日前,针对医疗精密仪器等领域对于材料减震、吸能等方面的性能需求,中科院金属研究所(以下简称金属所)与美国加州大学伯克利分校、中国工程物理研究院开展合作,借鉴天然生物材料三维互穿微观结构的理念,将镁熔融浸渗至增材制造的镍钛合金骨架,构筑成轻质、高强、高阻尼、高吸能镁—镍钛仿生复合材料。相关研究成果近日发表于《科学进展》。金属所研究员刘增乾表示,科研团队对自然界“结构—性能关系”的理解,为设计综合性能优异的新材料提供了独到的思路。据悉,与人造材料相比,天然生物材料的宏观力学性能通常显著优于其基本结构单元的简单加和,本源在于其复杂、多尺度的自组装结构。除了高比强度、比刚度以及优异的导热与电磁屏蔽等性能,镁的阻尼性能显著优于大多数工程金属材料,甚至可比肩一些常用的高分子材料,但其强度与耐热性明显高于高分子材料,因此在减震、吸能、降噪等方面突显优势。“镁及其合金的强度、刚度、塑性和断裂韧性仍低于钢铁和铝合金,且抗高温蠕变能力差,制约了其广泛应用。”刘增乾说,科研团队利用微观三维互穿仿生结构研制出新型仿生复合材料,不仅实现了镍钛增强相与镁基体在性能优势上的互补与结合,而且赋予材料形状记忆与自修复功能。新型仿生复合材料通过多重机制分别提高强度和阻尼性能,突破了两者之间的相互制约关系,实现了镁合金的强度、阻尼和能量吸收效率等多种性能的良好结合,综合性能优于目前已知的工程材料,有望成为精密仪器、航空航天等领域需求的新型阻尼减震材料。

  添加微量的合金元素的铸态镁合金可以提高镁的强度,耐腐蚀性能也有所改善,但铸态镁合金晶粒粗大、第二相偏析以及存在较多组织缺陷等缺点,导致合金的强度较低、塑性较差,不耐腐蚀等,无法满足镁合金在生物医用材料领域的加工性能和使用性能,因此必须通过新技术来细化晶粒,改善合金第二相的形态和分布,调控医用镁合金的组织,提高力学性能和耐腐蚀性能,改变合金腐蚀方式,使医用镁合金呈现均匀降解,有效控制合金的降解速率,满足材料服役过程力学相容性和生物相容性。目前应用到生物医用镁合金制备和加工的新技术主要有塑性变形加工、特种加工(如大塑性变形)、亚快速凝固等。

生物医用镁合金的热塑性加工

镁合金虽然强度不高,但其冷加工塑韧性较差,对变形拉应力极其敏感、易产生脆性断裂,在制造业中,镁合金棒材主要采用热挤压,管材主要采用热挤压或将棒材通过机械加工(如钻孔或车削等)等方法获得。塑性变形加工对镁合金的组织结构、力学性能和耐腐蚀性能的影响很大,因此可以通过塑性变形加工过程控制或改善镁合金组织和性能。变形加工工艺主要是通过改变镁合金的微观结构来改变其腐蚀性能,如通过采用不同的挤压温度、挤压比、挤压速度可以获得不同组织性能的镁合金,尤其通过采用大挤压比(变形量80%以上)可以改善挤压棒材的晶粒度和各向异性。在热挤压过程中,当挤压比很大时,晶粒被拉长以至断裂成微小的颗粒,晶粒之间的相互摩擦加速了破碎过程,且弥散分布的第二相质点阻碍晶粒的长大,获得细小的晶粒。晶粒细化有利于提高镁合金的耐蚀性,使合金腐蚀机制由点腐蚀变为面腐蚀。热挤压态镁合金的晶粒细化效果主要取决于挤压温度及挤压比的变化,此外还受挤压速率的影响。但常规压力加工的方法由于应变量较小,晶粒细化能力有限,获得的晶粒组织不均匀,加工后偏析相往往沿晶界分布,破碎和均匀化程度不彻底;同时由于常规压力加工通常在高温下进行,再结晶晶粒容易长大,难以获得超细晶组织。也会在一定程度上导致合金在沿挤压方向和垂直于挤压方向上的组织不均匀性,而且在热挤压过程中发生的第二相重新析出从而在晶界等缺陷处聚集的现象也导致合金的腐蚀性能有所下降。

