新型无Ni无Cu型Zr基块体非晶合金及其复合材料的开发及性能研究

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本文采用电弧熔炼/水冷铜模吸铸法制备了不同成分的Zr基块体非晶合金及其复合材料。利用X射线衍射分析仪（XRD）、光学显微系统（OM）、扫描电子显微镜（SEM）、示差扫描量热仪（DSC）、差热分析仪（DTA）、显微硬度计、Zwick/Roell力学试验机、电化学设备和X射线光电子能谱仪（XPS）等实验手段系统研究了不同成分的新型无Ni无Cu型Zr基块体非晶合金的结构、热稳定性、玻璃形成能力、机械性能及耐生物腐蚀性能等。制备了直径为3～10mm的新型无Ni无Cu型Zr基块体非晶合金：Zr53Co23.5-xAl23.5Agx(x=0，1，3，5，7，9at.%)。XRD的结构分析表明，所制备的合金基本为单一非晶相；发现了具有最强玻璃形成能力的成分点Zr53Co18.5Al23.5Ag5，其临界尺寸至少有10mm，达到厘米级。DSC和DTA的热分析表明，Ag的添加降低了合金的过冷液态区，伴随着导致原合金的晶化行为模式由单步晶化变为多步晶化。随着Ag含量的增加，合金的液相温度也大大降低了，同时也使得合金更接近共晶成分点，从而提高了该体系的玻璃形成能力。显微硬度分析表明，随着Ag含量的增加，显微硬度先升高后降低，并在Ag=5具有最大值。显微压痕的微观形貌表明，除了Ag=5的成分点以外，其他所有非晶合金的压痕附近均可以看到明显的剪切带，意味着Ag=5的塑性是合金体系里最差的。进一步压缩力学性能和断面形貌结果表明，所有的合金均表现出很高的屈服强度，其值超过了1700MPa，但是较差的室温塑性。分析认为，不同Ag含量的非晶合金里面存在不同的断裂行为和断裂特征。在模拟体液（PBS）中的电化学试验结果表明，适量Ag元素的添加能显著提高Zr基块体非晶合金在PBS溶液中的耐点蚀能力。其中Zr53Co16.5Al23.5Ag7非晶合金具有具有最佳的耐生物腐蚀能力。恒电流阶越分析表明，Ag的添加并未改变钝化膜的形成速率而是改变了钝化膜的稳定性，与电化学测试结果一致，Zr53Co16.5Al23.5Ag7块体非晶合金具有最高的平台电位说明其钝化膜的稳定性是最好的。XPS分析表明，在既含有氯离子又含有磷酸根离子的中性模拟体液环境下，钝化膜中富集着高耐蚀性的Al氧化物可能是合金具有优异耐蚀性的主要原因。此外，进一步研制了无Ni无Cu型Zr基非晶复合材料Zr73.5Co1Al9.5Ag7Nb9合金。OM和XRD结果表明：合金主要析出了枝晶状的bcc-β相。压缩力学性能结果表明，该复合材料表现出非常高的断裂强度和较好的塑性，两者的值分别达到了2234MPa和4.44%。分析认为主要是枝晶相和剪切带发生交互作用影响了其变形和断裂行为从而提高了强度和塑性。电化学试验结果表明，Zr73.5Co1Al9.5Ag7Nb9合金在模拟体液中并未发生明显的点蚀，在1NHCl溶液中的浸泡实验表明该合金具有比不锈钢更低的腐蚀速率，表现出较好的耐点蚀性能。

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作者
张诚;
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作者单位

华中科技大学;

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授予单位华中科技大学;
学科材料学
授予学位硕士
导师姓名柳林;
年度 2009
页码
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原文格式 PDF
正文语种中文
中图分类金属复合材料;
关键词
复合材料; 非晶合金; 合金结构; 热稳定性;

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