Otrzymywanie i właściwości litych stopów na bazie magnezu o ultra drobnoziarnistej mikrostrukturze

• Autorzy: Kowalski K. , Miklaszewski A. , Jurczyk M.

Warianty tytułu

EN

Synthesis and properties of bulk Mg-based alloys with ultrafine grained microstructure

• Języki publikacji: PL EN

Abstrakty

PL

Magnez i jego stopy są przedmiotem intensywnych badań z uwagi na ich ważne potencjalne zastosowanie w aplikacjach medycznych w tym jako materiały na implanty. W pracy omówiono wpływ składu chemicznego i procesu technologicznego na mikrostrukturę, właściwości mechaniczne i odporność korozyjną ultra drobnoziarnistych stopów Mg1Zn1Mn0.3Zr oraz Mg4Y5.5Dy0.5Zr. Materiały do badań otrzymano metodami mechanicznej syntezy i metalurgii proszków. Dodatek hydroksyapatytu oraz bioszkła, typ 45S5, do materiałów na bazie magnezu zmniejsza wielkość ziaren otrzymanych litych kompozytów. Analizę fazową i mikrostrukturę analizowano przy użyciu dyfrakcji rentgenowskiej, skaningowego mikroskopu elektronowego, a właściwości mechaniczne i odporność korozyjną zbadano, stosując mikrotwardościomierz, nanoindenter oraz potencjostat. Właściwości kompozytu są zależne od udziału procentowego bioceramiki w matrycy Mg, gęstości otrzymanych kompozytów, jak również od składu chemicznego i ostatecznej mikrostruktury. Poprawę właściwości powierzchniowych kompozytów na bazie Mg1Zn1Mn0.3Zr uzyskano dzięki osadzaniu elektrolitycznemu fosforanów wapnia roztworu symulującego płyny ustrojowe. Badania elektrochemiczne w roztworze Ringera wykazały, iż odporność korozyjna modyfikowanych próbek była wyższa w porównaniu do próbek niemodyfikowanych. Zbadano mikrostrukturę, wyznaczono skład chemiczny warstw osadzanych elektrolityczne oraz przedyskutowano wpływ otrzymanych warstw na właściwości korozyjne. Ultra drobnoziarniste materiały na bazie magnezu dzięki gęstszej warstwie powierzchniowej (Ca10(PO4)6O and (Mg(OH)2), w porównaniu do niemodyfikowanych próbek posiadają unikalne właściwości powierzchniowe i dlatego mogą znaleźć potencjalne zastosowanie w biomateriałach następnej generacji.

EN

Magnesium and its alloys have been intensively investigated as potential bone implant materials.This paper discusses the influence of chemical composition on the microstructure, mechanical and corrosion properties of ultrafine grained Mg1Zn1Mn0.3Zr and Mg4Y5.5Dy0.5Zr alloys synthesized by the application of mechanical alloying and powder metallurgy. The hydroxyapatite or 45S5 Bioglass addition to Mg-based alloys decreases of grain sizes of the bulk material. The phase and microstructure analysis was carried out using X-ray diffraction, scanning electron microscopy and the properties were measured using hardness, nanoindentation and corrosion testing equipment. The properties of composites depend upon crystal structure, density, volume fraction, and the interface among the constituents, as well as upon the chemical composition and their final microstructure. The Mg1Zn1Mn0.3Zr composite surface improvement was achieved by electrolytic depositionof calcium phosphates from simulated body fluid electrolyte. The electrochemical test showed that the corrosion resistance of treated specimens was higher compared with the untreated samples in Ringer solution. The microstructure, composition andelectrolytic deposition of calcium phosphate coatings were characterized, and the corrosion properties of selected samples were also investigated. Ultrafine grained Mg-based biomaterials due to denser (Ca10(PO4)6O and (Mg(OH)2) surface layers, compared with untreated samples, possess unique surface properties and consequently are considered to be the future generation of biomaterials.

Słowa kluczowe

PL

biomateriały; magnez; bioszkło; hydroksyapatyt; synteza mechaniczna; kompozyty

EN

biomaterials; magnesium; bioglass; hydroxyapatite; mechanical alloying; composites

• Wydawca: Sieć Badawcza Łukasiewicz – Instytut Obróbki Plastycznej
• Czasopismo: Obróbka Plastyczna Metali
• Rocznik: 2016
• Tom: T. 27, nr 3
• Strony: 195--210
• Opis fizyczny: Bibliogr. 21 poz., rys., tab., wykr.

Twórcy

autor

Kowalski K.

• Politechnika Poznańska, Instytut Inżynierii Materiałowej, ul. Jana Pawła II 24, 61-138 Poznań, Poland

autor

Miklaszewski A.

• Politechnika Poznańska, Instytut Inżynierii Materiałowej, ul. Jana Pawła II 24, 61-138 Poznań, Poland

autor

Jurczyk M.

