原位内生TiZrCuNbBe非晶复合材料腐蚀行为研究

来源 :燕山大学 | 被引量 : 2次 | 上传用户:zonglijuan
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本文采用非自耗电弧炉熔炼与水冷铜模吸铸相结合的技术,制备出了具有高强度和良好延展性能的原位内生钛基非晶复合材料(Ti0.45Zr0.31Be0.17Cu0.07)100-xNbx(x=4,6,8,10和12)。选择不同的腐蚀介质,测试了钛基非晶合金及其复合材料的电化学动电位极化曲线和交流阻抗谱,并通过化学浸泡试验测试了其重量损失及腐蚀速率。用X射线衍射仪(XRD),透射电子显微镜(TEM),扫描电子显微镜(SEM),能谱仪(EDS),原子力显微镜(AFM)以及X射线光电子能谱(XPS)等技术手段,对钛基非晶合金及其复合材料的相组成、微观组织与结构、腐蚀前后的表面形貌、表面粗糙度以及元素分布状态进行了分析表征。研究了钛基非晶复合材料在不同溶液中的腐蚀行为并分析讨论了Nb元素对非晶复合材料树枝晶的形成及其对腐蚀行为的影响。通过对钛基非晶复合材料在HCl、NaCl、NaOH以及H2SO4中的腐蚀行为的研究发现,腐蚀溶液的特性和材料的组成元素对钛基非晶复合材料的腐蚀行为有重要的影响。试验结果显示,随着腐蚀液浓度的增加,非晶复合材料的耐腐蚀性能降低;在含有氯离子的腐蚀介质中,由于氯离子的局部吸附作用使得电化学腐蚀后的试样表面出现了明显的点蚀坑;在NaOH溶液中,由于Be在碱性环境下的高反应活性,与OH-相结合生成易溶解的产物,使得经过电化学腐蚀后的试样表面产生大量的腐蚀凹痕;而经过H2SO4溶液电化学腐蚀之后的试样表面则呈现了分布不一的腐蚀黑斑,这是由于Nb元素含量不同,导致电化学腐蚀后表面钝化膜中氧化物含量不同,使钝化膜的保护性能产生差异造成的。通过XPS对腐蚀试样表面元素的分布与含量进行测试分析发现,在腐蚀试样的表面都程度不同的存在着氧元素,表明在腐蚀试样表面形成的氧化物是影响钛基非晶复合材料耐腐蚀性能的重要因素。Nb是促进和稳定钛基非晶复合材料中第二相树枝晶的形成以及调控树枝晶的尺寸和形貌的重要元素,对钛基非晶复合材料的腐蚀性能影响甚大。在含有氯离子的腐蚀介质中,随着Nb元素含量的增加,钛基非晶复合材料的耐点蚀性能逐渐提高,其对应点蚀电位从59 mV提高至1211 mV。当Nb元素的含量为8 at.%时,复合材料在NaCl、NaOH以及H2SO4三种不同的腐蚀性溶液中均显示出最佳的耐腐蚀性能,其腐蚀电流密度分别为2.7(±0.06)×10-8、2.4(±0.30)×10-8和1.3(±0.17)×10-8 A/cm2。结果表明钛基非晶复合材料在H2SO4溶液中具有最好的耐腐蚀能力。钛基非晶复合材料第二相树枝晶的尺寸、形貌和含量多少,对复合材料的耐腐蚀能力有重要的影响。通过对直径为3 mm,5 mm,8 mm和10 mm的钛基非晶复合材料(Ti43.2Zr29.8Cu6.7Nb4Be16.3)中树枝晶含量进行测试分析发现,随着复合材料直径的增加,树枝晶尺寸从大约3.21μm增加至32.28μm左右,其含量分布在5057%。此时,非晶复合材料的耐腐蚀性能则随着树枝晶的尺寸与含量的增大而降低,这意味着树枝晶的尺寸与含量对钛基非晶复合材料的腐蚀特性有重要的影响,归根到底是由于电化学腐蚀后表面膜中元素状态不同造成的。本文最后通过电化学腐蚀和化学浸泡方法分别对钛基非晶合金及钛基非晶复合材料,316不锈钢,钛合金和锆合金在不同的腐蚀介质中的腐蚀行为进行了对比研究,测试了上述合金材料在HCl溶液中的腐蚀速率和重量损失,得出钛基非晶合金的耐腐蚀性能明显优于钛基非晶复合材料;而钛基非晶复合材料的耐腐蚀性能要优于传统的316耐腐蚀不锈钢,但是相对锆合金和钛合金较差。通过本文的研究,可为钛基非晶合金及钛基非晶复合材料在耐腐蚀工程领域的应用提供有价值的工艺参数和理论支持。
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