Serghei Dobatkin

1 А.А. Institutul Baikov de Metalurgie și Știința Materialelor din RAS, Moscova 119334, Rusia; [email protected] (S.D.); ur.xednay@nartemi (D.P.); ur.liam@gitaf (V.T.)

proprietăți

2 Universitatea Națională de Știință și Tehnologie „MISIS”, Moscova 119049, Rusia; ur.tsil@avomisina_n (NA); ur.xobni@elesik (M.K.)

Natalia Martynenko

1 А.А. Institutul Baikov de Metalurgie și Știința Materialelor din RAS, Moscova 119334, Rusia; [email protected] (S.D.); ur.xednay@nartemi (D.P.); ur.liam@gitaf (V.T.)

2 Universitatea Națională de Știință și Tehnologie „MISIS”, Moscova 119049, Rusia; ur.tsil@avomisina_n (NA); ur.xobni@elesik (M.K.)

Natalia Anisimova

2 Universitatea Națională de Știință și Tehnologie „MISIS”, Moscova 119049, Rusia; ur.tsil@avomisina_n (NA); ur.xobni@elesik (M.K.)

3 Н.Н. Centrul național de cercetare medicală oncologică Blokhin al Ministerului Sănătății al Federației Ruse, Moscova 115478, Rusia

Mihail Kiselevskiy

2 Universitatea Națională de Știință și Tehnologie „MISIS”, Moscova 119049, Rusia; ur.tsil@avomisina_n (NA); ur.xobni@elesik (M.K.)

3 Н.Н. Centrul național de cercetare medicală oncologică Blokhin al Ministerului Sănătății al Federației Ruse, Moscova 115478, Rusia

Dmitriy Prosvirnin

1 А.А. Institutul Baikov de Metalurgie și Știința Materialelor din RAS, Moscova 119334, Rusia; [email protected] (S.D.); ur.xednay@nartemi (D.P.); ur.liam@gitaf (V.T.)

Vladimir Terentiev

1 А.А. Institutul Baikov de Metalurgie și Știința Materialelor din RAS, Moscova 119334, Rusia; [email protected] (S.D.); ur.xednay@nartemi (D.P.); ur.liam@gitaf (V.T.)

Nikita Yurchenko

4 Belgorod National Research University, Belgorod 308015, Rusia; ur.ude.usb@atikin_oknehcruy (N.Y.); ur.ude.usb@vehchsilas (G.S.)

Gennady Salishchev

4 Belgorod National Research University, Belgorod 308015, Rusia; ur.ude.usb@atikin_oknehcruy (N.Y.); ur.ude.usb@vehchsilas (G.S.)

Yuri Estrin

5 Departamentul de Știința și Ingineria Materialelor, Universitatea Monash, Melbourne 3800, Australia; [email protected]

6 Departamentul de Inginerie Mecanică, Universitatea din Western Australia, Nedlands 6907, Australia

Abstract

În această lucrare, a fost studiat efectul unei structuri cu granulație ultrafină (UFG) obținută prin deformare multiaxială (MAD) asupra proprietăților mecanice, rezistenței la oboseală, biodegradării și biocompatibilității in vivo a aliajului de magneziu WE43. S-a demonstrat că rafinarea cerealelor până la 0,93 ± 0,29 µm și formarea particulelor de fază Mg41Nd5 cu o dimensiune medie de 0,34 ± 0,21 µm ridică rezistența finală la tracțiune la 300 MPa. În plus, MAD a îmbunătățit ductilitatea aliajului, mărind alungirea totală de la 9% la 17,2%. Un efect pozitiv suplimentar al MAD a fost creșterea rezistenței la oboseală a aliajului de la 90 la 165 MPa. Formarea structurii UFG a redus, de asemenea, rata de biodegradare a aliajului atât în ​​condiții in vitro, cât și in vivo. Pierderea relativă de masă după șase săptămâni a experimentului a fost de 83% și 19% in vitro și 46% și 7% in vivo pentru aliajul inițial și respectiv deformat. Acumularea hidrogenului și formarea de mase necrotice au fost observate după implantarea probelor de aliaj în ambele condiții. În ciuda acestor fenomene dăunătoare, în zonele de implantare a fost observată înlocuirea dorită a implantului și a cavității înconjurătoare cu țesut conjunctiv nou.

