鐵基非晶合金因其高強度,高硬度以及優異的耐蝕耐磨性能而受到廣泛關注,并且在表面防護涂層領域展現出誘人的應用前景.但近年來一些研究表明,鐵基非晶合金及涂層材料在服役環境下(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計與性能研究是解決上述問題的途徑之一.因此,本論文主要通過在典型鐵基非晶合金體系中進行成分優化,通過調控Cr與Mo含量,建立成分-性能關聯性,達到同時優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(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),力學試驗機,顯微維氏硬度計,超聲回波材料表征系統,摩擦磨損試驗機,電化學工作站,X射線光電子能譜儀(XPS)等實驗手段系統研究了塊體鐵基非晶合金的力學性能,摩擦性能,腐蝕性能.研究表明,隨Cr和Mo含量的增加,FeCrMoCBY非晶合金的熱穩定性和顯微硬度呈線性增加,但斷裂韌性沒有顯著降低.進一步發現非晶合金的硬度與彈性模量呈線性正比關系,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.干態環境下的摩擦磨損性能測試結果表明,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.發現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.發現鐵基非晶合金的耐磨性與Kc~(3/4)Hv~(1/2)之間呈現近似線性的正比關系.優化出的非晶合金成分為Fe_(36)Cr_(23)Mo_(18)C_(15)B_6Y_2,其具有非常優異的綜合性能,包括了高非晶形成能力(8 mm),高熱穩定性(T_g=900 K),高硬度(Hv_(300g)=1335),其耐磨性超過當前最耐磨的鐵基非晶合金體系.此外,本論文還系統研究了上述非晶合金的腐蝕性能.王水浸泡實驗結果表明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;電化學極化測試結果表明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,表明前者具有更優異的耐蝕性能.XPS研究結果表明,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,發現鈍化膜具有雙層結構,內層是富Cr的氧化物,外層是Fe的氧化物或氫氧化物.分析認為,鈍化膜的雙層結構與鈍化膜中較多的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.
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關鍵詞：
鐵基非晶合金；成分設計；彈性常數；硬度；斷裂韌性；摩擦；腐蝕；鈍化膜
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