高铬铁基非晶合金的设计及其磨损腐蚀性能研究

发布时间：2020-03-26 11:12

【摘要】：铁基非晶合金因其高强度、高硬度以及优异的耐蚀耐磨性能而受到广泛关注,并且在表面防护涂层领域展现出诱人的应用前景。但近年来一些研究表明,铁基非晶合金及涂层材料在极端服役环境下(重载、冲击或腐蚀磨损等)的性能仍不尽人意。开展新型高耐蚀耐磨的非晶合金体系的设计与性能研究是解决上述问题的最有效途径之一。因此,本论文主要通过在典型铁基非晶合金体系中进行成分优化,通过调控Cr与Mo含量,建立成分-性能关联性,达到同时优化非晶合金的耐腐蚀与耐磨损性能的目的,并深入研究其腐蚀磨损机理。本论文选取Fe_(48)Cr_(15)Mo_(14)C_(15)B_6Y_2铁基非晶合金为基础体系,采用电弧熔炼/铜模吸铸的方法,制备出系列Fe_(77-x-y)Cr_xMo_yC_(15)B_6Y_2(x=15-23;y=14-18)铁基非晶合金样品。利用X射线衍射仪(XRD)、差热分析系统(DTA)、扫描电子显微镜(SEM)、激光共聚焦显微镜(LSCM)、透射电子显微镜(TEM)、万能力学试验机、显微维氏硬度计、超声回波材料表征系统、摩擦磨损试验机、电化学工作站、X射线光电子能谱仪(XPS)等实验手段系统研究了块体铁基非晶合金的力学性能、摩擦性能、腐蚀性能。研究表明,随Cr和Mo含量的增加,FeCrMoCBY非晶合金的热稳定性和显微硬度呈线性增加,但断裂韧性没有显著降低。进一步发现非晶合金的硬度与弹性模量呈线性正比关系,而断裂韧性随着剪切模量/体模量(G/B)之比的增加略微下降。干态环境下的摩擦磨损性能测试结果表明,随Cr含量的增加,耐磨性变化较大;而随Mo含量的增加,耐磨性总体上有提高的趋势。发现铁基非晶合金的摩擦机制主要有两种,一种是硬度控制的磨粒磨损,一种是断裂韧性控制的亚表层裂纹萌生及分层剥离。发现铁基非晶合金的耐磨性与Kc~(3/4)Hv~(1/2)之间呈现近似线性的正比关系。优化出的最佳非晶合金成分为Fe_(36)Cr_(23)Mo_(18)C_(15)B_6Y_2,其具有非常优异的综合性能,包括了高非晶形成能力(8 mm),高热稳定性(T_g=900 K),高硬度(Hv_(300g)=1335),其耐磨性超过当前最耐磨的铁基非晶合金体系。此外,本论文还系统研究了上述最优非晶合金的腐蚀性能。王水浸泡实验结果表明Fe_(36)Cr_(23)Mo_(18)C_(15)B_6Y_2非晶合金的腐蚀速率低于1.0mm/a;电化学极化测试结果表明Fe_(36)Cr_(23)Mo_(18)C_(15)B_6Y_2非晶合金比Fe_(48)Cr_(15)Mo_(14)C_(15)B_6Y_2非晶合金具有更快的钝化膜形成速率和更长的点蚀孕育期,表明前者具有更优异的耐蚀性能。XPS研究结果表明,Fe_(36)Cr_(23)Mo_(18)C_(15)B_6Y_2非晶合金的钝化膜成分主要是低价态的Cr~(3+)、Fe~(2+)、Mo~(4+);此外,通过FIB/TEM直接观察了Fe_(36)Cr_(23)Mo_(18)C_(15)B_6Y_2非晶合金表面的钝化膜,发现钝化膜具有双层结构,内层是富Cr的氧化物,外层是Fe的氧化物或氢氧化物。分析认为,钝化膜的双层结构与钝化膜中较多的Cr~(3+)和Mo~(4+)是新非晶合金体系具有更佳耐蚀性能的主要原因。
【图文】：

程有序的原子排列，，但是又不具备晶态材料的平移对称性。非晶合金，又称金属玻璃，是将合金熔体通过某种快速冷却方法，冻结液态原子长程无序结构而得到的一类新型金属材料。非晶态材料的微观结构（如图1-1）不同于晶态材料的周期性排列，也缺少准晶态材料的五重对称性，它只在几个原子范围内存在一定的有序度，即短程有序。因为非晶合金没有空位、位错、晶界等缺陷，是一种明显区别于晶态的均匀无序的结构，而且非晶合金原子间主要是通过金属键连接，故使其兼具了金属和玻璃的双重性质。非晶合金的力学性能、耐磨性能、耐蚀性能、磁性能优异，是继钢铁、塑料后的第三代革命性材料。图1-1 （a）晶态材料和（b）非晶态材料原子排布的区别[1]Fig. 1-1 The difference of atomic packing between (a) crystal and (b) amorphous alloys[1]

临界冷却速度在反应合金的非晶形成能力上最为准确，但是其测量困难。不同非晶形成能力的合金冷却温度—时间—转变曲线如图1-2所示。图1-2不同非晶形成能力的合金“温度—时间—转变”（TTT）曲线图[24]Fig. 1-2 Schematic temperature—time—transformation（TTT）diagrams of different glass-formingability BMG[24]（2）临界尺寸（Dc）临界尺寸是合金能够用熔体急冷法制备出完全非晶态（不含纳米晶）的最大尺寸。
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG139.8

【参考文献】

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本文编号：2601362