CN108913969B - 一种具有均匀可控降解性能的医用镁合金及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有均匀可控降解性能的医用镁合金及其制备方法,该镁合金由ZK30基体和均匀分布在ZK30晶粒内部的长周期堆垛有序结构组成。其制备步骤:在保护气氛下,将Gd粉末和ZK30粉末球磨得到均匀分散的混合粉末,随后通过激光选区熔化制备具有LPSO结构的镁合金。本发明采用的激光选区熔化工艺能够通过快速熔化和快速凝固,一方面大幅细化基体晶粒和LPSO结构,另一方面增大溶质元素固溶度,避免金属间化合物的析出;所形成的LPSO结构呈平行层片状,均匀分布在基体晶粒内部,而在不同晶粒之间其方向又有所差异,因此能够有效阻碍降解过程向邻近晶粒的扩展;同时LPSO结构作为一种不稳定第二相,会优先降解并形成致密的降解产物,进一步对镁基体起到保护作用。

Description

一种具有均匀可控降解性能的医用镁合金及其制备方法
技术领域
本发明属于医用合金制备技术领域,特别涉及一种具有均匀可控降解性能的医用镁合金及其制备方法。
背景技术
镁合金由于其特有的生物降解性、优良的生物相容性和合适的机械性能而被广泛用作骨植入材料。镁合金的弹性模量(40~45GPa)与人体自然骨(10~40GPa)相近,可有效降低应力屏蔽效应。此外,降解释放的镁离子是人体内的重要阳离子,除了参与多种新陈代谢外,还与骨组织的钙化过程直接相关,是骨代谢的关键因素。然而,镁合金过快的降解速率和不均匀的降解模式导致其过早失去机械完整性,限制了限制其作为植入物在临床中的应用。因此,如何提高镁合金的降解抗力并转变其降解模式,成为国内外研究的重点。
众所周知,镁合金大都为多相合金,而且第二相基本沿晶界分布,在体液环境下镁基体会和第二相形成微电偶腐蚀,以非均匀模式加速镁合金降解。因此第二相的组成、数量和分布等对镁合金的降解行为起着决定性作用。长周期堆垛有序(LPSO)结构是一种分布于晶粒内部的不稳定第二相,它在体液环境下可以优先降解形成产物膜,从而对基体起到保护作用;而且它们在晶粒内部呈平行的层片状分布,这种方向性分布可以抑制降解过程在邻近晶粒之间的扩展。因此,如能制备出这种在晶粒内部均匀分布的LPSO结构,有望同步实现镁合金降解抗力的提高和均匀降解模式的形成。
目前,相关研究主要采用铸造方法,所制备的LPSO结构镁合金中,LPSO结构靠近晶粒边缘,尺寸粗大且分布不均,而且有金属间化合物析出,因此对降解行为的改善有限。相比而言,激光选区熔化(SLM)技术具有快速熔化和快速凝固的特点,已被证实能够大幅细化基体组织和提高溶质元素固溶度,若能将其应用于LPSO结构镁合金的制备中,将有望形成更加细小的LPSO结构和基体组织,进而促进LPSO结构在晶粒内部的均匀分布,同时避免金属间化合物的析出。
发明内容
为了克服上述现有技术中的镁合金降解速率过快和降解不均匀等缺点,本发明的目的在于提供一种具有均匀可控降解性能的医用镁合金及其制备方法,通过SLM技术合金化稀土元素Gd到ZK30镁合金中,一方面形成细小LPSO结构且均匀分布在合金晶粒内部,另一方面抑制金属间化合物的析出,从而提高镁合金的降解抗力。
为了实现上述目的,本发明采用的技术方案是:
一种具有均匀可控降解性能的医用镁合金,由Mg-3Zn-0.5Zr(ZK30)基体和均匀分布在ZK30晶粒内部的长周期堆垛有序(LPSO)结构组成。
优选地,所述长周期堆垛有序(LPSO)结构为在一定的ZK30和Gd成分的条件下,基体中Gd和Zn接近一定原子比的无序固溶体可以发生有序化过程,即溶质原子会从统计随机分布状态过渡到规则排列状态,形成长周期有序(LPSO)结构相Mg12ZnGd。
