Zr基金属玻璃的结构弛豫和腐蚀行为研究

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作为一种亚稳态结构材料,块体金属玻璃在实际服役中将产生明显的结构弛豫,从而导致金属玻璃耐蚀和力学性能发生改变,因而研究结构弛豫对块体金属玻璃性能的影响具有重要的理论和应用价值。本文主要通过控制退火温度获得不同弛豫状态的Zr52.5Cu17.9Ni14.6Al10Ti5(Vit105)块体金属玻璃,并对其耐蚀和室温压缩性能进行研究。采用高真空电弧熔炼及吸铸系统制备Zr52.5Cu17.9Ni14.6Al10Ti5(Vit105)金属玻璃棒,XRD结果证实所得金属玻璃棒具有非晶结构,DSC分析表明铸态Vit105金属玻璃棒的玻璃化转变温度Tg为685K。在Tg以下选择了六个温度(403、503、553、593、623和653K)各退火15分钟,从而得到不同弛豫状态试样。通过浸泡和电化学腐蚀测试,获得金属玻璃棒的耐腐蚀性能与退火温度、溶液种类和浓度之间的关系;通过室温压缩试验获得结构弛豫对力学性能的影响。结合相应的扫描电镜(SEM)和能量散射X射线谱(EDS)分析,研究了结构弛豫对Vit105金属玻璃棒的腐蚀性能和压缩性能的影响。不同退火态Vit105金属玻璃棒的XRD谱均存在明显的弥散馒头峰,没有晶体衍射峰的存在;不过,随退火温度升高,弥散峰峰位逐渐向高角度方向移动、半高宽则变小。这表明在653K以下退火15min虽然不会导致样品晶化发生,但会导致结构弛豫的发生。DSC分析结果表明:退火对Tg有明显影响,403K退火导致Tg从铸态的685K降低到666K,继续升高退火温度Tg则逐渐升高至553K下的683K后稍有降低;而当退火温度升高至623K及以上温度时,样品的玻璃化转变温度不易确定。此外,Vit105合金具有二次晶化过程,退火对晶化温度无明显影响,但随着退火温度升高,晶化放热效应明显减小,当温度升高至623K以上时,第二晶化峰消失。利用阻抗谱研究材料的结构弛豫还鲜见报道,我们进行了初步尝试,结果表明:在相同测试温度,退火温度对Vit105金属玻璃棒的阻抗谱的确有明显影响;而对同一退火态样品,阻抗谱也随测试温度的变化而变化。阻抗谱的变化主要表现在高频段,其相角峰值和位置均会发生明显变化,但其内在机理仍需更系统的实验证实和深入的理论分析。Vit105金属玻璃棒和304L不锈钢在0.6M NaCl,l M HCl,5M NaCl、HCl、H2SO4和NaOH溶液中的浸泡腐蚀结果表明:相对304L不锈钢,Vit105具有更好的耐蚀性,且随着退火温度升高至593K,腐蚀速率不断减小,再进一步升高退火温度时,腐蚀速率快速增加;在相同溶液中,腐蚀速率随浓度增加而增加。在相同浓度溶液中,Vit105金属玻璃棒耐蚀性能由高到低分别为NaOH,H2SO4,NaCl和HCl溶液。总之,在所有腐蚀溶液中,593K退火15min的Vit105金属玻璃棒具有得最好的耐蚀性能。NaCl和HCl溶液中的阳极极化曲线结果表明:在0.6M和5M NaCl,以及1MHCl溶液中,所有退火Vit105合金的阳极极化曲线均存在先钝化后点蚀现象,而在5M HCl溶液,无明显钝化现象,表现出最差的耐蚀性;在同种溶液中,随退火温度升高,试样自腐蚀电流密度先减小后增大,自腐蚀电位则先增大后减小,其转变点均在593K附近。所得结果进一步证实了在593K退火试样具有最好的耐蚀性。不同溶液中的电化学阻抗谱(EIS)测试表明:Vit105金属玻璃棒的Nyquist图均有单一容抗弧构成,随退火温度的升高,半圆弧半径和电化学转移电阻先增大后减小;在NaCl溶液中具有很高的电化学转移电阻,表现出较好的耐蚀性。SEM观察结果表明:腐蚀表面有大小不一、形状不规则的腐蚀坑组成。随退火温度升高至593K,腐蚀坑逐渐变小,数量也有明显降低,随温度继续升高,腐蚀坑又明显变大、增多。EDS分析表明:在腐蚀坑内O元素显著增加,Cu元素相对含量增加,其他元素含量则降低。Vit105金属玻璃棒室温压缩结果表明:试样断裂面均为典型非晶的“脉纹状”;室温下其塑性较低,403K退火态试样表现出最大的塑性变形约为1.6%,断裂强度约为2000MPa;但超过593K退火态试样无塑性变形。
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