华中大丨激光粉末床熔融增材制造锌镁多孔支架的腐蚀疲劳行为及抗疲劳机理

锌镁(Zn-Mg)合金由于其适宜的降解速率、良好的机械强度和优异的生物相容性，已经成为有吸引力的可生物降解骨替代材料。传统的方法(如铸造和挤压)已被用于锌镁合金的制造，但控制其元素的均匀性和复杂的几何形状仍然具有挑战性。激光粉末床熔融(LPBF)作为金属增材制造工艺之一，已被广泛用于制备尺寸精度高、机械性能优异的金属植入体。LPBF过程中由表面张力梯度引起的Marangoni对流有助于熔池中元素的扩散，另外LPBF分层制造、逐层叠加的特性可以制备任何形状复杂的金属植入物。为此华中科技大学赵丹雷等人通过LPBF技术制备了一种具有优异的耐疲劳极限和抗疲劳性能的锌镁多孔支架。并对LPBF Zn-Mg支架的组织演化、腐蚀疲劳行为及抗疲劳机理进行了探究。

                             

研究要点

                             

1. 在纯锌支架的显微组织中可以观察到大小为1-10 μm的板条状晶粒。相比之下，锌镁支架中则为任意分散的细小的胞晶和柱状亚晶粒(<1 μm)和枝晶，LPBF锌镁支架的晶粒尺寸远小于铸造支架(~30 μm)，晶粒尺寸的细化可归因于镁的晶粒细化能力及LPBF过程中的快速凝固。在HAADF图像中观察到枝晶颗粒和共晶结构(图1e)，TEM-EDS图谱分析表明镁元素在共晶相中相对富集，Mg的加入促进了板条粗晶向细晶+柱状晶的转变和Mg2Zn11沉淀的产生。而熔池中的强对流和快速凝固有利于元素的扩散和均匀化。

图1 Zn与Zn-Mg支架的显微组织                              

2. 腐蚀疲劳测试结果表明LPBF Zn和Zn-Mg支架的疲劳强度分别为9.59 MPa(累积应变为2.82%)和31.4 MPa(累积应变为2.35%)。Zn支架的高应力/屈服应力比(0.8)可能在于其良好的延展性。Mg的加入可以提高Zn基体的腐蚀疲劳强度，并减少其应变积累。而支架的应变累积主要是由疲劳棘轮效应引起的，并不是由疲劳损伤引起的。结果表明，两种支架在腐蚀疲劳过程中均未出现穿透性裂纹，具有良好的抗疲劳能力。

图2 LPBF Zn和Zn-Mg支架在不同载荷下的腐蚀疲劳性能:(a, b) Zn和Zn-Mg支架的累积应变曲线;(c)应力/屈服应力与循环率的关系;(d)不同应力下每个周期的累积应变

                             

图3 LPBF Zn和Zn-Mg支架的腐蚀疲劳响应:(a, b) Zn和Zn-Mg支架的力和载荷压头位置曲线;(c, d) Zn和Zn-Mg支架的滞回曲线;(e, f) Zn和Zn-Mg支架的疲劳棘轮和疲劳损伤应变曲线;(g)计算疲劳棘轮和疲劳损伤应变的方法                              

3. 支架的晶粒细化、位错堆积和应力分布均匀有助于提高抗疲劳能力和降低疲劳损伤应变。锌镁支架表面形成的腐蚀产物有利于抑制疲劳棘轮和疲劳损伤。锌镁支架晶界的位错堆积和固溶相能够延缓裂纹尖端的扩展，抑制晶粒的过度粗化，提高支架的疲劳寿命极限，抑制支架的择优取向。更重要的是，锌镁支架可以通过适度的晶界迁移来消耗疲劳能量，减少其塑性变形。                              

                             

图4 LPBF Zn和Zn-Mg支架的断裂行为分析:(a)纵向方向图;(b, c) Zn- Mg和Zn支架的截面;(d-f)有限元模拟

                             

图5 EBSD结果显示在纵向方向疲劳裂纹附近的微观组织:(a1-a4)分别为Zn支架的IPF、PF、GB和KAM图;(b1-b4)锌镁支架的IPF、PF、GB和KAM图谱

                             

图6 LPBF锌镁支架在腐蚀疲劳过程中的晶界迁移示意图

总结

                             

生物可降解金属的增材制造(AM)在骨组织再生医学中显示出前所未有的前景。腐蚀疲劳性能是影响AM生物降解支架性能的关键因素之一。在该研究中制造一种具有良好疲劳极限和抗疲劳能力的锌镁陀螺支架，对其进行了测试表征，表明增材制造的 Zn-Mg支架在治疗承重骨缺损方面具有良好的潜力。

原文信息：                              

Zhao Danlei, Han Changjun, Peng Bo, et al. Corrosion fatigue behavior and anti-fatigue mechanisms of an additively manufactured biodegradable zinc-magnesium gyroid scaffold[J]. Acta Biomaterialia, 2022.                              

原文链接：                              

https://doi.org/10.1016/j.actbio.2022.09.047

来源：增材制造硕博联盟