生物医用镁合金加工技术

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。

图2  Mg-2Zn-Ca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。

生物医用镁合金的特种加工技术
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。

来源：府谷镁协