Zr-Cu-(Nb)-Ag-Al-Be大块金属玻璃耐腐蚀性能的研究

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Zr基金属玻璃具有大的玻璃形成能力、高的热稳定性、高强度和低弹性模量等优异性能。然而其不耐Cl-腐蚀的问题严重制约其作为生物医用材料和结构材料的应用前景。针对这个问题,本文对提高Zr-Cu-(Nb)-Ag-Al-Be体系大块金属耐Cl-腐蚀能力展开了系统的研究,获得了以下主要成果:(1)Nb对Cu的部分取代降低该体系金属玻璃的玻璃形成能力和热稳定性。极化曲线和浸泡实验表明Nb取代Cu提高材料在0.5M NaCl、0.1 M HCl和0.5 M H2SO4溶液中的耐腐蚀性能,特别是抗Cl-点蚀能力得到显著提高,并对0.5MNaCl钝化。在含Cl-溶液中,Cu优先发生腐蚀溶解,破坏氧化膜,发生点蚀。Nb的加入有效抑制点蚀的形核和Cu的腐蚀溶解。X射线光电子能谱研究发现:样品表面Zr、Al、Be富集,Cu、Ag、Nb贫化;空气中自然形成层状结构的氧化膜,最外层为ZrO2、BeO、Al2O3、Cu2O、Ag2O和Nb2O5氧化物,中间层为NbO2、NbO、ZrO和Zr2O氧化物与金属态组元,里层为金属态基体和Zr的低价氧化物;含Nb样品浸泡中形成的钝化膜中含大量氢氧化物,Nb含量比浸泡前的氧化膜高,并且由浸泡前的Nb4+和Nb5+共存变成全部以Nb5+。综上,Nb2O5的存在使含Nb样品的氧化膜比不含Nb样品更致密,有效抑制Cu的溶解和Cl的扩散穿透,明显提高耐Cl-腐蚀性能。(2) Zr-Cu-(Nb)-Ag-Al-Be大块金属玻璃热氧化后:样品表面生成0.3~0.4μm厚的氧化层,层内Al和O富集;含Nb样品点蚀电位和自然腐蚀电位明显增大,不含Nb样品极化曲线却无明显变化;浸泡实验中样品表面的腐蚀坑密度显著降低,腐蚀坑内Cu富集、Zr贫化。X射线光电子能谱结果显示热氧化后含Nb样品表面含有Nb2O5和更低的Cu含量,而其它元素与不含Nb样品相似。因此,热氧化能更显著地改善含Nb样品耐蚀性能的原因可能是含Nb2O5的氧化膜更加致密,以及该氧化层能更有效阻碍Cl-扩散。
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