Mg-xDy二元合金的微观组织、力学性能与腐蚀行为：提升性能的Dy含量优化

《Materials Today Communications》：Microstructure, mechanical properties, and corrosion behavior of Mg-xDy binary alloys: optimization of dysprosium content for enhanced performance

　　

研究人员系统考察了不同镝含量（1、3、5、7、9 wt.%）对纯镁微观组织演变、力学性能和腐蚀行为的影响。通过真空电弧熔炼和铜模冷却制备了Mg-xDy二元合金。微观组织分析显示，由于冷却速率的变化，所有样品均呈现出树枝状形貌。根据压缩试验结果，由于固溶强化、细晶强化和第二相强化，Mg-7Dy合金表现出最佳的力学响应，其压缩屈服强度（CYS）为112.1 MPa，极限压缩强度（UCS）为297.5 MPa。通过结合电化学分析和浸泡测试对腐蚀行为进行了综合评估。动电位极化（PDP）和电化学阻抗谱（EIS）结果表明，Mg-1Dy合金表现出最高的耐腐蚀性，其特征为低腐蚀电流密度（icorr）0.029 mA/cm²和高极化电阻479.68 Ω·cm²。保护性Dy₂O₃表面膜的形成抑制了腐蚀。然而，过量添加Dy导致Mg₂₄Dy₅形成增加，这是一种加速α-Mg基体腐蚀的阴极相。结合实验结果和现有文献的性能曲线，阐明了Dy含量（0?20 wt.%）与Mg-Dy合金力学和腐蚀性能之间的关系。本研究突出了Dy含量、微观组织和最终性能之间复杂的相互作用。

近年来，生物材料领域向生物可降解植入物（特别是骨科应用）发生了转变，旨在消除取出植入物的二次手术并使材料更好地与骨组织的自然愈合过程相整合。镁合金因其密度和弹性模量与自然皮质骨相近，能有效减少应力遮挡效应，且镁是人体生理必需元素，成为极具潜力的可降解植入物候选材料。然而，纯镁在生理环境中的快速降解及力学性能不足限制了其临床应用。合金化被证明是解决此问题的有效策略，其中重稀土元素镝因能提升镁合金综合性能并具备良好的生物相容性而备受关注。尽管目前对镁合金中稀土元素的作用已有一定研究，但现有文献大多聚焦于复杂的多组分合金系统或极端的Dy浓度（≤1 wt.%或≥10 wt.%），而对于中等Dy含量（1?10 wt.%）的Mg-Dy二元合金的研究存在明显空缺。为了系统阐明Dy在骨组织工程用镁基合金中的作用机理，研究人员开展了此项研究，以探索在力学强度、可控生物降解和生物相容性之间取得平衡的最佳Dy含量。该研究为下一代生物可降解植入物的发展提供了重要参考，论文发表在《Materials Today Communications》上。

研究采用的主要关键技术方法包括：使用真空电弧熔炼与铜模吸铸法制备不同Dy含量的Mg-xDy二元合金样本；通过配有能谱仪（EDS）的扫描电子显微镜（SEM）、光学显微镜（OM）和X射线衍射（XRD）进行微观组织与物相表征；依据ASTM E9-19标准进行室温压缩试验以评估力学性能；结合电化学测试（包括开路电位、电化学阻抗谱和动电位极化）以及在Hank's溶液中的浸泡实验和X射线光电子能谱（XPS）来全面分析合金的腐蚀行为。

微观组织
通过金相显微镜观察，纯镁和Mg-xDy合金均表现出多分支树枝状形貌和细长条状晶粒，这归因于铜模冷却期间的不均匀散热。添加Dy促进了晶间区域含Dy第二相的形成。随着Dy含量的增加，合金晶粒尺寸呈现减小后增大再减小的趋势，Mg-1Dy和Mg-7Dy合金展现出相对较小且均匀的晶粒结构。EDS元素映射显示Dy倾向于在晶界处偏聚，且由于冷却差异，枝晶区域存在成分偏析与第二相如Mg₂₄Dy₅的析出。

力学性能
压缩测试表明，添加Dy有效增强了纯镁的力学性能。CYS、UCS和总压缩应变（CS）在较低Dy浓度下增加，并在超过特定值后降低。Mg-7Dy合金表现出最高的CYS（112.1 MPa）和UCS（297.5 MPa），相较于纯镁分别提升了277.0%和38.3%。Mg-3Dy合金的塑性提升最大，CS较纯镁提升45.7%。抗拉强度的提升主要归因于固溶强化、细晶强化和第二相强化的共同作用，以及Dy原子对位错运动的阻碍。断口形貌显示纯镁呈典型脆性解理断裂，而Mg-3Dy和Mg-7Dy合金表现为以解理为主的韧脆混合断裂，撕裂棱和韧窝特征增加，证实了其强度的提升。

腐蚀行为
电化学测试和浸泡实验综合表明，不同合金的耐蚀性能存在显著差异。EIS结果中Mg-1Dy展现出最大的容抗弧和最高的极化电阻，PDP测试得出其具有最低的腐蚀电流密度（0.029 mA/cm²）。腐蚀速率遵循Mg-1Dy < Mg < Mg-3Dy < Mg-7Dy < Mg-9Dy < Mg-5Dy的顺序。尽管纯镁失重率略低于Mg-3Dy，但Mg-1Dy合金整体耐蚀性最优。SEM和截面EDS分析腐蚀层发现，Mg-1Dy合金表面形成了厚度仅为15.7 μm的均匀氧化膜，远薄于纯镁的31.7 μm。XPS分析进一步证实，表面生成了含Dy₂O₃的复合氧化膜，有效填充了Mg(OH)₂的孔隙，形成了致密的保护层，从而显著抑制了Cl^-等腐蚀介质的侵入。此外，表面还检测到羟基磷灰石的形成，这对骨植入物应用极为有利。

研究人员在讨论与结论部分总结指出，Dy对Mg-Dy合金性能的影响是一个多机制交织的复杂过程。在微观组织上，Dy具有细晶和净化熔体作用，但含量过高会导致枝晶偏聚并析出Mg₂₄Dy₅相。在力学性能上，适量Dy的添加通过晶格畸变和第二相阻碍位错运动，显著提升了强度，且能激活镁在室温下的非基面滑移改善塑性。在腐蚀行为上，耐蚀性的差异主要源于第二相分布与表面膜稳定性：低Dy含量时形成的微量第二相有效抑制了微电偶腐蚀，且Dy₂O₃与表面生成的磷酸钙屏障层共同增强了耐蚀性；而高Dy含量析出的Mg₂₄Dy₅作为阴极相，反而加速了α-Mg基体的微电偶腐蚀。综合文献数据分析发现，随着Dy含量的增加，合金力学和腐蚀性能呈现波动趋势，表现出力学强度与耐蚀性之间的此消彼长。其中，Mg-1Dy展现出最优耐蚀性，Mg-7Dy展现出最高强度。结论强调，生物可降解植入物对耐蚀性要求极高，低Dy含量的合金特别是Mg-1Dy，能够在力学与降解行为之间提供优异折中，被认为是更具优势的骨植入物候选材料。