优选地,所述长周期堆垛有序(LPSO)结构呈平行层片状,均匀分布在基体晶粒内部。
优选地,所述长周期堆垛有序(LPSO)结构在不同晶粒之间的方向不同,以阻碍降解过程向邻近晶粒的扩展。
该医用镁合金的制备方法,通过SLM技术合金化稀土元素Gd到ZK30镁合金中,一方面形成细小LPSO结构且均匀分布在合金晶粒内部,另一方面抑制金属间化合物的析出,从而提高镁合金的降解抗力。具体步骤如下:
(1)将Gd粉末和ZK30粉末混合置于球磨机中,在保护气氛下球磨得到混合均匀的混合粉末;
(2)以上述混合粉末为原料,通过SLM制备含LPSO结构的医用镁合金。
优选地,所述步骤(1)中,Gd质量分数6-10wt%,优选为8-10wt%,进一步优选为10wt%。
优选地,所述步骤(1)中,球磨机转速250-600转/分钟、球磨时间3-6小时,更优选为球磨机转速300-500转/分钟、球磨时间3-5小时,进一步优选为球磨机转速400转/分钟、球磨时间4小时;
优选地,所述步骤(2)制备过程中,控制激光功率60-100W、扫描速率100-500mm/min、光斑直径50-100μm、扫描间距0.08-0.20mm、铺粉厚度0.1-0.2mm,更优选为激光功率70-90W、扫描速率200-400mm/min、光斑直径60-90μm、扫描间距0.10-0.15mm,进一步优选为激光功率80W、扫描速率300mm/min、光斑直径80μm、扫描间距0.10mm。
优选地,所述Gd粉末的粒径为5~10μm。
优选地,所述ZK30粉末的粒径为40~60μm。
本发明的原理与优势:
本发明首次尝试采用SLM技术合金化Gd到ZK30镁合金中,制备得到一种含LPSO结构的医用镁合金。一方面所形成LPSO结构细小且呈平行层片状均匀分布在合金晶粒内部,而在不同晶粒之间其方向又有所差异,因此能够有效阻碍降解过程向邻近晶粒的扩展;另一方面LPSO结构是一种不稳定第二相,会优先降解并形成致密的降解产物,从而进一步对镁基体起到保护作用,提高镁合金的降解抗力。
本发明中SLM具有快速熔化和凝固的特点,制备得到的整体材料中,形成细小的晶粒和细小的LPSO相,LPSO呈均匀弥散分布,从而提高其降解抗力,同时快速凝固能够增加溶质元素在合金基体中固溶度,避免金属间化合物第二相的析出,减少由此引发的电偶腐蚀和点蚀,从而进一步提高镁合金的降解抗力并促进其向均匀降解模式转变。
在本发明中,稀土元素Gd粉末和镁合金粉末通过球磨混合,通过对球磨工艺和参数的优化选择,避免了稀土元素Gd粉末的团聚并促进其分散。而当球磨工艺和参数不在本发明选取的范围内时,发生比较严重的稀土元素Gd团聚现象,制备的合金中LPSO结构分布不均匀,恶化了合金的降解性能。
Gd元素是镁合金中形成LPSO结构的重要元素且具有细化晶粒的作用,通过控制Gd的含量,使得高、中、低Gd含量下的合金中均包含LPSO结构,同时通过改变Gd的含量调控合金中LPSO结构的含量和分布,达到均匀分布的效果,从而赋予镁合金良好的降解抗力和均匀降解模式。
综上所述,本发明中SLM工艺、球磨工艺以及Gd元素含量等参数的选取并不是随意取值,而是经过发明人无数次验、付出创造性劳动的结晶,本发明通过对Gd元素含量控制、配合高速球磨以及特有SLM工艺参数的协同作用下,制备得到一种具有细小平行层片状且均匀分布的LPSO结构的医用镁合金,从而使合金表现出可控的降解行为和均匀的降解模式,有望广泛应用于生物医用领域。
附图说明
图1为合金中LPSO结构的形貌图。
图2为合金洗去降解产物后的形貌图。
具体实施方式
下面将结合附图和通过具体实施例对本发明作进一步的说明。
实施例1
