[發明專利]一種Zn-Mg雙相異構材料及其制備方法

有效

• 申請號: 202011113751.6
• 申請日: 2020-10-17
• 公開（公告）號: CN112501474B
• 公開（公告）日: 2021-11-12
• 發明（設計）人: 石章智;陳虹廷;孫疆;游明樂
• 申請（專利權）人: 北京科技大學
• 主分類號: C22C18/00
• 分類號: C22C18/00;C22C23/04;C22F1/06;C22F1/16;C21D1/26;A61L31/14;A61L31/02;A61L27/58;A61L27/04
• 代理公司: 北京市廣友專利事務所有限責任公司 11237
• 代理人: 張仲波

一種Zn?Mg雙相異構材料及其制備方法。材料由Zn相和Mg相組成，其中，Zn相是純鋅或鋅合金，體積分數為30％～99％，晶粒尺寸≤5μm，Mg相是純鎂或鎂合金，占有剩余的體積分數，晶粒尺寸≤10μm；Mg相間斷分布于Zn相中，Mg相的尺寸≤50μm，相鄰Mg相之間的間距≥50nm；小的Zn晶粒包圍大的Mg晶粒。與鋅合金相比，彈性模量明顯降低，對骨組織的應力屏蔽效應降低，有利于骨愈合。本發明材料分別從Zn相和Mg相中析出Zn²⁺與Mg²⁺離子，實現周圍骨組織中二者濃度的差異化，最大化二者的促成骨生物學效應，并且能夠在體內降解的過程中維持鎂相及鋅相表面的微粗糙程度，更適于成骨相關細胞的粘附與分化。該材料能有效避免了鎂合金在降解過程中短時間大量氫氣的釋放超過組織清除能力引發的局部腫脹。

技術領域

本發明屬于有色金屬制備與加工領域，具體涉及一種Zn-Mg雙相異構材料及其制備方法。

背景技術

隨著對可降解骨科植入物材料的需求日益凸顯，近年來以人體必需元素鎂、鋅及其合金為代表的醫用可生物降解金屬材料引起了人們的極大關注。鎂元素具有優異的促成骨性，能夠參與人體內多種酶的活化，降低神經系統興奮性，參與蛋白質合成等作用。現有鋅合金的相組織是Zn基體中分布著金屬間化合物(IM)第二相，簡稱為Zn-IM結構。具體到Zn-Mg合金，IM包括Mg₂Zn₁₁、MgZn₂等。隨著Mg含量提高，Zn-Mg合金的塑性降低，擠壓態Zn-1.6Mg合金的延伸率為6％，擠壓態Zn-3Mg合金的延伸率為1％，而擠壓態純鋅的延伸率大于50％。因此，現有Zn-Mg合金存在的問題之一是：增加Mg含量提高生物活性但是降低材料塑性。

純鋅的彈性模量為90GPa，用于制備骨植入器件時，因彈性模量比骨組織高，產生應力屏蔽效應，降低骨愈合效果。現有Zn-Mg合金主要形成的是Zn-Mg₂Zn₁₁雙相組織，其中Mg₂Zn₁₁的彈性模量大于80GPa。根據多相材料彈性模量的關系，Mg₂Zn₁₁的形成不能顯著降低Zn-Mg合金的彈性模量。因此，現有Zn-Mg合金存在的問題之二是：彈性模量高，應力屏蔽效應明顯。

發明內容

針對上述問題，本發明提出并制備了一種新型Zn-Mg雙相異構材料，其微觀組織具有以下特征：(1)由Zn相和Mg相組成，其中，Zn相是純鋅或鋅合金，體積分數為30％～99％，晶粒尺寸≤5μm，Mg相是純鎂或鎂合金，占有剩余的體積分數，晶粒尺寸≤10μm；(2)Mg相間斷分布于Zn相中，Mg相的尺寸≤50μm，相鄰Mg相之間的間距≥50nm；(3)小的Zn晶粒包圍大的Mg晶粒。所述材料的彈性模量最低可達純鋅的60％，腐蝕速率介于純鋅和純鎂之間，同時實現鎂相氫氣釋放的微分化，生物相容性和促成骨性明顯高于純鋅。所述材料采用“變溫大塑性變形+再結晶間隙退火”的新方法制備。

進一步地，所述的Zn-Mg雙相異構材料中的Mg相，除了含有Mg，還含有合金化元素M1，M1包括Zn、Ca、Sr、Mn、Sn、In、Ga、Ge、Bi、Co、Ag、Cu、Si、Zr、Li、Na、K、Fe、Ti、Al、Sc、Y、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu、Th中的至少一種，上述合金化元素M1含量均為0～10wt.％。

進一步地，所述的Zn-Mg雙相異構材料中的Zn相，除了含有Zn，還含有合金化元素M2，M2包括Mg、Ca、Sr、Mn、Sn、In、Ga、Ge、Bi、Co、Ag、Cu、Si、Zr、Li、Na、K、Fe、Ti、Al、Sc、Y、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu、Th、Au中的至少一種，上述合金化元素M2含量均為0～5wt.％。

如上所述Zn-Mg雙相異構材料的制備方法，“變溫大塑性變形+再結晶間隙退火”其對應的工藝流程為：疊合組坯→變溫大塑性變形→再結晶間隙退火。