Modelowanie numeryczne procesu krystalizacji podczas nieizotermicznego wygrzewania oraz analiza korozji amorficznego stopu $Mg_{72}Zn_{27}Pt_{1}$ o potencjalnym przeznaczeniu biomedycznym

Abstract

Stopy magnezu, dzięki biokompatybilności i biodegradowalności, są rozważane jako materiały na implanty czasowe, jednak ich zastosowanie ogranicza szybka i niekontrolowana korozja. Struktura amorficzna, pozbawiona granic ziaren, może spowalniać roztwarzanie, choć cechuje się ograniczoną stabilnością termiczną. Celem badań było wyjaśnienie mechanizmów krystalizacji amorficznego stopu $Mg_{72}Zn_{27}Pt_{1}$ podczas nieizotermicznego wygrzewania oraz korozji w roztworze Hanka (37 °C), a także opracowanie modeli opisujących oba procesy. Stop otrzymano metodą melt-spinning. Analiza DSC wykazała, że dodatek Pt poprawia zdolność do zeszklenia i stabilność termiczną w porównaniu ze stopem $Mg_{72}Zn_{28}$ opisanym w literaturze. Krystalizacja przebiegała przez heterogeniczne zarodkowanie i wzrost kontrolowany dyfuzją, silnie zależny od szybkości nagrzewania; kolejno powstające fazy były zgodne z układem równowagi Mg-Zn (SEM, XRD). Badania korozyjne wykazały wyższy o ok. 300 mV potencjał korozyjny i ok. 20-krotnie większy opór polaryzacyjny stopu amorficznego (vs. krystaliczny) oraz odmienny przebieg degradacji. W warunkach korozji galwanicznej obserwowano selektywną degradację fazy krystalicznej. Opracowane modele matematyczne i numeryczne poprawnie odwzorowują kinetykę krystalizacji oraz wartości potencjału i gęstości prądu w układzie galwanicznym, zgodnie z wynikami eksperymentalnymi.

Magnesium alloys, owing to their biocompatibility and biodegradability, are considered for temporary implants; however, their application is limited by rapid and uncontrolled corrosion. An amorphous structure, free of grain boundaries, may slow dissolution, although its thermal stability is restricted. The aim of this study was to clarify the mechanisms of crystallization of the amorphous $Mg_{72}Zn_{27}Pt_{1}$ alloy during non-isothermal heating and its corrosion behavior in Hank’s solution (37 °C), and to develop models describing both processes. The alloy was produced by melt spinning. DSC analysis showed that Pt addition improves glass-forming ability and thermal stability compared with the $Mg_{72}Zn_{28}$ alloy reported in the literature. Crystallization proceeded via heterogeneous nucleation and diffusion-controlled growth, strongly dependent on heating rate; the formed phases were consistent with the Mg-Zn equilibrium system (SEM, XRD). Corrosion tests revealed a ~300 mV higher corrosion potential and ~20-fold higher polarization resistance of the amorphous alloy (vs. crystalline) and a different degradation behavior. Under galvanic conditions, selective degradation of the crystalline phase was observed. The developed mathematical and numerical models accurately reproduce crystallization kinetics and galvanic potential and current density values, in agreement with experimental results.