随着社会发展和人口结构的变化，骨损伤患者数量逐年递增。骨缺损修复材料中，镁合金因兼具生物相容性、骨诱导性、可生物降解性和与天然骨相近的力学性能，在骨缺损修复领域得到广泛关注。但是，镁合金在体内降解过快的问题严重限制了其临床应用。在提高镁合金耐蚀性的方法中，表面改性及涂层技术可以在不改变微观结构特征的情况下，通过建立腐蚀屏障，将镁基体与电解质隔离。此外，还可以改变涂层结构，赋予材料表面新的复合性能，进一步增强生物医用镁合金的耐蚀性和生物活性，其中超音速火焰喷涂（HVOF）涂层不仅操作简单方便，而且因为工作温度低和喷涂粒子速度快，使得喷涂的涂层具有氧化程度低和孔隙率低的特点。目前已通过 HVOF 在镁合金表面制备出优质涂层。JODNA E等采用 HVOF 在 AZ31 镁合金表面制备了Cr3C2-NiCr 涂层，涂层致密均匀且与基体结合牢固，腐蚀试验结果显示涂层的质量损失率较基体减小了0.041%。
铁基非晶合金由于其独特的原子排列方式，没有晶态金属中常见的晶界和位错等缺陷，因此表现出很高的强度、硬度以及优异的耐腐蚀性和耐磨损性能。此外，铁基非晶合金生产成本低，非晶形成能力好，而且不含对生物有毒、有害的元素，具有作为生物材料应用的潜质，但非晶合金的应用一直受到尺寸的限制。涂层表面改性技术的发展为非晶合金的应用提供了新的方向，目前研究者在HVOF制备铁基非晶涂层研究方面取得显著成果。SUN Y等以Ni60作为中间层，采用HVOF在LA141镁合金基体上制备了铁基非晶涂层，电化学测试显示涂层的阻抗模量为8 691 Ω·cm2，明显高于镁合金的273 Ω·cm2，证明铁基非晶涂层具有比镁合金更好的耐蚀性。
骨缺损修复一般分为3个阶段，包括炎症期、修复期和重建期。在前两个阶段，骨折部位几乎无法承重，需要骨植入物提供足够的支撑保护骨折部位。因此，要求骨植入物具有缓慢的腐蚀速率来维持足够的强度，骨植入物的降解速度应小于0.5 mm/a。
兰州理工大学研究团队在2024年第44卷第1期《特种铸造及有色合金》期刊上发表了“镁合金表面喷涂铁基非晶涂层在模拟体液中的耐蚀性”的文章，作者采用超音速火焰喷涂（HVOF）技术在ZK60A镁合金表面沉积Fe78Si9B13非晶涂层，对涂层的组织结构进行表征，并利用电化学动电位极化和阻抗测试研究了非晶涂层在模拟体液（SBF）中的腐蚀行为。结果表明，涂层致密均匀，与基体结合良好，非晶占比高，孔隙率小。动电位极化测试结果显示涂层腐蚀速率远低于镁合金基体，且低于骨缺损修复前两阶段的降解速率上限，阻抗谱分析结果与极化曲线对应，涂层在 SBF 中的耐蚀性明显高于镁合金基体。
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【研究方法】
试验所用喷涂材料为氩气雾化法制备出的粒径为 5~30 nm的球形或椭球形 Fe78Si9B13 非晶合金粉末。基体材料是尺寸为 15 mm×15 mm×5 mm 的 ZK60A 镁合金薄板。在喷涂前，用9060 型喷砂机对基体表面进行喷砂粗化处理。采用HV-80-JP型超音速火焰喷涂设备制备涂层，以煤油为燃料，O2为助燃气体，O2流量为850 L/min，煤油流量为22 L/h，喷涂距离为300 mm，送粉速率为35 g/min。
采用CS350M型电化学工作站对涂层和镁合金基体在SBF中的动电位极化和阻抗进行测试。电化学测量采用三电极体系，涂层或镁合金试样为工作电极，铂电极为辅助电极，参比电极为饱和AgCl电极。测试前将试样放入SBF溶液中保持30 min，使得开路电位达到稳定，极化曲线测试扫描速率为50 mV/min，在100 kHz~10 MHz频率范围内调整电化学阻抗谱分析。
【研究结果】
图1 Fe78Si9B13非晶粉末和涂层的XRD图谱
Fig.1 XRD patterns of Fe78Si9B13 amorphous powder and coating
图2 Fe78Si9B13 非晶涂层的OM和SEM
Fig.2 OM and SEM morphologies of Fe78Si9B13 amorphous coating
图3 铁基非晶涂层和镁合金基体的维氏硬度和涂层与基体结合界面处的硬度压痕图像
Fig.3 Vickers hardness of Fe-based amorphous coating and magnesium alloy substrate and indentation image of hardness at the interface between coating and substrate
图4 ZK60A 镁合金基板和铁基非晶涂层在 SBF 中的电化学测试结果
Fig.4 Electrochemical test results of ZK60A magnesium alloy substrate and Fe-based amorphous coating in SBF
图5 拟合EIS 图的等效电路模型
Fig.5 Equivalent circuit model by fitting EIS diagram
图6 电化学腐蚀后涂层截面和表面形貌
Fig.6 Cross-sectional and surface morphology of the coating after electrochemical corrosion
【研究结论】
（1）采用超音速火焰喷涂在ZK60A镁合金表面沉积了约130 μm厚的涂层，涂层非晶占比为75.97%，孔隙率为1%，涂层中熔滴铺展良好，没有明显的孔隙聚集和裂纹，涂层与基体结合强度良好。
（2）动电位极化测试结果显示，非晶涂层降解速率为0.084 mm/a，低于镁合金基体，且低于骨缺损修复前期的降解速率上限要求（0.5 mm/a）。此外，涂层具有良好的钝化能力。阻抗谱分析结果与极化曲线结果一致，非晶涂层在SBF中的耐腐蚀性明显优于镁合金基体。电化学腐蚀试验后涂层未被穿透，涂层与镁合金基体间不存在腐蚀。
【引用格式】
何鹏，袁子洲，张香云，等. 镁合金表面喷涂铁基非晶涂层在模拟体液中的耐蚀性［J］. 特种铸造及有色合金，2024，44（1）：55-58.
Citation:HE P，YUAN Z Z，ZHANG X Y，et al. Corrosion resistance of Fe-based amorphous coating on magnesium alloy surface in simulated body fluid［J］. Special Casting & Nonferrous Alloys，2024，44（1）：55-58.