本发明涉及一种利用烘烤制备高强韧耐生物腐蚀镁合金管材的方法，具体涉及的是一种通过烘烤引起析出相前驱体对亚晶界形成钉扎，从而制备出具有高屈服强度、高韧性和耐生物腐蚀的镁合金管材。属有色金属材料加工技术领域。
背景技术：
镁合金管材由于具有良好的生物和力学相容性、完全可降解性和资源丰富等特性，近年来逐渐成为生物医用材料的研究热点。但是，在实际应用中，镁合金管材还很难同时满足强度、韧性和耐生物腐蚀性的共同需求，综合力学性能差和耐生物腐蚀性差严重地限制了镁合金管材适用范围。因此，制备出高强韧、高生物耐腐蚀性的镁合金管材具有十分重要的意义。
目前，改善镁合金管材强度和韧性的主要方法合金化，通过添加大量的贵金属元素和稀土元素来增加固溶强化和时效强化。但是，通过此方法不仅无法有效同步提升屈强比和韧性，而且极大的增加了生产成本。更为严重的是，一些元素如铁、镍、铜、钴等的添加会极大地危害管材的生物耐腐蚀性。另一方面，提升镁合金管材耐生物腐蚀性的主要方法是表面涂层、微弧阳极氧化和化学转化等，这些方法虽然能够有效地提升耐生物腐蚀性，但对力学性能并无改善，并且工序多、生产效率低、成本高，难以推广。因此，需要一种操作简单、成本低、效率高、能稳定改善镁合金管材强度、韧性和耐生物腐蚀性的加工方法来推广镁合金管材的应用范围和安全可靠性。
技术实现要素：
本发明的目的是提供一种利用烘烤制备高强韧耐生物腐蚀镁合金管材的方法，且工艺设计合理、设备要求简单、操作方便、成本低、效率高，能够稳定改善镁合金的强度、韧性和耐生物腐蚀性。为了达到上述目的，本发明一种利用烘烤制备高强韧耐生物腐蚀镁合金管材的方法，包括：
镁合金中含钙、锌、锡和铋中的一种或一种以上，原子百分数为0.3～1.5％，以及钇，原子百分数为0.03～0.3％，其余为镁；半连续铸造方法制备外径为3～6mm的镁合金锭坯，经固溶处理后，在室温进行数次拉拔，每道次加工率不超过15％，每道次拉拔后在350～450℃进行20～120min的中间退火，每次中间退火后水淬；在室温拉拔最终道次结束后，对管材在100～220℃进行10～120min的烘烤、水淬，得到外径为1.5～2.5mm、壁厚为0.15～0.5mm的管材，其室温拉伸性能为：屈服强度≥160mpa，屈强比≥0.75，延伸率≥20％，在37℃的hank’s模拟体液浸泡实验中，平均腐蚀速率低于0.2mm/a。
本发明一种利用烘烤制备高强韧耐生物腐蚀镁合金管材的方法，所述镁合金中含钙、锌、锡和铋中的一种或一种以上，其原子百分数为0.4～1.2％，钇的原子百分数为0.03～0.2％，其余为镁。
本发明一种利用烘烤制备高强韧耐生物腐蚀镁合金管材的方法，所述中间退火温度为380～450℃。
本发明一种利用烘烤制备高强韧耐生物腐蚀镁合金管材的方法，所述烘烤温度为120～200℃。
本发明一种利用烘烤制备高强韧耐生物腐蚀镁合金管材的方法，所述屈服强度≥180mpa，屈强比≥0.8，延伸率≥25％，在37℃的hank’s模拟体液浸泡实验中，平均腐蚀速率低于0.2mm/a。
本发明提供的一种利用烘烤制备高强韧耐生物腐蚀镁合金管材的方法，有以下几大优点：
1.本发明无需添加大量的昂贵金属元素，而着重于对微观结构的调控，适用范围广泛；其中钙、锌、锡和铋的价格相对便宜，并且加入少量钇既经济又能够有效弱化织构，这些元素均有良好的生物相容性，合金的降解不会对生物体产生危害；通过低温短时的烘烤工艺改善镁合金管材的力学性能和耐生物腐蚀性，设备要求简单、操作方便、生产成本低、效率高。
2.本发明通过室温拉拔可形成高密度亚晶界，利用烘烤工艺引入的析出相前驱体可在亚晶界处形成并钉扎亚晶界，有效提升屈服强度；并且所有形成的析出相前驱体都是由柱面析出，阻碍位错交滑移到柱面，可进一步提升屈服强度，高屈强比可增加管材服役的安全可靠性。