目前采用热挤压方式批量生产出的最小规格的镁合金管材外径在ϕ8mm左右,且管材内部粗大的热加工态显微组织和较低的力学性能远远不能满足介入医学领域用血管支架等高端产品的后续加工要求和使用性能要求。直径进一步减小,管壁很薄,镁合金细径薄壁管材(ϕ8~2mm)的生产更为困难。2007年西北有色院与重庆大学合作,针对AZ31、WE43等镁合金成功加工出最小规格为ϕ6mm×0.5mm的晶粒细小、综合性能优良的精密管材,采用挤压工艺或将棒材通过机械加工的方法来获得细径薄壁管材。但热挤压的镁合金管材有如下不足:挤压变形力较大,模具寿命较短,对毛坯的要求较高;管件容易翘曲;壁厚不均、摩擦力的不利影响等。挤压法只能生产较大尺寸的管材,而对于高性能、高精度、使用较小尺寸的血管支架专用生物医用镁合金细径薄壁管材的研制,其关键制备技术需要突破。

生物医用镁合金的加工技术

近年来,大塑性变形技术的发展为超细晶镁合金的制备提供了可能。镁合金在大塑性变形过程中,通过一次或多次累积反复的塑性变形,使其获得较大的累积真应变,在合金组织中产生大量的高密度位错,显著细化晶粒,获得亚微米级甚至纳米级的超细晶均匀组织,同时有效细化合金的第二相并使其趋于均匀分布,甚至改变第二相的种类,达到提高合金综合性能的效果。因此利用洁净化熔炼、热处理和特种加工技术,优化组织及各项理化性能,获得超细晶组织结构,提高医用镁合金的力学性能和耐腐蚀性能,提高均匀腐蚀能力,实现均匀可控降解,满足服役过程的力学和生物相容性。目前应用到医用镁合金加工中的大塑性变形技术主要有等通道转角挤压、高压扭转、往复挤压、累积叠轧、搅拌摩擦加工和亚快速凝固等。由于设备的限制,往复挤压、等通道转角挤压和搅拌摩擦加工可以用于制备较大尺寸的块体医用镁合金样品,而高压扭转和亚快速凝固时,加工试样的尺寸较小,在骨植入材料和较小尺寸的医疗器件上具有较大的应用前景。

稀土金属材料的5大高新创新技术

1. 铝,镁,钛,铜合金清洁生产与深加工技术

降低能耗和污染的清洁生产技术;熔体净化、高效熔炼、先进铸锻、半固态成形、连续近终成形、连续表面防腐/着色处理等高效生产技术和配套技术;高纯、高性能、环保的稀土合金材料与合金材料制备及加工技术;宽幅薄板、精密箔带、高强高导稀土合金、环保型合金制造技术,高性能预拉伸板带及焊丝、大型复杂截面、中空超薄壁型材、大型锻件、高精度管(棒、丝)材等高端产品的精深加工技术。

2. 稀土镁合金,铌合金|钽合金,钕金属等稀有金属的精深产品制备技术

对难熔稀有高纯金属,高比容粉末提纯处理技术;镁、钽、铌材料的烧结以及制备,宽幅板带箔材的成形技术;大型钨、钼异型件等静压成形加工技术;锆、铪高效洁净分离及铌合金包壳管精密铸轧加工技术;超细晶/超粗晶高性能硬质合金制品制备技术;降低稀土提纯过程污染和能耗的技术;稀土永磁体制造技术;高技术领域用稀土材料制备及应用技术等。
3. 纳米石墨烯及粉末冶金新材料制备与应用技术

纳米材料与器件制备技术;超细、高纯、低氧含量、无/少夹杂金属粉末制备技术;粉末预处理、烧结预扩散、预合金化、球形化、包覆复合化先进制备技术;国产化配套关键零部件快速烧结致密化技术;高性能粉末钢热等静压/喷射沉积近终成形技术;新型铝及钛合金零件制备技术;高精密度金属注射成形(MIM)技术,新型高温合金、钛合金、微/共MIM及凝胶注模成形技术;增材制造金属新工艺、新材料制备及应用技术;高通量、高过滤精度、长寿命金属多孔材料制备及应用技术等。

4. 金属及金属基复合新材料制备技术

低密度、高强度、高弹性模量、抗疲劳新型金属及金属基复合材料制备技术;耐磨、抗蚀、改善导电和导热等性能的金属基复合材料制备及表面改性技术等。
性能不可控的原位复合材料制备技术;常规颗粒和纤维增强复合材料制备技术;电弧/火焰喷涂、喷焊、镀锌、磷化、电镀等常规表面处理技术除外。

5.精品钢材制备技术

提高资源能源利用效率、促进减排的可循环钢铁流程技术;生态型非高炉炼铁技术,二次含铁资源和贫、难选铁矿的高效提取冶金技术,氧化物冶金技术,第三代TMCP技术,高合金钢铸轧一体化技术,薄带连铸产业化通用成套技术;高温合金制备技术;高附加值、特殊性能钢材、合金及制品的加工技术等。

发表回复

电子邮件地址不会被公开。 必填项已用*标注