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镁合金 spark plasma sintering 微观组织与性能研究，探讨 Mg-2Nd 和 Mg-4Y 合金在 450-550 °C 烧结过程中致密化、第二相演变及力学腐蚀行为。
Mária Zemková | Stanislav ?a?ek | Franti?ek Luká? | Peter Minárik
查尔斯大学，材料物理系，Ke Karlovu 5，12116 布拉格，捷克共和国，欧盟
摘要
采用火花等离子烧结（SPS）技术，在450至550°C的温度范围内对基于WE43体系的二元镁合金Mg-2wt.% Nd (N2)和Mg-4wt.% Y (W4)进行了致密化处理。系统研究了烧结温度对微观结构、机械性能和腐蚀行为的影响。这两种合金均实现了近乎完全的致密化（残余孔隙率<0.1%）。透射电子显微镜（TEM）分析证实，细小的氢化物（NdH?或YH?）和氧化物（Nd?O?或Y?O?）是主要的次要相。烧结温度的升高促进了次要相的粗化以及合金元素在原粉末颗粒边界处的偏聚，而晶粒生长则保持有限（14–19 μm）。机械性能数据显示，两种合金的压缩屈服强度从450°C时的132 MPa下降到550°C时的112 MPa，这主要是由于晶粒粗化、沉淀强化效应减弱以及位错密度降低所致。腐蚀性能方面，两种合金表现出相反的趋势：N2合金在450°C和500°C下的腐蚀速率最低，而W4合金仅在550°C时由于形成了富Y的氧化层而表现出更好的稳定性。研究结果强调了在SPS过程中氢化物和氧化物相演变对低稀土镁合金机械性能和腐蚀行为的关键影响。
引言
商业镁合金WE43（Mg-4Y-2Nd-1RE-0.4Zr，重量百分比）长期以来一直被认为是可生物降解植入物的先进材料，在临床前和临床试验中取得了良好的成绩[1]、[2]、[3]。该合金最初是为汽车用途开发的，具有高强度（铸态材料约为250 MPa）[4]、与其他常见镁合金相比良好的耐腐蚀性[5]以及生物相容性[6]等优点。其优异性能源于钇和钕通过固溶强化[7]和沉淀强化[8]机制的增强作用。这些机制还通过改变Mg(OH)?的腐蚀表面膜来提高耐腐蚀性。Nd或Y原子通过形成(Nd/Y)?O?嵌入表面腐蚀层，从而增强其稳定性并提高对腐蚀介质的防护效果[5]、[9]。
然而，该合金中稀土元素和锆的相对较高含量（总量约为8–9 wt%）增加了生产成本，限制了加工灵活性，并且依赖于战略性的关键元素。此外，多种稀土元素的不确定成分（称为混合金属）引发了关于长期生物安全性的担忧。此外，传统的熔铸方法往往由于Nd和Y在Mg中的溶解度有限[10]、[11]，导致形成粗大的金属间相，从而引发微电腐蚀并降低机械完整性。鉴于这些挑战，探索含有较少合金元素的替代合金变得十分迫切，这些合金可能具有更低的成本、更简单的回收过程以及潜在的更好生物相容性。
一个有前景的方向是简化合金化学成分，采用三元WN43体系[12]或仅含纯钇和钕的二元W4体系[13]，或仅含钇的体系。文献表明，通过挤压结合电化学气辅助粉末烧结（ECAP）等传统方法制备的合金已经展示了优异的机械性能，而二元W4合金的腐蚀行为更为优越[14]。最近的研究还探讨了通过火花等离子烧结（SPS）处理的相关三元WN43合金[12]、[15]、[16]。本研究提出了一种微观结构调控策略，利用SPS过程中的高温和高压共同作用破坏粉末颗粒表面的氧化膜。Nd和Y富集区域的局部熔化有助于其分解并促进强烈的冶金结合。因此，SPS处理的WN43合金具有较弱的晶粒结构、有竞争力的机械性能以及出色的延展性，优于SPS处理或传统方法处理的镁合金[15]。此外，通过精确控制SPS参数显著提高了合金的耐腐蚀性，生物介质中的测试也显示了令人满意的降解速率[16]。