3.本发明通过烘烤工艺所引入的析出相前驱体尺寸小，并不会阻碍亚晶界自身的滑动，亚晶界的滑动和由钇元素添加导致的织构弱化能够共同促进韧性的提升。
4.本发明通过室温多道次拉拔和烘烤工艺所引入的高密度亚晶界和弥散分布的析出相前驱体之间相互作用，表现出了优秀的耐生物腐蚀性。
5.通过烘烤工艺制备的镁合金管材，屈服强度≥180mpa，屈强比≥0.8，延伸率≥25％，在37℃的hank’s模拟体液浸泡实验中，平均腐蚀速率低于0.2mm/a，对力学性能和耐生物腐蚀性能改善效果显著，能有效突破当前镁合金管材的生物和力学应用瓶颈。
具体实施方式
以下结合实施例旨在进一步说明本发明，而非限制本发明。
实施例1
本实施例利用原材料为mg-0.5ca-0.05y(原子百分数)，采用半连续铸造的方法铸造为外径4.2mm的圆柱形镁合金锭坯，经固溶处理后，在室温进行数次拉拔，每道次加工率不超过15％，每道次拉拔后在420℃进行50min的中间退火、水淬。在最后一道次后，得到外径为1.8mm、壁厚为0.25mm的管材，并对其在200℃进行40min的烘烤、水淬。作为对比，另一个试样经过同等铸造、拉拔工艺后，仍在420℃进行50min的退火，而不进行烘烤处理。随后，对两个试样进行室温力学性能测试，并在37℃的hank’s模拟体液(成分见表1)中，根据astmg31-72标准进行生物环境浸泡实验。测试结果如表2所示。
对比二者之间的力学性能可知，未经烘烤处理的合金屈服强度和延伸率分别为157mpa和13.2％，屈强比为0.72；而经过烘烤处理后，合金屈服强度和延伸率达到211mpa和28.4％，屈强比提升至0.91；在37℃的hank’s模拟体液浸泡实验中，平均腐蚀速率由0.38mm/a下降为0.15mm/a。烘烤处理显著提升了该镁合金管材的强度和韧性，同时改善了其耐生物腐蚀性能。
表1实验用hank’s模拟体液化学成分(g/l)
表2
实施例2
本实施例利用原材料为mg-0.9zn-0.07y(原子百分数)，采用半连续铸造的方法铸造为外径3mm的圆柱形镁合金锭坯，经固溶处理后，在室温进行数次拉拔，每道次加工率不超过15％，每道次拉拔后在390℃进行80min的中间退火、水淬。在最后一道次后，得到外径为1.5mm、壁厚为0.15mm的管材，并对其在190℃进行30min的烘烤、水淬。作为对比，另一个试样经过同等铸造、拉拔工艺后，仍在390℃进行80min的退火，而不进行烘烤处理。随后，对两个试样进行室温力学性能测试，并在37℃的hank’s模拟体液(成分见表1)中，根据astmg31-72标准进行生物环境浸泡实验。测试结果如表3所示。
对比二者之间的力学性能可知，未经烘烤处理的合金屈服强度和延伸率分别为148mpa和14.1％，屈强比为0.71；而经过烘烤处理后，合金屈服强度和延伸率达到205mpa和25.2％，屈强比提升至0.89；在37℃的hank’s模拟体液浸泡实验中，平均腐蚀速率由0.32mm/a下降为0.16mm/a。烘烤处理显著提升了该镁合金管材的强度和韧性，同时改善了其耐生物腐蚀性能。
表3
实施例3
本实施例利用原材料为mg-1.2sn-0.1y(原子百分数)，采用半连续铸造的方法铸造为外径4.5mm的圆柱形镁合金锭坯，经固溶处理后，在室温进行数次拉拔，每道次加工率不超过15％，每道次拉拔后在440℃进行120min的中间退火、水淬。在最后一道次后，得到外径为2.0mm、壁厚为0.30mm的管材，并对其在150℃进行60min的烘烤、水淬。作为对比，另一个试样经过同等铸造、拉拔工艺后，仍在440℃进行120min的退火，而不进行烘烤处理。随后，对两个试样进行室温力学性能测试，并在37℃的hank’s模拟体液(成分见表1)中，根据astmg31-72标准进行生物环境浸泡实验。测试结果如表4所示。
