。由于微弧氧化技术 具有上述优点和特点，因此在机械、汽车、国防、电子、航天航空和建筑民用等工业领域有着极其广泛的应用前景。
1 引言 I
1.1 镁合金的概述 1
1.2 微弧氧化的概述 3
1.3 耐蚀性能的概述 4
1.4 本课题的研究意义及研究内容 4
2 实验材料及研究方法 5
2.1 实验材料 5
2.2 实验设备 6
2.3 微弧氧化膜层的制备 7
2.3 微弧氧化膜层的表征 7
3 实验结果与讨论 9
3.1 工艺参数对微弧氧化膜层表面形貌的影响 9
3.2 工艺参数对微弧氧化膜层厚度的影响 10
3.3 微弧氧化膜层的耐蚀性 14
结 论 20
致 谢 21
参 考 文 献 22
1 引言
1．1 镁合金的概述
1.1.1 镁合金的介绍
镁元素在海水中很丰富浓度很高，是地球上排第八位最丰富的元素。并且镁元素也是人体必需的第五大营养元素，在人的正常生理机能中承担催化激活机体325种酶的重要作用，几乎参与了人体内所有新陈代谢过程。镁元素对肌肉收缩、神经运动机能、生理机能及预防循环系统疾病和缺血性心脏病均具有重要作用。因此镁合金在人体内的降解产生的镁离子不会对人体产生不良后果，并且镁主要通过泌尿系统排泄出体外，它在人体中的降解不会明显提高血清中的镁含量。
当前，可降解生物医用材料成为生物材料研究邻域的前沿课题。与传统的惰性金属植入材料如不锈钢、钛合金、铬钴合金等相比，可降解生物医用材料可以在病人身体痊愈后完全降解，无需二次手术取出植入物，能克服医用高分子材料的强度、刚性、稳定性等较低的缺陷。到目前为止，镁是生物力学性能与人体自然骨骼最为相 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: *351916072*
似的金属材料。此外，镁合金的密度在1.74～2.0 g/cm3 范围，这与人体自然骨骼密度最为接近，再者镁合金的其他物理机械性能与人体骨骼也最为接近，因此镁合金是理想的医用植入生物材料[1-2]。镁及镁合金有着较好的生物相容性和力学相容性，有望作为可降解金属植入材料得到广泛的应用。镁合金具有比强度高、密度低、减震性好、强电磁屏蔽性、尺寸稳定和易于回收利用等优点，被誉为21世纪最具有发展潜力的绿色工程材料。镁合金的标准电极电位是结构材料中最负的，加上其自身的氧化膜疏松多孔而无自保护功能 耐蚀性较差，是限制其发挥潜力的关键，因此必须对其进行适当的表面改性处理后以提高其性能，然后才能使用。在人体中，镁合金能够以缓慢腐蚀的方式被完全降解吸收，这使得镁合金极具良好的医用前景。但是镁合金的腐蚀方式一般不是均匀腐蚀而是点腐蚀，这使得镁合金的降解行为不可控，往往会导致植入件还没到达服役寿命就报废，并且镁合金的过快腐蚀也会导致析氢速度过快，植入件周围PH值快速升高，这可能会对身体造成危害。这些都会对镁合金在生物医学上的应用造成不良影响。
镁是地球表层最为丰富的金属资源，来源广泛，价格比较便宜。用镁合金作为金属植入材料，相比钛合金而言，可用较低廉的价格达到同等的性能。而相比医用不锈钢，又能拥有医用不锈钢不可达到的性能。由此可见，镁合金以其低成本、高性能的优势在医用材料领域将有广泛应用前景[3]。
1.1.2 镁合金的表面改性
表面改性技术既能保持基材的力学性能，又可以提高材料耐蚀性能，同时也能赋予材料表面良好的生物活性，提高其生物相容性。医用镁合金表面改性技术主要有：化学转化法、激光处理、离子注入、气相沉积、微弧氧化等等 [4?5]。
（1）化学转化法
化学转化法是工业领域经常使用的镁合金表面防护处理方法。它包括磷化、铬化、稀土转化等，其中最具研发潜力的医用镁合金化学转化法是仿生钝化法，也被称做仿生法。是一类特殊的化学转化法，是在类似于人体生理环境的仿生溶液中模拟生物磷灰石的矿化过程，实现在材料表面自发沉积生物活性陶瓷HA[Ca10(PO4)6(OH)2] 的方法。
（2）激光处理
用激光处理材料的兴趣是基于其具有的高能密度和可以将能量用于指定的金属表面，在使用高能量的激光时，可以控制温度。目前见于报导的镁合金激光处理主要有激光表面热处理和激光表面合金化。
（3）离子注入
离子注入材料表面改性是指在材料表面预定深度注入预定剂量的离子，材料表层的化学成分、相结构和组织发生显著变化，从而改善材料的性能。有研究人员通过扫描电镜观察腐蚀形貌和交流阻抗法进行了一些机理探讨，发现离子注入的改性层可以抑制丝状腐蚀和点蚀的产生。离子注入技术又有新的发展，可以与各种扩渗、沉积技术结合，变成新的复合表面处理工艺，如离子束辅助沉积、等离子体浸没离子注入等。
（4）镁合金物理气相沉积（PVD）合金化
PVD方法的优点是其原理为用不同的源将镁和合金元素分别气化，然后让两种蒸气混合，形成不同混合气压比的PVD合金，其优点冷却速度可以超过1016 Ks-1，气相固化快，与铁合金化的合金元素种类可增多，形成合金的熔点可高于镁的沸点。
（5）镁合金等离子微弧氧化
微弧氧化是一种直接在金属表面原位生长出陶瓷层的新技术，该技术是在阳极氧化基础上发展而来，所以微弧氧化技术也被认为是“发展中的阳极氧化”。两种技术在工艺上、机理上以及膜层性能上都有差异。与传统的阳极氧化法相比，微弧氧化陶瓷涂层与基体结合牢固，结构致密，具有良好的耐蚀性、耐磨性、电绝缘性耐和耐高温冲击等特点，有望得到广泛应用。
1．2 微弧氧化技术概述
微弧氧化是将Al、Mg、Ti 等阀金属或者其合金置于电解质水溶液中，利用电化学方法，在该材料的表面微孔中产生火花放电斑点，在热化学、等离子体化学和电化学的共同作用下，生成陶瓷膜层的方法。虽然微弧氧化处理是从普通阳极氧化基础上发展而来的，但其工艺流程比普通阳极氧化简单，具有不污染环境的优点，并最重要的是所获得的膜层性能优于阳极氧化。第一，微弧氧化技术克服了阳极氧化的缺陷，将高电压大电流引入阳极氧化过程中，让非晶结构的氧化膜可以转化为晶体结构的陶瓷层，从而陶瓷膜层的综合性能提高了，如耐磨性、耐蚀性、厚度、绝缘性和抗氧化能力等性能。微弧氧化处理时，电解液体系、添加剂、氧化时间和电解液温度等工艺参数对镁合金陶瓷膜层组织和性能产生影响。近年来，国内外研究学者对不同电参数下医用镁合金微弧氧化膜层微观结构和性能的影响方面进行了较为深入的研究，并取得一定的收获[9?14]。
对材料进行微弧氧化处理，这是因为该技术
版权保护: 本文由 hbsrm.com编辑，转载请保留链接: www.hbsrm.com/hxycl/jscl/416.html
