發(fā)布時間：2020-03-26 11:12

【摘要】：鐵基非晶合金因其高強度、高硬度以及優(yōu)異的耐蝕耐磨性能而受到廣泛關(guān)注,并且在表面防護(hù)涂層領(lǐng)域展現(xiàn)出誘人的應(yīng)用前景。但近年來一些研究表明,鐵基非晶合金及涂層材料在極端服役環(huán)境下(重載、沖擊或腐蝕磨損等)的性能仍不盡人意。開展新型高耐蝕耐磨的非晶合金體系的設(shè)計與性能研究是解決上述問題的最有效途徑之一。因此,本論文主要通過在典型鐵基非晶合金體系中進(jìn)行成分優(yōu)化,通過調(diào)控Cr與Mo含量,建立成分-性能關(guān)聯(lián)性,達(dá)到同時優(yōu)化非晶合金的耐腐蝕與耐磨損性能的目的,并深入研究其腐蝕磨損機理。本論文選取Fe_(48)Cr_(15)Mo_(14)C_(15)B_6Y_2鐵基非晶合金為基礎(chǔ)體系,采用電弧熔煉/銅模吸鑄的方法,制備出系列Fe_(77-x-y)Cr_xMo_yC_(15)B_6Y_2(x=15-23;y=14-18)鐵基非晶合金樣品。利用X射線衍射儀(XRD)、差熱分析系統(tǒng)(DTA)、掃描電子顯微鏡(SEM)、激光共聚焦顯微鏡(LSCM)、透射電子顯微鏡(TEM)、萬能力學(xué)試驗機、顯微維氏硬度計、超聲回波材料表征系統(tǒng)、摩擦磨損試驗機、電化學(xué)工作站、X射線光電子能譜儀(XPS)等實驗手段系統(tǒng)研究了塊體鐵基非晶合金的力學(xué)性能、摩擦性能、腐蝕性能。研究表明,隨Cr和Mo含量的增加,FeCrMoCBY非晶合金的熱穩(wěn)定性和顯微硬度呈線性增加,但斷裂韌性沒有顯著降低。進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)非晶合金的硬度與彈性模量呈線性正比關(guān)系,而斷裂韌性隨著剪切模量/體模量(G/B)之比的增加略微下降。干態(tài)環(huán)境下的摩擦磨損性能測試結(jié)果表明,隨Cr含量的增加,耐磨性變化較大;而隨Mo含量的增加,耐磨性總體上有提高的趨勢。發(fā)現(xiàn)鐵基非晶合金的摩擦機制主要有兩種,一種是硬度控制的磨粒磨損,一種是斷裂韌性控制的亞表層裂紋萌生及分層剝離。發(fā)現(xiàn)鐵基非晶合金的耐磨性與Kc~(3/4)Hv~(1/2)之間呈現(xiàn)近似線性的正比關(guān)系。優(yōu)化出的最佳非晶合金成分為Fe_(36)Cr_(23)Mo_(18)C_(15)B_6Y_2,其具有非常優(yōu)異的綜合性能,包括了高非晶形成能力(8 mm),高熱穩(wěn)定性(T_g=900 K),高硬度(Hv_(300g)=1335),其耐磨性超過當(dāng)前最耐磨的鐵基非晶合金體系。此外,本論文還系統(tǒng)研究了上述最優(yōu)非晶合金的腐蝕性能。王水浸泡實驗結(jié)果表明Fe_(36)Cr_(23)Mo_(18)C_(15)B_6Y_2非晶合金的腐蝕速率低于1.0mm/a;電化學(xué)極化測試結(jié)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鈍化膜形成速率和更長的點蝕孕育期,表明前者具有更優(yōu)異的耐蝕性能。XPS研究結(jié)果表明,Fe_(36)Cr_(23)Mo_(18)C_(15)B_6Y_2非晶合金的鈍化膜成分主要是低價態(tài)的Cr~(3+)、Fe~(2+)、Mo~(4+);此外,通過FIB/TEM直接觀察了Fe_(36)Cr_(23)Mo_(18)C_(15)B_6Y_2非晶合金表面的鈍化膜,發(fā)現(xiàn)鈍化膜具有雙層結(jié)構(gòu),內(nèi)層是富Cr的氧化物,外層是Fe的氧化物或氫氧化物。分析認(rèn)為,鈍化膜的雙層結(jié)構(gòu)與鈍化膜中較多的Cr~(3+)和Mo~(4+)是新非晶合金體系具有更佳耐蝕性能的主要原因。
【圖文】：

程有序的原子排列，，但是又不具備晶態(tài)材料的平移對稱性。非晶合金，又稱金屬玻璃，是將合金熔體通過某種快速冷卻方法，凍結(jié)液態(tài)原子長程無序結(jié)構(gòu)而得到的一類新型金屬材料。非晶態(tài)材料的微觀結(jié)構(gòu)（如圖1-1）不同于晶態(tài)材料的周期性排列，也缺少準(zhǔn)晶態(tài)材料的五重對稱性，它只在幾個原子范圍內(nèi)存在一定的有序度，即短程有序。因為非晶合金沒有空位、位錯、晶界等缺陷，是一種明顯區(qū)別于晶態(tài)的均勻無序的結(jié)構(gòu)，而且非晶合金原子間主要是通過金屬鍵連接，故使其兼具了金屬和玻璃的雙重性質(zhì)。非晶合金的力學(xué)性能、耐磨性能、耐蝕性能、磁性能優(yōu)異，是繼鋼鐵、塑料后的第三代革命性材料。圖1-1 （a）晶態(tài)材料和（b）非晶態(tài)材料原子排布的區(qū)別[1]Fig. 1-1 The difference of atomic packing between (a) crystal and (b) amorphous alloys[1]

臨界冷卻速度在反應(yīng)合金的非晶形成能力上最為準(zhǔn)確，但是其測量困難。不同非晶形成能力的合金冷卻溫度—時間—轉(zhuǎn)變曲線如圖1-2所示。圖1-2不同非晶形成能力的合金“溫度—時間—轉(zhuǎn)變”（TTT）曲線圖[24]Fig. 1-2 Schematic temperature—time—transformation（TTT）diagrams of different glass-formingability BMG[24]（2）臨界尺寸（Dc）臨界尺寸是合金能夠用熔體急冷法制備出完全非晶態(tài)（不含納米晶）的最大尺寸。
【學(xué)位授予單位】：華中科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TG139.8

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2601362