硅元素对铁-铬基非晶合金腐蚀性能及钝化行为的影响研究

摘要

本文基于国内缺乏自主知识产权的高耐蚀铁基非晶合金的现状，开发了一系列具有高非晶形成能力、高热稳定性和优异耐腐蚀性能的Fe-Cr基非晶合金材料，初步探讨了Si少量添加对Fe-Cr基非晶合金钝化膜稳定性的影响。同时，通过对比分析自主研发的Fe63Cr8Mo3.5Ni5P10C4B4Si2.5非晶合金与Fe48Cr15Mo14C15B6Y2（SAM1651）非晶合金的耐蚀性能和钝化行为，从钝化膜成分、分布和电子结构的角度研究了Si对提高Fe-Cr基非晶合金耐腐蚀性能的影响机制。 Fe-Cr基非晶合金因其具有优于常规不锈钢的耐蚀和耐磨性能，近十年来受到越来越多的关注。在本论文中，我们基于Fe-Cr-Mo-C-B非晶合金体系，通过Si少量添加开发了Fe43Cr15Mo14Ni3P10C10-xB5Six合金体系，并且研究了Si含量对其热稳定性、电化学腐蚀性能和钝化行为的影响。结果表明，Si的少量添加有利于提升Fe-Cr基非晶合金的热稳定性、耐蚀性能和钝化膜的稳定性。但是，进一步添加Si元素，不仅没有显著提升合金的耐蚀性能，反而降低了合金的热稳定性。我们基于动电位极化曲线、恒电位测试、电化学阻抗谱、Mott-Schottky和XPS的结果，发现在Fe-Cr基非晶合金体系中元素的最佳含量为2-4at.%。 为了进一步探讨Si元素对Fe-Cr基非晶合金耐蚀性能的影响机理，本文将Fe63Cr8Mo3.5Ni5P10C4B4Si2.5(Cr8)和SAM1651合金的耐蚀性能进行了对比分析，但由于两种合金元素组分差异较大，无法单从成分的角度得出腐蚀性能的变化机理。本文通过表征和量化钝化膜中价电子/离子输运和转移的难易程度，研究了少量Si显著提高Fe-Cr基非晶合金耐腐蚀性能的机理。结果表明，虽然Cr8非晶合金中的Cr和Mo含量非常低，但其钝化膜稳定性和耐点蚀能力要优于具有高Cr和Mo含量的SAM1651非晶合金。通过钝化膜的成分分布和含量分析，发现SAM1651的Cr、Mo富集层更厚，而Cr8非晶合金表面形成了SiO2和P2O3的均匀保护膜。此外，Cr8合金的费米能级态密度更低，说明Cr8合金处于高能量态的电子更少，同时Cr8合金的逸出功更高，说明电子脱离原来的轨道所需要的能量更强，这都表明其钝化膜中的电子/离子更难以输运和转移，从而导致Cr8非晶合金的钝化膜具有更好的稳定性，抗点蚀能力更强。

目录

声明

引言

第一章 绪论

1.1非晶合金简介

1.1.1 非晶合金的定义和特点

1.1.2 非晶合金的发展

1.2 非晶合金的设计准则和制备方法

1.2.1 非晶合金的设计准则

1.2.2 非晶合金的制备方法

1.3 铁基非晶合金

1.3.1 磁学性能

1.3.2 力学性能

1.3.3 电化学性能

1.4 Fe-Cr基非晶合金的发展

1.5 本论文的研究目的、内容和意义

2.1 引言

2.2 实验样品的制备

2.2.1 原材料的配制

2.2.2 母合金的熔炼

2.2.3 非晶带材的制备

2.2.4 样品的预处理

2.3 样品的结构表征和性能测试

2.3.1 XRD物相分析

2.3.2 DSC热物性分析

2.3.3 电化学测试

2.3.4 XPS表面分析

2.3.5 TEM微观结构分析

3.1 引言

3.2 基础合金的选择及性能测试

3.3 实验结果与讨论

3.3.1 Si的少量添加对Fe43Cr15Mo14Ni3P10C10-xB5Six非晶合金热稳定性的影响

3.3.2 Si的少量添加对Fe43Cr15Mo14Ni3P10C10-xB5Six非晶合金电化学性能的影响

3.3.3 Si的少量添加对Fe43Cr15Mo14Ni3P10C10-xB5Six非晶合金钝化膜结构的影响

3.4 本章小结

4.1 引言

4.2.1 Fe63Cr8Mo3.5Ni5P10C4B4Si2.5非晶合金与SAM1651的电化学性能

4.2.2 Fe63Cr8Mo3.5Ni5P10C4B4Si2.5非晶合金与SAM1651的钝化膜结构

4.2.3 Fe63Cr8Mo3.5Ni5P10C4B4Si2.5非晶合金与SAM1651的电子结构

4.3 本章小结

第五章 全文总结

参考文献

在学研究成果

致谢