正如先前的研究所示，粉末冶金（PM）是处理镁基合金的有前景的替代方法，能够实现更好的微观结构控制以及机械性能和耐腐蚀性的提升。PM方法能够保留细小晶粒和均匀的相分布，尤其是使用气体雾化得到的快速凝固粉末时。它还能够制造出传统变形方法难以实现的复杂几何形状。在PM技术中，火花等离子烧结因其能够在几分钟内将粉末致密化为致密、机械稳定的结构同时保持初始粉末的非平衡微观结构而脱颖而出[17]、[18]。在SPS过程中，粉末被放置在导电模具中并在两个电极之间压缩，同时通以脉冲直流电流。电流产生的电阻加热导致在压力作用下快速烧结。这种组合方式能够在更低的温度和更短的时间内实现与传统烧结相当的致密化效果[19]。SPS工艺能够更好地控制微观结构特性，实现完全致密化。
然而，镁粉的初始状态对最终SPS处理材料的微观结构及性能具有决定性影响。镁在空气中极易氧化形成氧化膜。当暴露在湿度环境中时，MgO膜会转化为Mg(OH)?层[20]。因此，表面氧化物（如MgO）的存在会显著影响致密化行为和颗粒间的结合[21]。鉴于这些情况，在粉末处理和储存过程中必须特别注意避免或最小化表面氧化物的形成。正确的处理和储存规程对于确保粉末表面的完整性和优化烧结过程至关重要。此外，杂质会改变局部热力学和扩散路径，从而影响次要相的形成和分布以及整体微观结构的演变[22]。这些变化反过来又可能影响合金的腐蚀行为和机械性能。
由于SPS处理的WN43合金表现出非常有前景的机械性能和耐腐蚀性，本研究重点关注其关键合金元素，以明确它们各自的贡献。因此，本研究的目的是探讨二元镁合金Mg-2wt.% Nd和Mg-4wt.% Y的微观结构、腐蚀行为和机械性能，以阐明每种元素对整体性能的独立影响。
材料特性和实验方法
起始材料为N2和W4合金的粉末，这些粉末由铸态坯料制成。通过火花发射光谱法测得其成分分别为：N2合金为Mg-2.4 wt.% Nd，W4合金为Mg-3.5 wt.% Y。铸态坯料经过加工、重熔后，在惰性气氛下由Nanoval GmbH & Co.进行气体雾化处理。所有N2和W4粉末的处理均在惰性气氛中进行，以防止氧化。
气体雾化粉末用于...
气体雾化粉末
使用配备EBSD相机的SEM对N2和W4合金的气体雾化粉末进行了详细表征。图2(a)显示了一个颗粒的SEM显微图。两种合金的粉末形态及其内部微观结构非常相似，因此仅展示N2合金的显微图。粉末呈圆形/球形，表面粗糙度较低（见图2(a)插图）。颗粒尺寸分布范围较广，从3 μm到150 μm不等。
微观结构演变
两种合金的初始粉末均呈现出典型的气体雾化粉末的圆形/球形形态[29]、[30]、[31]。粉末颗粒中的树枝状微观结构反映了合金的共晶性质，这是气体雾化过程中快速冷却的结果[29]、[30]。
孔隙率仍然是粉末冶金中镁合金开发和应用的关键挑战之一，这一点在多项关于...
结论
本研究证明，火花等离子烧结气体雾化Mg-2wt.% Nd (N2)和Mg-4wt.% Y (W4)合金能够制备出几乎完全致密的压实体，同时保留了大部分原始粉末的微观结构。烧结后的压实体仅含有氢化物（NdH?/YH?）和氧化物（Nd?O?/Y?O?），表明粉末雾化过程中的氢吸收在相演变中起着重要作用。氢化物的形成是一个次要的、与工艺相关的现象；然而...
作者贡献声明
Peter Minárik： 监督、方法论设计。
Franti?ek Luká?： 数据验证、数据管理。
Stanislav ?a?ek： 数据验证、数据管理。
Mária Zemková： 原始草稿撰写、方法论设计、实验研究、数据管理、概念构思。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。
Maria Zemkova表示获得了查尔斯大学资助机构的财务支持。Maria Zemkova与查尔斯大学数学与物理学院存在雇佣关系。Stanislav ?a?ek与查尔斯大学数学与物理学院存在以下关系：
致谢
本研究得到了查尔斯大学资助机构（项目编号410119）的财务支持。
