半固态粉末注射成形Mg-Zn系医用合金过程原理及其性能研究

In this project, semi-solid metal injection molding and its process theory will be investigated to efficiently prepare medical magnesium based alloys with high-performance and full density by a combination of semi-solid powder forming and metal injection molding based on thixo-molding process. Through the combination of experiments with theoretical analysis, the rheological characteristic, the consolidation and densification mechanism, and laws of microstructure formation and evolution will be studied. Meanwhile, the coordination mechanism, and the influence laws of main processing parameters during injection will be also studied by means of many analytical methods. Based on the experimental results of semi-solid hot pressing thermal simulation and the theory of semi-solid powder forming with the consideration of geometrical and materials nonlinearity during injection, a new finite-deformation constitutive model of semi-solid powder forming will be established. Aim to reveal the combined mechanism of solidification, deformation and densification, for establishing the basic theories and key technology for semi-solid powder injection molding. Hopefully, this project can provide a new semi-solid powder method to give guidance on the production of high-performance magnesium medical alloys.

本项目研究一种镁基医用合金制备新技术----半固态粉末注射成形工艺及其过程原理，在触变注射成形的基础上，结合了半固态粉末成形与固态粉末注射成形，可经济高效地制备高性能全致密的镁基医用材料。拟采用工艺试验与理论分析相结合的方法，研究半固态粉末注射的流变特性、成形固结与致密化机理、显微组织的形成与演变规律，同时运用多种分析手段对注射过程中的协同机制、主要工艺参数的影响规律等进行研究。在半固态热压缩热模拟试验的基础上，借鉴半固态粉末成形理论，针对金属粉末成形中材料、几何双重非线性的特点，建立半固态金属粉末有限变形的本构模型。本项目旨在揭示半固态金属粉末注射过程的凝固、变形与致密化协同机理，初步建立半固态粉末注射成形基础理论和关键技术，为高性能镁基医用合金的制备提供指导。

针对目前医用镁合金腐蚀过快、不均匀等问题，本项目研究了一种新型粉末冶金工艺----半固态粉末注射成形，并用于制备医用Mg-Zn系合金，以期望制备出高性能医用镁基合金，解决上述问题。采用工艺试验与理论分析相结合的方法，分别研究了工艺参数（成形温度、保温时间、粉末形貌）对Mg-xZn（x=3, 6, 9 wt.%）合金组织演变的微观机制、性能（力学性能和生物腐蚀性能）的影响规律，半固态镁合金粉末的本构方程。同时，采用Marc软件对镁合金粉末在半固态压缩过程的应力和密度演变进行了数值模拟。使用该工艺制备的Mg-Zn系合金，成分均匀，组织主要由α-Mg基体和第二相组成，且晶粒细小（-30μm），晶粒形貌为等轴晶（球形粉）和细小枝晶（不规则粉），第二相均匀连续分布于晶界处。对于Mg-3Zn合金，随着成形温度的升高，相对密度和性能增加，当成形温度为600 ℃时，相对密度可达97.4%，抗压强度达315 MPa，在37 ℃下Hank液体中进行的电化学实验结果表明，其腐蚀速率为0.09 mm/year。随着Zn含量的增加，其腐蚀速率呈先降低后增加趋势，Mg-6Zn合金表现出最低腐蚀速率，电化学得到腐蚀速率为0.003mm/year，在37 ℃下Hank液体中连续动态9天经失重法计算的平均腐蚀速率为4.8 mm/year，这远没达到植入要求，主要与成形过程中样品氧化有关，需要进一步优化设备。另外，在半固态粉末注射成形过程中也观察到了类似于致密材料半固态压缩的“穿晶熔断机制TLC”，从而引发晶粒的细化，但其组织演变的微观机制还需进一步深入研究。分别对铸态Mg-6Zn合金和多孔Mg-6Zn合金进行半固态热模拟压缩，得到应力-应变曲线和本构方程，多孔镁合金的峰值应力约为致密镁合金的一半。多孔镁合金的半固态压缩涉及粉末颗粒的破碎、重排，液相的流动与填充、固相骨架的破碎与重构动态变化等。该项目验证了半固态粉末成形技术制备医用镁合金的可行性，同时还开拓了制备医用锌基合金方向。