镁及其合金由于其高比强度、与人骨相似的弹性模量和良好的生物相容性,在生物医用领域具有广阔的应用前景。然而,镁合金在生理环境中具有相对较高的降解速率,极不利于可植入器件的服役安全。因此,如何制备兼具良好力学和耐腐蚀性能的低成本高性能镁合金是行业研究的热点,在本研究中,我们试图将低成本的Zr元素添加到前期开发的,具有良好力学和耐腐蚀性平衡的Mg-1.0 Yb wt.%铸态合金中,希望通过合理含量的Zr添加进一步改性和优化微观组织,充分发挥该新型镁合金的性能潜力。具体的,首先根据Zr在Mg中溶解度制备了无添加、微量、略过量和过量Zr添加的四种Mg-1.0 Yb-xZr(x=0,0.2,1.0,1.5 wt.%)合金,随后综合使用微观组织表征、力学性能和生物相容性测试,揭示Zr含量对合金铸态晶粒形状和尺寸、第二相尺寸和分布、体外降解模式PLX4032试剂、腐蚀产物层成分和演化、强度塑性和断裂模式、溶血率和细胞活性的影响规律,具体研究结论总结如下:金相(OM)和扫描电镜(SEM)观察发现,随Zr含量增加合金晶粒逐渐由典型的粗大柱状晶转化为等轴细晶粒,同时伴随着富Zr粒子的出现和粗化。这表明Zr对所研究的Mg-Yb合金具有积极的异质形核和晶粒细化效果。进一步在模拟体液(SBF)环境中的电化学和浸泡测试发现,由不同含量Zr添加形成的差异化的微观组织极大影响合金的腐蚀行为:当微量(0.2 wt.%)Zr添加后,由粗大柱状晶和细密等轴晶构成的不均匀混晶组织在局部形成了大的电位差,加速局部腐蚀;当过量(1.5 wt.%)Zr添加后,虽然高密度的等轴细晶粒晶界一定程度上提供了积极的腐蚀屏障效果,但粗化的富Zr粒子与基体间的微电偶腐蚀占主导,加速了局部腐蚀破坏;有趣的是,当略微过量(1.0 wt.%)的Zr添加后,获得的均匀等轴晶与细富Zr粒子形成了致密均匀且连续的腐蚀产物膜,有效抑制了局部腐蚀的发展,并最终形成均匀腐蚀模式,该腐蚀特征与不添加Zr的基体合金相似selleck激酶抑制剂。计算表明,Mg-1.0 Yb-1.0 Zr合金在不同浸泡时长下均能保持较低的腐蚀速率,在浸泡30天后的腐蚀速率约为～2.08 mm·year~(-1)。进一步的拉伸力学性能测试表明,Zr添加能显著提升合金强度。具体的,随Zr含量增加,屈服强度从Mg-1.0 Yb合金的～29 MPa逐渐增加到～35 MPa(0.2 Zr),～53 MPa(1.0 Zr)和～89 MPa(1.5 Zr)。屈服强度的显著提升主要来源于Zr添加量增加后导致的晶粒等轴细化和富Zr粒子的析出强化。在塑性方面,当略微过量的1.0 wt.%Zr添加后延伸率从～4.8%(Mg-1.0 Yb)倍增到～9.8%,而当继续增加Zr添加量到1.5 wt.%后,延伸率下降到～7.6%,这可能是由富Zr粒子粗化造成的应力集中导致的,进一步的断口分析也验证了该猜测的合理性。随后的体外细胞毒性实验证明,1.0 wt.%和1.5 wt.%Zr添加合金的溶血率均小于5%,细胞活性均在100%左右,都呈现出良好的生物相容性。特别是Mg-1.0 Yb-1.0 Zr合金,由于合适含量的Zr添加获得的特殊微观组织特征,最终使合金在不损失耐腐蚀性能的情况下获得了力学性能的进一步提升。为揭示Mg-1.0 Yb-1.0 Zr合金在模拟体液中耐腐蚀性能的演化规律,进一步开展了不同浸泡时长下的电化学和浸泡实验。结果表明,随浸泡时间延长合金EIS中频容抗弧半径逐渐增大,阻抗模值增加,相位角峰值趋近90°,并呈现从高频向低频偏移的趋势,这表明电化学反应速率的降低。计算表明,浸泡5天后合金腐蚀速率约为2.67 mm·year~(-1),较刚浸泡时减小3倍以上。随后的浸泡实验也证明,随浸泡时间的延长,腐蚀层完整性和合金整体耐腐蚀性能获得了显著提升。基于双电层理论对合金腐蚀性能演化特征的解析表明,随浸泡时间的增加双电层电容值减小immunoglobulin A,电荷转移电阻增加,表明合金内层保护性腐蚀产物层的增厚,电荷转移难度增加,最终导致合金随浸泡时间延长腐蚀速率的降低和耐腐蚀性能提升。综合以上,Zr添加可显著影响Mg-1.0 Yb铸态合金微观组织、第二相尺寸/分布、腐蚀行为和力学性能。得益于合适含量的Zr添加,Mg-1.0 Yb-1.0 Zr合金获得了优异的耐腐蚀性能和力学性能的匹配。鉴于其良好的成本优势,可作为医用可植入材料的理想备选,具有较好的应用前景。