对比二者之间的力学性能可知，未经烘烤处理的合金屈服强度和延伸率分别为152mpa和12.5％，屈强比为0.72；而经过烘烤处理后，合金屈服强度和延伸率达到223mpa和23.7％，屈强比提升至0.92；在37℃的hank’s模拟体液浸泡实验中，平均腐蚀速率由0.36mm/a下降为0.19mm/a。烘烤处理显著提升了该镁合金管材的强度和韧性，同时改善了其耐生物腐蚀性能。
表4
实施例4
本实施例利用原材料为mg-0.5bi-0.08y(原子百分数)，采用半连续铸造的方法铸造为外径6mm的圆柱形镁合金锭坯，经固溶处理后，在室温进行数次拉拔，每道次加工率不超过15％，每道次拉拔后在440℃进行120min的中间退火、水淬。在最后一道次后，得到外径为2.5mm、壁厚为0.5mm的管材，并对其在120℃进行100min的烘烤、水淬。作为对比，另一个试样经过同等铸造、拉拔工艺后，仍在440℃进行120min的退火，而不进行烘烤处理。随后，对两个试样进行室温力学性能测试，并在37℃的hank’s模拟体液(成分见表1)中，根据astmg31-72标准进行生物环境浸泡实验。测试结果如表5所示。
对比二者之间的力学性能可知，未经烘烤处理的合金屈服强度和延伸率分别为138mpa和13.5％，屈强比为0.69；而经过烘烤处理后，合金屈服强度和延伸率达到220mpa和27.6％，屈强比提升至0.89；在37℃的hank’s模拟体液浸泡实验中，平均腐蚀速率由0.40mm/a下降为0.18mm/a。烘烤处理显著提升了该镁合金管材的强度和韧性，同时改善了其耐生物腐蚀性能。
表5
实施例5
本实施例利用原材料为mg-0.3ca-0.6zn-0.1y(原子百分数)，采用半连续铸造的方法铸造为外径6mm的圆柱形镁合金锭坯，经固溶处理后，在室温进行数次拉拔，每道次加工率不超过15％，每道次拉拔后在450℃进行100min的中间退火、水淬。在最后一道次后，得到外径为2.5mm、壁厚为0.5mm的管材，并对其在200℃进行100min的烘烤、水淬。作为对比，另一个试样经过同等铸造、拉拔工艺后，仍在450℃进行100min的退火，而不进行烘烤处理。随后，对两个试样进行室温力学性能测试，并在37℃的hank’s模拟体液(成分见表1)中，根据astmg31-72标准进行生物环境浸泡实验。测试结果如表6所示。
对比二者之间的力学性能可知，未经烘烤处理的合金屈服强度和延伸率分别为145mpa和11.9％，屈强比为0.74；而经过烘烤处理后，合金屈服强度和延伸率达到209mpa和24.2％，屈强比提升至0.91；在37℃的hank’s模拟体液浸泡实验中，平均腐蚀速率由0.37mm/a下降为0.18mm/a。烘烤处理显著提升了该镁合金管材的强度和韧性，同时改善了其耐生物腐蚀性能。
表6
实施例6
本实施例利用原材料为mg-0.3zn-0.8sn-0.25y(原子百分数)，采用半连续铸造的方法铸造为外径4.8mm的圆柱形镁合金锭坯，经固溶处理后，在室温进行数次拉拔，每道次加工率不超过15％，每道次拉拔后在450℃进行80min的中间退火、水淬。在最后一道次后，得到外径为2.0mm、壁厚为0.30mm的管材，并对其在220℃进行60min的烘烤、水淬。作为对比，另一个试样经过同等铸造、拉拔工艺后，仍在450℃进行80min的退火，而不进行烘烤处理。随后，对两个试样进行室温力学性能测试，并在37℃的hank’s模拟体液(成分见表1)中，根据astmg31-72标准进行生物环境浸泡实验。测试结果如表6所示。
对比二者之间的力学性能可知，未经烘烤处理的合金屈服强度和延伸率分别为160mpa和10.3％，屈强比为0.76；而经过烘烤处理后，合金屈服强度和延伸率达到223mpa和22.4％，屈强比提升至0.96；在37℃的hank’s模拟体液浸泡实验中，平均腐蚀速率由0.35mm/a下降为0.14mm/a。烘烤处理显著提升了该镁合金管材的强度和韧性，同时改善了其耐生物腐蚀性能。
表7