钛基非晶复合材料的摩擦磨损性能研究

摘要

非晶合金由于其独特的原子结构，表现出一些优异的性能，如高强度、大的弹性极限、良好的耐腐蚀性及耐磨性等，被称为一种新型的金属材料。但是，在室温加载下，非晶合金形成了局域化的剪切带并且快速扩展，导致材料发生脆性断裂，严重制约了非晶合金在工程领域的应用。为了克服非晶合金的室温脆性，科学研究者通过外添加或者内生的方法将韧性第二相引入非晶合金，从而阻止主剪切带的扩展，促进多重剪切带的形成。通过调节材料的成分形成内生非晶复合材料近年来研究较为广泛。 本文采用非自耗真空电弧炉水冷铜模铸造法制备了Ti48Zr20Nb12Cu5Be15和Ti48Zr20V12Cu5Be15内生非晶复合材料，采用X射线衍射仪（XRD）和扫描电镜（SEM）分析了两种非晶复合材料的形貌图和组织结构，通过HVS-1000型维氏硬度仪测得了材料的显微硬度，采用MFT-R4000型往复摩擦磨损试验机研究了五种不同的载荷下，非晶复合材料在干燥、去离子水和3.5%的NaCl溶液中的摩擦磨损性能，并通过扫描电镜观察磨损形貌图来探究其磨损机制。本文的主要研究内容和结论如下： (1) Ti48Zr20Nb12Cu5Be15和Ti48Zr20V12Cu5Be15都是由树枝晶和非晶基体两相组成，且树枝晶相为 bcc 结构，树枝晶体积分数分别为 40%和 54.2%。Ti48Zr20V12Cu5Be15的硬度高于Ti48Zr20Nb12Cu5Be15的硬度。 (2) Ti48Zr20Nb12Cu5Be15的平均摩擦系数在干磨环境下最小；三种环境下，磨损率都随载荷的增大逐渐降低。干燥环境下，Ti48Zr20Nb12Cu5Be15的磨损机制以分层磨损、磨粒磨损和黏着磨损为主，去离子水环境下的磨损机制以磨粒磨损和轻微的黏着磨损为主，3.5%的NaCl溶液中磨损机制以分层磨损和磨粒磨损为主。通过 XPS 检测分析可知，3.5%的NaCl 溶液中，Ti48Zr20Nb12Cu5Be15在摩擦磨损过程中生成了氧化物TiO2、Nb2O5、NbO和ZrO2。 (3) Ti48Zr20V12Cu5Be15的平均摩擦系数在去离子水环境下最大；三种环境下，磨损率都随载荷的增大逐渐增大，载荷为15 N时，达到最大。干燥环境下，主要的磨损机制为磨粒磨损和黏着磨损；去离子水环境下，磨粒磨损是主要的磨损机制；3.5%的NaCl溶液环境下，主要的磨损机制为磨粒磨损和黏着磨损。通过XPS检测分析，3.5%的NaCl溶液中，Ti48Zr20V12Cu5Be15在磨损实验过程中生成了TiO2、ZrO2和V2O3。 (4) Ti48Zr20V12Cu5Be15的耐磨性明显好于Ti48Zr20Nb12Cu5Be15，同时，这两种复合材料的耐腐蚀性能相近，所以 Ti48Zr20V12Cu5Be15更适合在海水环境下作为耐磨材料使用。

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摘 要

ABSTRACT

第一章 绪论

1.1 非晶合金的概述

1.1.1 非晶合金的简介

1.1.2 非晶合金的发展概况

1.1.3 非晶合金的性能及应用

1.2 非晶合金的形成理论

1.2.1 非晶合金的形成热力学

1.2.2 非晶合金的形成动力学

1.2.3 非晶合金成分设计及形成能力的判断

1.3 非晶复合材料概述

1.3.1 外添加非晶复合材料简介

1.3.2 内生枝晶/非晶复合材料的发展

1.4 非晶合金及其复合材料的制备方法

1.4.1 电弧熔炼吸铸法

1.4.2 水淬法

1.4.3 喷铸-吸铸法

1.4.4 定向凝固法

1.4.5 粉末冶金法

1.5 非晶合金/复合材料的摩擦学研究现状

1.6 本课题研究的意义及主要内容

第二章 材料制备及试验方法

2.1 非晶复合材料的制备

2.1.1 实验原料及成分配制

2.1.2 非晶复合材料的制备

2.2 试样的检测方法

2.2.1 X射线衍射分析

2.2.2 显微硬度测定

2.2.3 扫描电子显微镜 (SEM)

2.2.4 X射线光电子能谱 (XPS)

2.3 试样的摩擦磨损实验

2.3.1 磨损试验前样品处理

2.3.2 摩擦磨损实验仪器及环境

2.3.3 摩擦磨损相关参数的测定

2.4 腐蚀性能测试

第三章 Ti48Zr20Nb12Cu5Be15在不同环境下的摩擦磨损行为

3.1 显微组织和微观硬度

3.2 摩擦磨损性能

3.2.1 摩擦系数

3.2.2 磨损率

3.3 磨损表面形貌

3.4 磨损表面的XPS分析

3.5 腐蚀行为

3.6 本章小结

第四章 Ti48Zr20V12Cu5Be15在不同环境下的摩擦磨损行为

4.1 显微组织和微观硬度

4.2 摩擦磨损性能

4.2.1 摩擦系数

4.2.2 磨损率

4.3 磨损表面形貌

4.4 磨损表面的XPS分析

4.5 腐蚀行为

4.6 本章小结

第五章 结论

参考文献

致谢

攻读硕士期间发表的论文