• Politechnika Poznańska, Instytut Inżynierii Materiałowej, ul. Jana Pawła II 24, 61-138 Poznań, Poland

Bibliografia

• [1] Zeng R.C., K. Wang, Y.B. Xu, E.H. Han, Z.Y. Zhu. 2001. “Recent development and application of magnesium alloy”. Acta Metall. Sin. 9: 673–685.
• [2] Song G. 2005. “Recent progress in corrosion and protection of magnesium alloys”. Adv. Eng. Mater. 7: 563–586.
• [3] Zhang Y.F., X.N. Gu, F. White. 2014. “Biodegradable metals”. Mater. Sci. Eng. R 77: 1–34.
• [4] Li N., C. Guo, Y.H. Wu, Y.F. Zheng, L.Q. Ruan. 2012. “Comparative study on corrosion behaviour of pure Mg and WE43 alloy in static, stirring and flowing Hank’s solution”. Corr. Eng. Sci. Techn. 47: 346–351.
• [5] Qian M., D. Graham, L. Zheng, D.H. St John, M.T. Frost. 2003. “Alloying of pure magnesium with Mg-33.3 wt-%Zr master alloy”. Mater. Sci. Tech. 19: 156–162.
• [6] Hench L. 1991. “Bioceramics: From concept to clinic”. J. Am. Ceram. Soc. 74: 1487–1510.
• [7] Ward B.C., T.J. Webster. 2007. “Increased functions of osteoblasts on nanophase metals”. Mater. Sci. Eng. C 27: 575–578.
• [8] Jurczyk K., M.M. Kubicka, M. Ratajczak, M.U. Jurczyk, K. Niespodziana, D.M. Nowak, M. Gajecka, M. Jurczyk. 2016. “Antibacterial activity of nanostructured Ti-45S5 Bioglas-Ag composite against Streptococcus mutans and Staphylococcus aureus”. Trans. Nonferrous Met. Soc. China 26: 118–125.
• [9] Benjamin J.S. 1976. “Mechanical alloying”. Sci. Am. 234: 40–57.
• [10] Szymanek M., B. Augustyn, D. Kapinos, S. Boczkal, J. Nowak. 2014. “Producing ultrafine grain structure in AZ91 magnesium alloy cast by rapid solidification”. Arch. Metall. Mater. 59: 317–321.
• [11] Valiev R.Z., I.P. Semenova, V.V. Latysh, H. Rack, T.C. Lowe, J. Petruzelka, L. Dluhos, D. Hrusak, J. Sochova. 2009. “Nanostructured titanium for biomedical applications”. Adv. Eng. Mater. 10: B15– B17.
• [12] Jurczyk K., A. Miklaszewski, M.U. Jurczyk, M. Jurczyk. 2015. „Development of β type Ti23Mo-45S5 Bioglass nanocomposites for dental applications”. Materials 8: 8032–8046.
• [13] Tulinski M., M. Jurczyk. 2008. “Mechanical and corrosion properties of Ni-free austenitic stainless steels”. Arch. Metall. Mater. 53: 955–959.
• [14] Whitte F., F. Feyerabed, P. Maier, J. Fischeer, M. Stömer, C. Blawert, W. Dietzel, N. Hort. 2007. “Biodegradable magnesium–hydroxyapatite metal matrix composites”. Biomaterials 28: 2163–2174.
• [15] Khanra A.K., K.C. Jung, S.H. Yu, K.S. Hong, K.S. Shin. 2010. “Microstructure and mechanical properties of Mg–HAP composites”. Bull. Mater. Sci. 33: pp. 43–47.
• [16] Meng E.C., S.K. Guan, H.X. Wang, L.G. Wang, S.J. Zhu, J.H. Hu, C.X. Ren, J.H. Gao, Y.S. Feng. 2011. “Effect of electrodeposition modes on surface characteristics and corrosion properties of fluorinedoped hydroxyapatite coatings on Mg−Zn−Ca alloy”. Appl. Sur. Sci. 257: 4811–4816.
• [17] Razavi M., M.H. Fathi, M. Meratian. 2010. “Fabrication and characterization of magnesium– fluorapatite nanocomposite for biomedical applications”. Mater. Charact. 61: 1363–1370.
• [18] Jurczyk M. (ed). 2012. Bionanomaterials for Dental Applications. Pan Stanford Publishing.
• [19] Kokubo T., H. Takadama. 2006. “How useful is SBF in predicting in vivo bone bioactivity?”. Biomaterials 27: 2907–2915.
• [20] Song G., A. Atrens, X. Wu, B. Zhang. 1998. “Corrosion behaviour of AZ21, AZ501 and AZ91 in sodium chloride”. Corros. Sci. 40: 1769–1791.
• [21] Kowalski K., M. Nowak, M. Jurczyk. 2016. “Mechanical and corrosion properties of magnesiumbioceramic nanocomposites”. Arch. Metall. Mater. 61 (3). DOI: 10.1515/amm-2016-0235.