Y元素的添加及冷却速率对Zr基非晶合金性能的影响

来源 :兰州理工大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:songjuan119004
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目前,Zr基非晶合金优异的玻璃形成能力和力学性能使其成为非晶界的研究热点,但当块体非晶所承受载荷达到弹性极限后,无法承受更大的载荷就突然断裂,宏观变形表现为灾难性脆性断裂。无论是作为结构材料,还是功能材料(主要指的是生物材料),有限的塑性都极大限制了其广泛运用。同时,要将非晶材料广泛运用,那么其在应用环境中拥有良好的耐蚀性就显得尤为重要了,如果材料在应用过程中易发生腐蚀而被破坏,那么研究材料其他的性能也就显得有一些徒劳了。  微合金化是提高非晶合金玻璃形成能力的有效途径,同时也是改善力学性能以及耐腐蚀性能的有效方法。本文运用铜模吸铸法制备了一系列不含 Ni、Cu有毒元素的Zr56Co28Al16非晶合金为研究对象,研究了Y元素的添加对Zr56Co28Al16非晶合金热稳定性、结构和力学性能的影响,同时研究了 Y元素的添加对Zr56Co28Al16非晶合金在模拟体液(Phosphate Buffer Solution)中耐蚀性能的影响,深入研究了其影响机理。最后,因为冷却速率直接决定着非晶合金中自由体积的含量(free volume),而自由体积的大小对非晶合金的性能有重要的影响。因此,本文选择最佳的 Y元素添加量(Zr56Co28Al16)98Y2非晶合金,研究了冷却速率对其热稳定性、结构、力学性能和耐蚀性能的影响。研究结果表明:  (1)适量Y元素的添加提高了Zr56Co28Al16非晶合金的热稳定性和力学性能,热稳定性的提高表现为过冷液相区宽度(△Tx)和玻璃转变温度(Tg)的提高,力学性能的提高表现为压缩断裂强度(σf)和塑性变形量(εp)的显著提高,这是因为Y元素和基础元素Zr间正的混合焓引入了化学成分不均匀微结构。但过量Y元素(4%)的添加促使非晶基体上析出脆性的金属间化合物,反而降低了其力学性能,同时热稳定性降低;  (2)(Zr56Co28Al16)100-xYx(x=0,1,2,4)非晶合金在PBS溶液中均发生钝化,Y元素的添加显著提高了非晶合金的耐蚀性能,表现为自腐蚀电流密度和钝电流密度与母合金相比,均降低了一个数量级,钝化区间增大近2倍。自腐蚀电位向负向移动。X射线电子能谱(XPS)分析表明,Y元素的添加改变了钝化膜的成分,使得钝化膜中Zr4+、Al3+含量增加,而PO43-含量减少,这是耐蚀性得到提高的原因。但过量 Y元素添加(4%)在非晶合金基体有晶体相的析出,而晶体相的析出易成为腐蚀的敏感部位,降低了耐蚀性能;  (3)冷却速率对(Zr56Co28Al16)Y2非晶合金的热稳定性、结构、力学性能以及耐蚀性能均有显著影响。随着冷却速率的降低,晶化温度Tx、过冷液相区宽度?Tx、结构弛豫焓?H0和晶化放热焓?H均减小,热稳定性降低,并且在4 mm和6 mm试样非晶基体上有纳米晶的析出,运用透射电镜选区电子衍射表征出纳米晶为Al2Zr3。而且,随着冷却速率的减小,非晶合金中冻结的自由体积减小,塑性降低,维氏硬度值增加。另外,非晶合金的耐蚀性随冷却速率的降低而提高。
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