Mg-Zn-Mn合金文献调研总结

1、Mg-Zn-Mn系镁合金文献调研总结1. 前言Mn元素可细化镁合金晶粒，提高镁合金的强度和塑性，并可提高镁合金挤压可成型性，Mn对于镁合金最重要的作用在于其有利于改善Fe、Ni等杂质元素引起的有害腐蚀效应。同时，Mn对于激活多种酶系统有重要作用，如水解酶、激酶、转移酶、脱羧酶等，具有良好的生物相容性。由于在Mg中的固溶度极小(0.0003 at.%，Sr在镁合金中常形成第二相沉淀在晶界处，从而阻碍晶界运动，起到细化合金晶粒的作用。同时Sr能促进成骨，其化合物雷尼酸锶(strontium ranelate能提高骨强度和骨密度，常用于治疗骨质疏松，通过抑制破骨细胞活动和促进成骨细胞复制，其能减小骨

2、吸收促进骨生成。因此，Sr也表现出良好的生物相容性。因此，Mn和Sr常被考虑为生物可降解镁合金和合金元素。Mg、Zn、Mn、Sr等元素的推荐摄入量及在Mg中的最大固溶度如Table 1所示Table 1 Recommended dosage and max solubility in Mg of Ca, Zn, Mn, Sr etc.elementsRecommended dosage (mg/dayMax solubility (wt.%/at.%Mg350/Zn156.22.4Ca8829961.350.82Mn52.21.0Sr40.110.0003Zr>53.81othersNo

3、t considered due to toxicity or uncertainty2. Mg-Zn-Mn系合金Mg-Zn-Mn系镁合金现有的研究报道并不是很多，主要文献有。2.1 合金成分目前，研究过的Mg-Zn-Mn系镁合金的成分如下，其中成分含量均为质量比：Mg-(1, 2, 3Zn-1Mn1、Mg-1Zn-0.5Mn, Mg-1.5Zn-0.5Mn, Mg-1.5Zn-1Mn2、Mg-2Zn-0.2Mn3,4、Mg-1.78Zn-0.89Mn 5、Mg-2Ca-0.5Mn-(2, 4, 7Zn62.2 材料制备目前，Mg-Zn-Mn系镁合金浇铸工艺参数如下：保护气氛：99%CO2+0

4、.1%SF61/Ar+密封坩埚2,3；坩埚材质：Ta2/氮化硼包覆低碳钢3；熔炼温度：7501,3/7606；磨具预热温度：2001。挤压参数如下：挤压温度/挤压比/挤压速度：300/10:1/22mm/s1；330/12:1, 25:1, 33:1/3mm/s3。EACP参数如下：挤压温度：200、150；/角：110/20°；挤压道次：4/4+4；ECAP路径：BC；挤压速度：0.5 mm/s；用MoS2润滑5。2.3 微观结构Mg-(1, 2, 3Zn-1Mn铸态合金中随Zn含量增大，合金晶粒尺寸减小（200-400 m to 50-80 m）。根据Mg-Zn双相相图，当Zn含

5、量小于2 wt%，Zn能完全固溶到-Mg基中，所以在Mg-1Zn-1Mn合金中，只观察到Al/Mn为4:5的颗粒状的Al-Mn相分布在晶界处。当Zn含量达到2 wt%时，除Al-Mn相外，Mg-Zn相析出，Mg-3Zn-1Mn合金中析出Mg7Zn3相。由于动态重结晶，挤压后，Mg-1/2/3Zn-1Mn合金的晶粒尺寸分别为9, 8, 4 m，然而存在的一些大晶粒和拉伸晶粒表明合金并没有完全重结晶1。在Mg-1Zn-0.5Mn，Mg-1.5Zn-0.5Mn，Mg-1.5Zn-1Mn合金中，Mn均全部溶于Mg基中，有0.6 到0.8 wt%的Zn溶于Mg基中，其余生成细小的第二相颗粒，主要分布在合

6、金晶界处2。Mg-2Zn-0.2Mn合金中，Mn均匀溶解于基体中，Zn部分溶解于Mg基中，从Mg晶粒中心到晶界，含量逐渐增大，晶界处有细小的Mg21Zn25等第二相析出3,4。对于ZM21(Mg-1.78Zn-0.89Mn合金5，挤压态时（A0）表现出不均匀的微观结构，其晶粒尺寸表现出双峰分布（50-60 m和10-30 m）。200 四道次BC的ECAP挤压（A4）后，晶粒明显细化（0.3-3m），平均晶粒尺寸达到0.7 m。随后在150下再进行四道次BC的ECAP挤压（B4）并没有进一步细化晶粒，合金平均晶粒尺寸为0.9 m。这可能是由于超细晶镁合金更难于重结晶但却易于晶粒长大而造成的。极