1. Introducere

Una dintre cele mai interesante metode pentru obținerea stării UFG în metale și aliaje este deformarea multiaxială (MAD) sau, așa cum se numește adesea, forjarea izotermă multistep. Această procedură include un set de operații de supărare, înclinare și extragere, în urma cărora are loc o rafinare eficientă a boabelor. Această procedură a fost utilizată pe scară largă, de exemplu, pentru a îmbunătăți proprietățile aliajelor de aluminiu [18,19] și titan [20]. În plus, eficacitatea utilizării acestei metode de procesare pentru rafinarea cerealelor în aliajele de magneziu până la starea UFG a fost demonstrată în [12,21,22,23,24,25,26,27,28,29,30]. Astfel, Li și colab. [26] a arătat că aplicarea MAD pe aliaj Mg-2% Zn-2% Gd permite obținerea unei microstructuri foarte fine cu mărimea medie a bobului de

500 nm. Acest lucru poate fi văzut ca o indicație că ar trebui să fie posibilă producerea unei structuri UFG în aliaje de magneziu aliate cu metale din pământuri rare prin utilizarea MAD. În acest caz, structura cauzată de MAD este destul de omogenă, ceea ce afectează pozitiv stabilitatea proprietăților finale. De asemenea, merită menționat faptul că efectul MAD asupra structurii și proprietăților aliajului WE43 a fost deja luat în considerare în [12,21,29,30]. Cu toate acestea, conform acestor articole, autorii nu au reușit să realizeze formarea unei structuri UFG în aliajul investigat. Dimensiunea boabelor obținute prin procesarea MAD în aceste cazuri a fost de 4,8 µm [12] și 6 µm [30]. Acest grad relativ scăzut de rafinare a cerealelor poate fi asociat cu temperatura ridicată de procesare, care a împiedicat acumularea unei densități de dislocare suficient de ridicate. Cu toate acestea, un efect semnificativ de întărire a fost observat după MAD. Observăm că, în lucrările citate, aliajul nu a fost studiat în ceea ce privește utilizarea sa potențială ca material de implant medical.

În lucrările anterioare, am testat biocompatibilitatea aliajului de magneziu WE43 în stare omogenizată in vitro și in vivo și am evaluat rata de biodegradare a acestuia într-un fluid corporal standard simulat reprezentat de serul bovin fetal [34]. Pe baza nivelului de hemoliză și citotoxicitate, aliajul a fost clasificat drept unul biocompatibil. Alți cercetători au ajuns la o concluzie similară [35]. Aceste date motivează investigarea în continuare a biocompatibilității aliajului WE43 întărit cu SPD.

Scopul prezentei lucrări a fost de a studia efectul deformării multiaxiale asupra comportamentului aliajului de magneziu WE43 din punctul de vedere al adecvării acestuia pentru aplicații de implant medical. În acest scop, pe lângă efectul MAD asupra proprietăților de microstructură și de întindere ale aliajului, a fost efectuată rezistența la oboseală, biodegradarea și biocompatibilitatea in vivo. Profilul proprietății rezultat, care prezintă interes pentru aplicarea aliajului în implanturi medicale, este prezentat mai jos.

2. Materiale și metode

Am folosit un aliaj comercial de magneziu WE43 care conține, conform analizei chimice, 3,56% Y, 2,20% Nd și 0,47% Zr (% în greutate) ca material pentru studiu. Aliajul turnat a fost omogenizat la 525 ° C timp de 8 ore, apoi extrudat la 430 ° C cu un raport de extrudare de 6,6 pentru a da piesei de prelucrat forma dorită și a fost recosit la 525 ° C timp de 8 ore. A urmat răcirea cu aer. Viteza de răcire a fost suficientă pentru a obține o soluție solidă suprasaturată în acest aliaj. În continuare, starea aliajului după acest tratament va fi denumită starea inițială. Deformarea multiaxială a fost efectuată pe eșantioane cilindrice cu un diametru de 25 mm și o lungime de 40 mm în treceri multiple (până la 28). Aceasta corespunde unei tulpini adevărate echivalente cumulate de 17,5. Acest lucru a fost însoțit de o scădere treptată a temperaturii de procesare de la 450 ° C la 300 ° C (Figura 1). Deformarea a fost efectuată pe o mașină de testare statică hidraulică Instron 300LX (Instron, High Wycombe, Marea Britanie) cu o rată de deformare de 2 mm/min.