镁合金腐蚀研究进展(28)-医用镁合金：成分、组织及腐蚀

    人口老龄化在我国已成为日益严重的社会问题，由此带来了对生物医用材料如骨植入材料的巨大需求。镁合金具有良好的生物相容性和力学相容性，具有发展成为新一代可降解生物材料的前景。医用镁合金作为一种新型可降解心血管支架、骨植入材料(骨钉、骨板等)，已成为当今前沿研究热点。其中，可控降解是医用镁合金最基础、最关键的问题，腐蚀过快难以满足临床的需要。腐蚀问题涉及材料科学和加工的多方面因素：成分、组织(晶粒尺寸、第二相、织构、位错、孪晶)、加工工艺(挤压、轧制、铸造、锻造和焊接以及热处理)、环境(化学、生物)及力学等耦合，因而成为当前生物医用镁合金的研究热点。

    本文总结了医用镁合金合金化的原理与进展，分析了合金元素对镁合金材料学以及生物学性能的影响，重点讨论了医用镁合金显微组织(晶粒尺寸、第二相、长周期堆垛有序相(LPSO)、准晶相)、热处理和表面氧化膜对其降解行为的影响和腐蚀形态、机理方面的重要进展，并指出了医用镁合金的发展方向。

   （1）从成分上，医用镁合金发展趋势为：合金化→微合金化→素化→高纯化。

   （2）从结构上，医用镁合金发展趋势为：多相和多晶→单相→非晶态。

   （3）从功能上，医用镁合金发展趋势为从单纯结构的考虑，转变为结构与功能一体化设计。

    控制镁合金降解速率不能以过多牺牲其优异特性为代价，因此提高镁合金本身的降解可控性就成了实现镁合金应用的根本出路。

    (1) 高纯化。控制减少镁合金中的有害杂质元素，即保证Fe、Ni、Cu、Co 等元素的含量在容许极限之下。根据化学元素对其降解行为的影响，可以通过以下几条原则控制合金元素以达到目的：严格控制有害杂质元素含量，提高合金纯净度；加入与Mg有包晶反应的合金元素(如Mn、Zr、Ti)，加入量不超过其固溶极限；当必须选择与Mg有共晶反应的合金元素，且相图上与金属间化合物相毗邻的固溶体相区有较宽的固溶范围时，应选择具有最大固溶度的第二组元金属，与固溶体相区毗邻的化合物以稳定性高者为好，共晶点尽可能远离相图中Mg一端；加入可以减少有害杂质的合金元素，如Mn，可减少Fe含量。

    (2) 微合金化与素化。镁合金合金化涉及添加多种合金元素，但添加合金元素的种类和含量是否越多越好有待探究。一般加入的合金元素的种类越多、含量越高，镁合金组织成分复杂，所形成的第二相种类越多，体积分数也随之增加。虽然机械强度得到提高，但也提高了镁合金的局部腐蚀，特别是点蚀敏感性。为了降低合金元素的含量，微合金化或许是镁合金发展的方向之一。材料的高度合金化使材料发展越来越依赖资源，材料的回收再利用变得愈发困难，同时成本也急剧增加。镁合金的素化为医用镁合金发展提供重要的前景。

    (3) 非晶化。快速凝固工艺具有减少有害杂质和影响降解行为2 种功能。首先，快速凝固可以增加固溶极限和成分变化范围，使新相形成成为可能，促使有害元素存在于更小的有害区域或合金相中。其次，它可以改善微观组织，形成非晶态或金属玻璃，使材料更均匀化，减少局部微电池作用。

    (4) 细晶化与纳米化。通过铸造工艺(合金化、变质处理、电磁搅拌)、塑性加工(挤压、轧制、等通道角挤压(ECAP)和摩擦搅拌(FSP)等)使镁合金组织细化，提高镁合金的综合力学性能和耐蚀性能。高压扭转(HPT)和等通道角挤压等强烈的塑性变形可形成超细和纳米晶镁合金。

    该综述论文“医用镁合金：成分、组织及腐蚀”发表在材料冶金领域中文期刊《金属学报》（2018, 54(9):1215-1235）。作者为山东科技大学曾荣昌教授、博士生崔蓝月和中科院金属所柯伟院士。该工作得到了国家自然科学基金和山东科技大学校级科研创新团队经费的支持。