针对生物医学应用而设计的热挤压Mg-Li-Y合金的力学性能与耐腐蚀性能研究

《Journal of Materials Research and Technology》：Investigation of the mechanical and corrosion performance of hot-extruded Mg-Li-Y alloys designed for biomedical applications

本研究系统分析了Mg-Li-Y合金系五种合金（LW22、LW24、LW42、LW44、LW81）经热 extrusion工艺后形成的非平衡显微结构及其对力学性能与耐腐蚀性的影响。发现Li的添加显著抑制了Mg-Y次生相的形核，并通过晶界钉扎效应细化动态再结晶晶粒，其中LW44合金因Y固溶体浓度最高（1.2 wt.%）和最细小平均晶粒尺寸（2.6 μm）而表现出优异的综合性能，抗拉强度达234 MPa，均匀延伸率19%，腐蚀速率最低（0.89 mm/year）。而双相组织LW81因α/β相界腐蚀耦合效应，尽管延伸率达28%，但耐蚀性最差（2.45 mm/year）。对比ECAP处理发现，非平衡态Y分布（如LW44）可通过简化后续加工步骤实现性能优化。

　　镁合金因其生物相容性和可降解性，被视为生物医学应用中极具前景的材料，特别是在可降解植入物领域。这种材料能够在体内逐渐降解，同时将负荷转移给愈合组织，最终被完全吸收，从而避免了二次手术的需要。然而，镁合金在生理环境中的高腐蚀速率和机械性能不足限制了其广泛应用。因此，本研究旨在探讨锂（Li）和钇（Y）合金化对热挤压镁合金机械性能和耐腐蚀性的影响，特别是在生物医学应用中的适用性。

本研究选取了五种来自Mg-Li-Y体系的镁合金，分别是单相六方晶系（hcp）基体的Mg-2Li-2Y（LW22）、Mg-2Li-4Y（LW24）、Mg-4Li-2Y（LW42）、Mg-4Li-4Y（LW44）以及双相基体的Mg-8Li-1Y（LW81）。这些合金通过热挤压工艺制备，并在挤压后迅速冷却，形成了非平衡的微观结构。研究重点在于这些合金在挤压后的非平衡状态对其机械性能和耐腐蚀性的影响，尤其是在不同Li和Y含量组合下，合金的微观结构如何变化，并进一步影响其性能表现。

通过扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）和X射线衍射（XRD）等多种技术手段，研究者对这些合金的微观结构进行了详细分析。结果显示，Y的非平衡溶解和分布显著影响了合金的性能。例如，在LW44合金中，由于Li的添加促进了Y的非平衡溶解，导致其形成较为精细的再结晶结构，并且在晶界和晶界三联点处出现了大量的Mg??Y?和MgY第二相颗粒。这些第二相颗粒的存在不仅有助于提升合金的强度，还可能通过微观电偶腐蚀效应改善其耐腐蚀性。

此外，不同合金的晶粒结构差异也显著影响了其机械性能。例如，LW44合金的晶粒尺寸明显小于其他合金，这可能是由于其丰富的Mg??Y?颗粒抑制了晶粒生长。晶粒细化通常被认为是一种提升镁合金强度和耐腐蚀性的有效手段，因为晶界数量的增加有助于形成更稳定的保护层，从而延缓腐蚀过程。然而，LW44合金的晶粒细化效果在热挤压过程中已经实现，因此其机械性能和耐腐蚀性在无需进一步的严重塑性变形处理（如等通道角挤压ECAP）的情况下仍表现出色。

在机械性能方面，LW44合金在拉伸和压缩测试中均表现出最优的强度和延展性。这表明Li和Y的协同作用不仅提升了合金的强度，还改善了其延展性，使其在承受人体负荷时更具韧性。相比之下，LW22和LW81合金虽然表现出较高的延展性，但其强度较低，这可能与它们的微观结构有关。LW22合金的晶粒结构较为均匀，且其晶界分布有利于基底滑移系统的激活，从而影响其塑性变形行为。而LW81合金的双相结构（α相和β相）则使其具有更高的延展性，但同时也导致了较低的强度，因为β相的滑移系统更容易被激活。

在耐腐蚀性方面，LW44合金表现出最低的腐蚀速率，这可能与其精细的晶粒结构和Y的非平衡溶解有关。腐蚀速率的降低通常与晶粒细化和更均匀的合金成分分布相关。然而，LW81合金由于其双相结构，腐蚀速率显著升高，这可能与α相和β相之间的电位差异有关，从而形成腐蚀偶，加速了材料的腐蚀过程。尽管LW44合金在初步腐蚀测试中表现优异，但其实际应用中仍需进一步研究其长期耐腐蚀性。

本研究还与先前的ECAP处理材料进行了对比。结果表明，热挤压工艺在不依赖复杂的热机械处理的情况下，能够实现非平衡的Y分布和晶粒细化，从而提升合金的综合性能。对于某些合金（如LW44），其热挤压后的非平衡状态足以提供优异的强度和延展性，而无需进一步的ECAP处理。然而，对于其他合金（如LW81），ECAP处理虽然提高了晶粒细化程度，但未能显著提升其强度，反而可能因为Y的溶解而降低其耐腐蚀性。

综上所述，本研究揭示了Li和Y合金化在热挤压镁合金中的重要作用。通过调控合金成分和微观结构，可以显著改善镁合金的机械性能和耐腐蚀性，使其更适用于生物医学领域。特别是LW44合金，在机械性能和耐腐蚀性方面表现出色，这表明其在可降解植入物中的应用潜力。然而，对于双相结构的LW81合金，虽然其延展性良好，但其强度和耐腐蚀性仍需进一步优化。因此，未来的研究应着重于探索不同合金成分和加工工艺对镁合金性能的综合影响，以期开发出更符合生物医学应用需求的新型镁合金材料。