7、图分析发现，挤压ZM21合金表现出明显的基面/ED方向的纤维织构，A4处理后，基面织构弱化，再进行B4处理，合金几乎形成基面/ECAP剪切面的新的定向关系。随挤压、A4、B4处理，合金(0 001<11-20>基面滑移的Schmid2.4 力学性能挤压或EACP状态下，Mg-Zn-Mn合金的屈服强度，拉伸强度及拉伸率分别可达到>270MPa，>300MPa和>40%（Figure 1）1,2,5。Figure 1 Mechanical properties of Mg-Zn-Mn alloy铸态Mg-xZn-1Mn镁合金，应力应变曲线上，应力随应变增大显著变大，表

8、现出明显的加工硬化特征，相反，挤压后Mg-xZn-1Mn合金不再表现出明显的加工硬化特征。挤压显著提高了Mg-xZn-1Mn合金的强度，尤其是屈服强度。对于Mg-1/2Zn-1Mn合金，挤压同时还提高了其拉伸率，但Mg-xZn-1Mn合金Zn含量达到3wt%，拉伸率急剧下降至10%以下，小于对应铸态合金1。相比挤压态（A0）的ZM21(Mg-1.78Zn-0.89Mn合金，200 四道次BC的ECAP挤压（A4）后，其晶粒从16.2 m细化至0.7 m，屈服强度从172 MPa增大到212 MPa，但拉伸强度及拉伸率都没有明显变化。由于A4样纤维织构弱化且有更高的基面滑移Schmid因子，故其

9、强化效应主要有晶粒细化引起，导致屈服强度增大。继A0、A4处理，在150下再进行四道次BC的ECAP挤压（B4）后，合金晶粒尺寸为0.9 m，其屈服强度和拉伸强度从212和268 MPa 降到110 and 209 MPa，拉伸率从24%增大到40%。这主要是由于B4后，合金形成了Schmid因子更高的，大部分晶粒基面平行于ECAP剪切面和挤压方向的基面织构。断裂形貌分析发现A0和A4样品表现出脆性和塑性断裂特征，而B4表现出明显的塑性断裂形貌。通过晶粒细化或弱化基面纤维织构，可减小ZM21合金拉伸压缩屈服不对称性。2.5腐蚀行为Mg-(1, 2, 3Zn-1Mn合金中，Mg-1Zn-1Mn表

10、现出最好的耐腐蚀性，随Zn含量增大，合金耐腐蚀性变差，但在不同的Zn含量的合金的极化曲线中，均观察到一个钝化阶段，表明Zn能有助于在Mg-xZn-1Mn合金表面形成一层保护膜。Mg-(1, 2, 3Zn-1Mn合金表现出较好的细胞相容性，但却出现溶血现象，所以需要通过表面改性以提高合金的血液相容性1。F. Rosalbino 等2发现在Mg-1Zn-0.5Mn, Mg-1.5Zn-0.5Mn, Mg-1.5Zn-1Mn几种合金中，随合金元素Zn和Mn含量增大，合金抗腐蚀性能越好。这是由于合金元素Zn和Mn促进了表面Mg(OH2膜的稳定性，增大了Mg-Zn-Mn固溶体和第二相间的阻抗，从而降低了

11、微电偶腐蚀有效驱动力，促进了对合金的保护作用。在这几种合金中，Mg-1.5Zn-1Mn合金表现出最好的抗腐蚀性能2。F. Rosalbino等4比较Mg-2Zn-0.2Mn/Ca/Si三种合金的腐蚀行为发现，由于氧化锰在Mg(OH2表面层结构中的作用，Mg-2Zn-0.2Mn合金的耐腐蚀性优于Mg-2Zn-0.2Ca/Si及AZ91合金。M. Jamesh等9比较纯镁和ZM21镁合金在Ringer溶液中的腐蚀行为发现，ZM21表面形成随浸入时间而增厚的一层致密的发育良好的棒状文石CaCO3晶使其表现出更好的抗腐蚀性能。3. Mg-Zn-Sr系合金4. 总结与展望Reference1 Erlin

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