高强耐蚀可降解Mg-Zn-Mn-Ca合金：动态析出诱导晶粒细化与腐蚀膜协同强化机制

这篇研究通过多尺度表征技术（OM/SEM/TEM）系统探究了挤压态Mg-3Zn-(0.5Mn,1.2Ca)合金的微观结构演化与性能调控机制。研究发现Mn和Ca的添加通过调控动态析出行为（析出相体积分数达4.3%），协同实现晶粒细化（从17μm降至3.9μm）与腐蚀性能提升，使Mg-3Zn-0.5Mn-1.2Ca合金获得UTS 250MPa/YS 180MPa/延伸率26%的优异力学性能，并形成稳定致密的Ca2Mg6Zn3相腐蚀产物膜。该研究为开发"纳米析出相-晶界结构-腐蚀膜"多级协同强化的可降解镁基植入材料提供了理论依据。

　　

Highlight

本研究通过低温挤压（220℃）和低合金化设计协同调控Mg-Zn-Mn-Ca合金的动态析出行为，显著细化晶粒结构、弱化基面织构、均匀分布第二相并形成均质腐蚀产物膜。最终通过动态析出诱导晶粒细化与腐蚀膜形成的协同效应，实现了合金力学性能和腐蚀性能的同步提升。

Material preparation

ZMX301合金（Mg-3Zn-0.5Mn-1.2Ca）采用高纯Mg（99.9wt%）、Zn（99.9wt%）及Mg-25Ca/Mg-25Mn中间合金在SF₆/CO₂保护气氛下熔铸制备。具体流程为：原料在720℃熔炼保温30分钟后，降温至700℃浇注至预热模具。

Microstructure

挤压态合金均呈现动态再结晶（DRX）特征的等轴晶形态。随着元素添加种类增加，Z3、ZM30和ZMX301合金的平均晶粒尺寸从17μm逐步细化至3.9μm。Ca的引入显著促进Ca₂Mg₆Zn₃新相形成，纳米析出相体积分数达4.3%。

Strengthening and plasticity mechanisms

从成核角度看，挤压过程中的温度与压应力协同作用加速原子扩散，Ca元素通过降低形核势垒促进高密度纳米析出相（~50nm）形成。这些析出相作为有效钉扎点抑制DRX过程，同时残余位错密度提升至1.2×10¹⁴ m^-2，产生显著的析出强化效果。

Conclusions

ZMX301合金展现出250MPa极限抗拉强度（UTS）和26%延伸率的优异综合性能，其腐蚀速率在浸泡初期快速下降归因于细晶组织与高密度位错有效阻碍腐蚀离子扩散，并促进形成致密稳定的腐蚀产物膜。该研究为开发兼具高强韧性和可控降解性能的医用镁合金提供了新思路。