铁基非晶薄膜的制备及其结构性能研究

发布时间：2019-07-21 05:48

【摘要】：块体非晶合金(BMGs)由于其硬度高、强度高、弹性极限大以及耐磨防腐性能优异,而成为一种倍受瞩目的热门金属材料。然而当前块体非晶合金存在着两个较大的应用瓶颈——临界非晶形成的规模尺寸有限与室温环境下塑性变形的能力较差。而研究表明开发非晶合金薄膜(TFMGs)会是解决块体非晶合金以上缺点的一种非常有效的方法。本论文采用磁控溅射镀膜方法,获得了一种名义成分为Fe48Mo14Cr15Y2C15B6(at.%)的铁基非晶薄膜。分别利用X射线衍射分析仪(X-ray diffraction,XRD)、场发射扫描电子显微镜(Field emission scanning electron microscope,FSEM)、纳米压痕仪(Nano Indenter)、透射电子显微镜(Transmission electron microscopy,TEM)、显微洛氏硬度计(Rockwell Indenter)、摩擦磨损试验机(Friction/Wear Testing Machines)以及电化学工作站(Electrochemical Workstation)等实验手段系统的研究了非晶合金薄膜的微观组织结构、机械性能、耐磨损性能以及在模拟汗液环境下的腐蚀性能。具体内容如下:以薄膜的非晶相含量、溅射速率、膜结合力、纳米硬度与模量等性能指标,研究了镀膜工艺参数的影响规律,并获得了最优化的工艺参数。具体参数为:溅射时间30分钟,溅射气压0.7帕,溅射功率120瓦。该工艺参数下薄膜是非晶态,同时薄膜成分与靶材成分接近,组织结构致密,与基体结合良好,具有24.76±0.12 nm/min的最大沉积速率,约12GPa的纳米硬度。采用最佳工艺参数制备的铁基非晶薄膜,在室温下,通过微划痕实验定量表征了薄膜与基底的结合力,发现铁基非晶薄膜和304不锈钢基底之间的结合力大小约为90m N;用氮化硅球作摩擦对偶,利用微-纳摩擦试验机的线性往复模块系统评价了其耐磨性能,发现铁基非晶薄膜磨损速率(8.4×10-4 mm3 N-1m-1)以及摩擦系数(~0.2)均较小,表明铁基非晶薄膜其耐磨性能优于304不锈钢。由室温下的干态摩擦的结果可以看出,Fe基非晶薄膜以氧化磨损作为主要磨损机制,原因是该体系中的合金元素成分对于氧元素有较大亲和力。使用电化学工作站表征了Fe基非晶薄膜材料在模拟汗液环境中的腐蚀行为。研究发现,Fe基非晶薄膜在模拟汗液环境中对304不锈钢基体具有很好的保护作用,能够提高基体材料的抗点蚀能力。腐蚀形貌的观察显示腐蚀产物堆积可能是阻止点蚀坑进一步扩大的原因。对恒电位极化测试与莫特-肖特基测试的结果分析表明,Fe基非晶薄膜拥有比基体更加稳定的钝化膜,并且钝化膜厚度更大,膜中空位缺陷浓度要显著低于304不锈钢,这是其拥有优异抗点蚀敏感性的主要原因。通过对不同点蚀阶段的腐蚀形貌表面观察,我们发现在模拟汗液中,亚稳态点蚀坑成核与生长和氯离子有关,同时一旦稳态点蚀坑形成之后,点蚀会穿透薄膜,优先腐蚀下方的不锈钢衬底,最终上方的悬空薄膜会因为应力作用而断裂剥离。
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TB383.2

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本文编号：2516950