称量9.0克ZK30粉末(粒径40-60μm)和1.0克稀土元素Gd粉末(粒径5-10μm),将两者置于球磨机中,在保护气氛下球磨得到混合均匀的混合粉末,球磨机转速为400转/分钟,球磨时间4小时。以上述混合粉末为原料,通过SLM制备含LPSO结构的医用镁合金;制备过程中,控制激光功率80W、扫描速度300mm/min、光斑直径80μm。
测试发现,所制备合金中形成细小的晶粒和细小的LPSO相,LPSO在晶粒内部分布均匀弥散,同时避免金属间化合物第二相的析出(图1a)。电化学测试发现,相比于ZK30合金,含LPSO相的镁合金的腐蚀电流从ZK30的80.91μA/cm2降低为26.73μA/cm2;此外,去除降解产物之后的降解形貌表明含LPSO结构的镁合金的降解模式为均匀降解(图2a)。
实施例2
称量9.0克ZK30粉末(粒径40-60μm)和1.0克稀土元素Gd粉末(粒径5-10μm),将两者置于球磨机中,在保护气氛下球磨得到混合均匀的混合粉末,球磨机转速为400转/分钟,球磨时间4小时。以上述混合粉末为原料,通过SLM制备含LPSO结构的医用镁合金;制备过程中,控制激光功率70W、扫描速度400mm/min、光斑直径60μm。
测试发现,所制备合金中形成LPSO相,LPSO在晶粒内部分布均匀弥散,同时避免金属间化合物第二相的析出。电化学测试发现,相比于ZK30合金,含LPSO相的镁合金的腐蚀电流从ZK30的80.91μA/cm2降低为31.05μA/cm2;此外,所制备的镁合金的降解模式为均匀降解。
实施例3
称量9.4克ZK30粉末(粒径40-60μm)和0.6克稀土元素Gd粉末(粒径5-10μm),将两者置于球磨机中,在保护气氛下球磨得到混合均匀的混合粉末,球磨机转速为400转/分钟,球磨时间4小时。以上述混合粉末为原料,通过SLM制备含LPSO结构的医用镁合金;制备过程中,控制激光功率80W、扫描速度300mm/min、光斑直径80μm。
测试发现,所制备合金中形成LPSO相,LPSO在晶粒内部分布均匀弥散,同时避免金属间化合物第二相的析出。电化学测试发现,相比于ZK30合金,含LPSO相的镁合金的腐蚀电流从ZK30的80.91μA/cm2降低为40.65μA/cm2;此外,所制备的镁合金的降解模式为均匀降解。
实施例4
称量9.0克ZK30粉末(粒径40-60μm)和1.0克稀土元素Gd粉末(粒径5-10μm),将两者置于球磨机中,在保护气氛下球磨得到混合均匀的混合粉末,球磨机转速为250转/分钟,球磨时间3小时。以上述混合粉末为原料,通过SLM制备含LPSO结构的医用镁合金;制备过程中,控制激光功率80W、扫描速度300mm/min、光斑直径80μm。
测试发现,所制备合金中形成LPSO相,LPSO在晶粒内部分布均匀弥散,同时避免金属间化合物第二相的析出。电化学测试发现,相比于ZK30合金,含LPSO相的镁合金的腐蚀电流从ZK30的80.91μA/cm2降低为38.72μA/cm2;此外,所制备的镁合金的降解模式为均匀降解。
在本发明技术开发过程中,还尝试了以下方案,但所得产品的性能远远差于实施例。
对比例1
其他条件均与实施例1一致,不同之处在于:称量9.5克ZK30粉末和0.5克稀土元素Gd粉末。测试发现,所制备合金中未形成LPSO相,金属化合物相分布于晶界(图1b),合金的腐蚀电流从ZK30的80.91μA/cm2升高为138.72μA/cm2;此外,所制备的镁合金的降解模式为非均匀降解(图2b)。
对比例2
其他条件均与实施例1一致,不同之处在于:称量8.0克ZK30粉末和2.0克稀土元素Gd粉末。测试发现,所制备合金中形成LPSO相发生团聚长大,同时有金属化合物析出(图1c),合金的腐蚀电流从ZK30的80.91μA/cm2升高为118.72μA/cm2;此外,所制备的镁合金的降解模式为非均匀降解(图2c)。
对比例3
