原标题：大连理工大学：高性能生物镁合金的突破，热挤压工艺如何提升ZM30-1Gd-1Nd合金的综合性能？

导读

镁合金因其轻质、高比强度及优异的生物相容性，成为生物医学领域的热门材料。然而，传统镁合金的力学性能和耐腐蚀性不足，限制了其在临床中的应用。近期，一项研究通过创新的热挤压工艺，显著提升了ZM30-1Gd-1Nd镁合金的性能，为生物医用材料的开发提供了新思路。本文将带您深入了解这一研究的背景、方法、亮点及重要发现。

镁合金被誉为“21世纪的绿色材料”，其密度小、比强度高，且具有良好的生物相容性和可降解性，能够促进成骨细胞形成并参与人体新陈代谢，因此在骨科植入物等领域备受关注。然而，传统铸态镁合金的强度和塑性不足，无法满足植入材料的力学需求，同时其腐蚀速率过快，容易导致植入体提前失效，成为临床应用的瓶颈。

为解决这些问题，研究者尝试了多种方法，包括合金化、热处理和表面改性等。其中，稀土元素（如Gd、Nd）的添加被证明能够显著细化晶粒并改善耐蚀性。例如，Nd元素能抑制微电偶腐蚀，而Gd则能稳定腐蚀产物，阻挡有害离子的渗透。此外，热挤压工艺通过动态再结晶和晶粒细化，进一步提升了镁合金的综合性能。

本研究以ZM30-1Gd-1Nd镁合金为对象，通过模铸、半固态等温热处理和热挤压工艺，探索了组织演变对力学性能和耐腐蚀性的影响，为开发高性能生物镁合金提供了重要参考。

【内容来源】

这项研究由大连理工大学材料科学与工程学院的杨小涵、曹志强团队与北华大学工程训练中心的杨淼团队合作完成，题为《热挤压对ZM30-1Gd-1Nd镁合金组织性能演变行为影响》，发表于《特种铸造及有色合金》2025年第5期。研究通过模铸+半固态等温热处理+热挤压工艺制备了四种合金，分析了其微观组织、力学性能及腐蚀行为，发现挤压比为64:1的试样综合性能最优，抗拉强度达272 MPa，腐蚀速率低至1.21 mm/a。

【研究亮点】

工艺创新：结合半固态等温热处理与高挤压比热挤压，显著细化晶粒并改善第二相分布。

性能突破：挤压比为64:1的合金抗拉强度达272 MPa，腐蚀速率仅为1.21 mm/a，优于传统镁合金。

机制解析：揭示了细晶强化是提升强度的主要因素，同时晶粒细化有助于形成致密腐蚀产物膜，增强耐蚀性。

应用潜力：为生物可降解植入材料（如骨科螺钉、心血管支架）的开发提供了新方向。

【研究方法】

研究团队采用模铸法制备ZM30-1Gd-1Nd镁合金铸锭，随后进行半固态等温热处理（440℃保温12小时）和热挤压加工（挤压比25:1和64:1）。通过光学显微镜、扫描电镜（SEM）、X射线衍射（XRD）和电子探针（EPMA）分析微观组织，利用万能拉伸试验机和电化学工作站测试力学性能及腐蚀速率。

图1　工艺流程示意图

【图文内容】

详细分析了热挤压对ZM30-1Gd-1Nd镁合金组织性能的影响。通过XRD标定结果表明，合金主要由α-Mg相、Mg7Zn3相和W-Mg3RE2Zn3相组成，热处理和挤压比未改变合金的物相组成。OM组织观察显示，热挤压后晶粒细化，再结晶发生，晶粒尺寸和第二相体积分数显著降低。SEM组织形貌及元素分布图揭示基体中的第二相由Zn、Gd、Nd元素组成，Mn元素弥散分布。力学性能测试显示，IHTE64合金具有最高的硬度、抗拉强度和屈服强度，热挤压后合金晶粒细化，强度及塑性提升。电化学测试结果表明，IHTE64合金在Hank's溶液中具有最低的腐蚀速率和最强的耐蚀性，高的热挤压比提高了材料的耐蚀性。

图2　ZM30-1Gd-1Nd合金X射线衍射花样

图3　ZM30-1Gd-1Nd 合金OM组织

图4　ZM30-1Gd-1Nd 合金平均晶粒尺寸及第二相体积分数统计图

图5　ZM30-1Gd-1Nd合金MC组织SEM图片及元素分布图

图6　ZM30-1Gd-1Nd合金IHT组织SEM图片及元素分布图

图7　ZM30-1Gd-1Nd合金IHTE25组织SEM图片及元素分布图

图8　ZM30-1Gd-1Nd合金IHTE64组织SEM图片及元素分布图

图9　ZM30-1Gd-1Nd合金的力学性能

图10　ZM30-1Gd-1Nd试样拉伸断口SEM图

图11　ZM30-1Gd-1Nd合金在Hank's溶液中电化学性能测试

ZM30-1Gd-1Nd镁合金的组织性能受晶粒尺寸、析出相种类、数量、尺寸及分布的影响，不同制备工艺会导致组织与性能的变化。等温热处理后，MC试样树枝晶减少，晶粒略有长大，共晶相体积分数降低，层片状共晶组织分解成球状颗粒，W相难以完全回溶。热挤压过程中，晶粒细化，动态再结晶与回复发生，挤压比增大时再结晶晶粒尺寸减小，动态析出相体积分数增加。ZM30镁合金的强化机制包括位错强化、细晶强化、固溶强化和Orowan-Ashby强化，其中细晶强化占主导，位错强化、固溶强化和Orowan-Ashby强化贡献较小。等温热处理和热挤压后试样耐蚀性增强，与第二相化学性质有关，细小弥散分布的第二相颗粒有利于形成连续腐蚀产物膜，减弱微电偶腐蚀作用，提高耐腐蚀性能。晶粒尺寸减小导致腐蚀速率降低，晶界密度越大，腐蚀膜层越容易形成，晶界对镁合金基体起腐蚀屏障作用越大，小晶粒组织腐蚀速率减慢。

【主要结论】

热挤压工艺使ZM30-1Gd-1Nd合金晶粒细化至8.13 μm，第二相破碎并均匀分布。挤压比为64:1的合金综合性能最佳，抗拉强度达272 MPa，腐蚀速率低至1.21 mm/a。细晶强化是力学性能提升的主因，而晶粒细化同时改善了耐蚀性。

【引用格式】

热挤压对ZM30-1Gd-1Nd镁合金组织性能演变行为影响[J].

作者：杨小涵, 杨淼, 郭恩宇, 等.

本文转载自：《特种铸造及有色合金》