一种Mg基块状金属玻璃多尺度结构复合协同增韧的方法

技术领域

本发明属于非晶合金材料技术领域，具体涉及一种制备具有拉伸塑性Mg-BMG的多尺度结构复合协同增韧方法。

背景技术

镁合金具有良好的生物相容性、力学相容性及可降解性，在骨科固定、心血管支架、骨组织工程支架等植入器件材料方面有着巨大的应用前景，被誉为“第三代生物金属材料”。然而，镁合金过快的腐蚀速率以及局部腐蚀行为严重制约了生物镁合金的临床应用。

镁基非晶合金(Mg-BMG)是一种长程无序的新型合金，具有高强度、低弹性模量等特点，与晶态镁合金相比，表现出均匀的腐蚀行为，腐蚀速率更低，同时具有优异的生物组织相容性。然而，由于缺乏位错、孪晶等塑性变形机制，BMG合金呈现出灾难性的脆性断裂和剪切软化特征，室温拉伸塑性几乎为零。因此，实现Mg-BMG合金的韧塑化是推动其临床应用的关键。

BMG合金的塑性变形主要基于高度局域化的非均匀剪切变形。已有研究通过在BMG合金中引入预应力、增加玻璃结构不均匀性、内生第二相等方式，诱发剪切带形核，阻碍剪切带失稳扩展，促进多重剪切，提高宏观塑性，并成功开发出具有拉伸塑性的Zr-、Ti-BMG合金。然而，Mg-BMG合金本征脆性更为严重，缺口断裂韧性仅为2MPa·m

发明内容

本发明的目的在于提供一种Mg基块状金属玻璃多尺度结构复合协同增韧的方法。通过改善Mg-BMG的本征脆性，结合调控第二相的微观组织及力学特性，增加其与Mg-BMG基体的匹配度，从而实现协同增韧。方法切实可行，实现了Mg基块状金属玻璃室温拉伸塑性的突破，可达到5％以上。

一种Mg基块状金属玻璃多尺度结构复合协同增韧的方法，该合金成分为Mg-Cu-Gd合金，依次包括电弧熔炼、感应熔炼、热处理、多轴预变形；

其中，热处理是采用半固态技术对感应熔炼后所得母合金在750-850K内粗化5-60min，随后水淬，使剩余熔体转变成玻璃基体并伴随部分细小的α-Mg枝晶析出，得到α-Mg/BMG复合材料；

多轴预变形是将热处理后所得α-Mg/BMG复合材料包裹在低碳钢限定套中进行高压扭转，压力为1-3GPa，扭转周数为1-5周。

较佳的，原料采用99.95％的高纯Mg、Cu、Gd。

较佳的，电弧熔炼是将原料中的高熔点组元Cu、Gd用电弧熔炼炉制成中间合金扣锭。

较佳的，感应熔炼是将电弧熔炼所得中间合金扣锭去除氧化皮后并破碎成碎块后，与低熔点组元Mg按成分配比混合后，放入预处理过的石墨坩埚内，在感应熔炼炉中熔炼成母合金。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：

(1)本发明采用双尺度分布的α-Mg作为第二相，相较于其他文献中韧性第二相以及金属间化合物第二相，与玻璃基体的匹配度更好。

(2)将内生复合与预变形相结合，实现了Mg-BMG拉伸塑性的突破。

下面结合附图对本发明作详细描述。

附图说明

图1为多尺度组织结构的α-Mg/BMG复合材料微观组织。

图2是多尺度组织结构的α-Mg/BMG复合材料的XRD图谱。

图3是多尺度组织结构的α-Mg/BMG复合材料室温拉伸应力-应变曲线(a)及断口侧面扫描图片(b)。

图4中的(a)-(c)分别是实施例2-4的Mg基复合材料母合金的微观组织。

具体实施方式

本发明的构思是：

一、通过内生具有较强加工硬化能力和较低弹性模量的α-Mg为作为第二相，增加了与玻璃基体在力学特性上的匹配度；

二、利用半固态技术对α-Mg初生相在固液两相区内进行粗化(粗化后尺寸50～100μm)，随后快速冷却，使剩余熔体转变成玻璃基体并伴随部分细小的α-Mg枝晶(5～10μm)析出。这种双尺度分布的α-Mg相，其细小枝晶可促进更多的剪切带形核，粗大晶粒有利于阻碍剪切带及裂纹的扩展，从而增加了与玻璃基体在微观组织上的匹配度；

三、将上述α-Mg/BMG复合材料包裹在低碳钢限定套中进行高压扭转，实现三向(x-y-z)压应力下均匀预变形，以在玻璃基体中产生更多的自由体积等纳米尺度不均匀结构，使Mg-BMG基体回春软化，改善其本征脆性。

实施例1

(1)选用合金成分原子百分比为：Mg

(2)将去除氧化皮后的中间合金破碎成碎块后，与低熔点组元(Mg)按设计成分配比、混合后放入预处理过的石墨坩埚内，在感应炉中熔炼成母合金；

(3)使用热处理炉对母合金(α-Mg初生相)在800K时进行粗化30min，随后立即水淬，使剩余熔体转变成玻璃基体并伴随部分细小的α-Mg枝晶析出；

(4)将上述α-Mg/BMG复合材料包裹在低碳钢限定套中进行高压扭转，压力为2GPa，扭转3周。

经过抛光腐蚀后观察组织，如图1所示，可见α-Mg枝晶(～80μm)以及细小枝晶同时析出。对应的XRD图谱如图2所示，在非晶的漫散射峰上可见明显的α-Mg峰。多尺度组织结构的α-Mg/BMG复合材料室温拉伸应力-应变曲线及断口侧面扫描图片分别如图3中的a和b所示，室温拉伸塑性应变超过5％。

实施例2

采用与实施例1相同的方法制备Mg

实施例3

采用与实施例1相同的方法制备Mg

实施例4

采用与实施例1相同的方法制备Mg

表1实施例2-4的Mg基复合材料各相的EDS能谱数据

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