其他条件均与实施例1一致,不同之处在于:制备过程中,控制激光功率50W、扫描速度600mm/min、光斑直径40μm。测试发现,所制备合金的致密度较低,这是激光能量密度未能使ZK30粉末和稀土元素粉末完全熔化所致,合金的腐蚀电流从ZK30的80.91μA/cm2升高为338.72μA/cm2
对比例4
其他条件均与实施例1一致,不同之处在于:球磨机转速为150转/分钟,球磨时间2小时。测试发现,ZK30合金中形成的LPSO相分布不均匀。电化学测试发现,所制备合金的腐蚀电流从ZK30的80.91μA/cm2升高为198.72μA/cm2;此外,所制备的镁合金的降解模式为非均匀降解。
综上,本发明采用的激光选区熔化工艺能够通过快速熔化和快速凝固,一方面大幅细化基体晶粒和LPSO结构,另一方面增大溶质元素固溶度,避免金属间化合物的析出;所形成的LPSO结构呈平行层片状,均匀分布在基体晶粒内部,而在不同晶粒之间其方向又有所差异,因此能够有效阻碍降解过程向邻近晶粒的扩展;同时LPSO结构作为一种不稳定第二相,会优先降解并形成致密的降解产物,从而进一步对镁基体起到保护作用。

Claims (9)

1.一种具有均匀可控降解性能的医用镁合金,由ZK30基体和均匀分布在ZK30晶粒内部的长周期堆垛有序结构组成,其中ZK30指Mg-3Zn-0.5Zr,所述长周期堆垛有序结构是指:在一定的ZK30和Gd成分的条件下,基体中Gd和Zn接近一定原子比的无序固溶体能够发生有序化过程,即溶质原子会从统计随机分布状态过渡到规则排列状态,形成长周期有序结构相Mg12ZnGd,其特征在于,所述Gd通过SLM技术合金化到ZK30镁合金中,一方面形成细小长周期堆垛有序结构且均匀分布在合金晶粒内部,另一方面抑制金属间化合物的析出,其中,所述Gd通过SLM技术合金化到ZK30镁合金中的方法如下:
(1)将Gd粉末和ZK30粉末混合置于球磨机中,在保护气氛下球磨得到混合均匀的混合粉末,其中Gd含量为6-10wt%;
(2)以上述混合粉末为原料,通过SLM制备含LPSO结构的医用镁合金。
2.根据权利要求1所述具有均匀可控降解性能的医用镁合金,其特征在于,所述长周期堆垛有序结构呈平行层片状,均匀分布在基体晶粒内部。
3.根据权利要求1所述具有均匀可控降解性能的医用镁合金,其特征在于,所述长周期堆垛有序结构在不同晶粒之间的方向不同,以阻碍降解过程向邻近晶粒的扩展。
4.权利要求1所述具有均匀可控降解性能的医用镁合金的制备方法,其特征在于,包括如下步骤:
(1)将Gd粉末和ZK30粉末混合置于球磨机中,在保护气氛下球磨得到混合均匀的混合粉末;
(2)以上述混合粉末为原料,通过SLM制备含长周期堆垛有序结构的医用镁合金。
5.根据权利要求4所述具有均匀可控降解性能的医用镁合金的制备方法,其特征在于,所述步骤(1)中,Gd含量6-10wt%。
6.根据权利要求4或5所述具有均匀可控降解性能的医用镁合金的制备方法,其特征在于,所述步骤(1)中,球磨机转速250-600转/分钟、球磨时间3-6小时。
7.根据权利要求4或5所述具有均匀可控降解性能的医用镁合金的制备方法,其特征在于,所述步骤(2)制备过程中,控制激光功率60-100W、扫描速率100-500mm/min、光斑直径50-100μm、扫描间距0.08-0.20mm、铺粉厚度0.1-0.2mm。
8.根据权利要求4或5所述具有均匀可控降解性能的医用镁合金的制备方法,其特征在于,所述Gd粉末的粒径为5~10μm。
9.根据权利要求4或5所述具有均匀可控降解性能的医用镁合金的制备方法,其特征在于,所述ZK30粉末的粒径为40~60μm。
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