网状结构单元调控Fe基和Al基非晶的腐蚀行为

摘要

不同于传统的晶体材料，非晶合金内部是单一的相结构且化学成分均匀，特别的由于内部不存在位错，晶界以及第二相粒子等，在服役环境中，非晶材料的点蚀延缓，展示了优异的耐腐蚀性能，被应用于防腐涂层，生物材料等领域。对于非晶材料腐蚀行为的研究更多的是研究其成分以及外场的影响，但是从原子团簇的角度探究腐蚀行为的工作比较少。我们选取了存在网状结构单元的Fe-Nb-B(x=0，7，10和13)以及存在较多镍原子为中心的TTP团簇的Al85Ni10RE5(RE=Y，Gd，La和Ce)非晶条带作为研究对象。通过DSC表征热力学性能，通过CHI660E电化学工作站测试动电位极化曲线，静电位极化曲线和阻抗测试等腐蚀性能，通过SEM和XPS分析腐蚀形貌和腐蚀产物成分，并且借助于计算机模拟分析Fe基非晶内部的团簇排布以及Al基非晶中TTP团簇单元和Cl离子，O原子的相互作用，试图探寻Fe基和Al基非晶网状的结构单元与腐蚀性能之间的联系。
　　在Fe-Nb-B(x=0，7，10和13)非晶中，Nb元素的添加，抑制了α-Fe和Fe3B的析出，特别的当cNb从7增加到10at.％时，非晶形成能力急剧增加，同时非晶材料的腐蚀性能在cNb=7-10at.％之间出现明显的转折，如动电位极化曲线上出现较宽的钝化平台及腐蚀形貌从多孔洞变为几乎未腐蚀。经热处理热发现，cNb从7增加到10at.％，α-Fe的析出被延缓，cNb=10at.％的非晶初晶中包含(Fe，Nb)23B6相。通过从头算分子动力学模拟发现，cNb=10和13at.％的Fe-Nb-B非晶存在着类似于Fe23B6的网状结构，如Fe-Nb原子的相互渗透连接，Nb-Nb相互连接形成的原子对或链和B原子为中心的扭转的三帽三棱柱。这种类Fe23B6的网状结构导致了cNb=7和10at.％的Fe-Nb-B非晶条带腐蚀性能显著的增加。
　　对于Al85Ni10RE5(RE=Y，Gd，La和Ce)非晶，引入Al-Ni-RE非晶中对应于＜0，3，6，0＞多面体的典型的TTP团簇，分析RE添加后对于Al-Ni基非晶点蚀和钝化行为的影响。Al85Ni10RE5(RE=Y，Gd，La和Ce)非晶在中性溶液中的点蚀电位和TTP-Cl-的结合能存在着相反的趋势，TTP-Cl-的结合能越高，越容易发生点蚀，因此可以通过TTP-Cl-的结合能大小预测Al-Ni-RE非晶条带的点蚀行为。此外，包含Gd的TTP团簇中Gd原子易和CI和O原子相互作用;包含La的TTP团簇中，Al原子易和Cl-和O原子相互作用，这解释了在中性溶液中Al-Ni-Gd比Al-Ni-La非晶具有更高的点蚀电位，更低的钝化电流密度以及为什么Al85Ni10La5非晶条带腐蚀形貌上点蚀孔洞比Al85Ni10Gd5更大和更密集。
　　总之，这些结果不仅为理解元素添加对非晶材料腐蚀机理提供了启发，更是指导我们调控内部原子团簇的结构从而获得能够满足环境需求的具有优异腐蚀性能的非晶合金。

目录

声明

摘要

本文的创新及主要贡献

第一章 绪论

1．1 非晶合金的发展历史

1．2 非晶合金的性质和应用

1．2．1 热力学和动力学性质

1．2．2 非晶的机械性能

1．2．3 非晶的腐蚀性能及应用

1．3 非晶腐蚀性能的起源和调控

1．3．1 化学成分的影响

1．3．2 外场处理的影响

1．3．3 调控结构和腐蚀性能

1．4 本课题主要研究的目的及内容

1．4．1 研究目的

1．4．2 研究内容

第二章 试验方法及设备

2．1 研究方案及技术路线

2．2 样品的制备

2．3 理论模拟和计算

2．4 实验测试设备

2．4．5 扫描电子显微镜(SEM)

2．4．6 X射线光电子能谱(XPS)

第三章 网状结构对Fe-Nb-B非晶腐蚀性能和热力学性能的影响

3．1 引言

3．2 结果

3．2．1 XRD和热力学性能

3．2．2 腐蚀行为

3．3 讨论

3．3．1 高温熔体和非晶模拟的原子结构

3．3．2 (Fe，Nb)23B6晶胞的电子结构

3．3．3 (Fe，Nb)23B6单胞和CNb=10和13 at．％的非晶结构相似性

3．3．4 类(Fe，Nb)23B6网状结构诱导的腐蚀行为

3．4 本章小结

第四章 Al-Ni-RE非晶中TTP结构单元与腐蚀行为的关联

4．1 引言

4．2 结果

4．2．1 XRD和热力学性质

4．2．2 腐蚀行为

4．3 讨论

4．3．1 TTP-Cl-与点蚀的关联

4．3．2 TTP-O与钝化关联

4．4 本章小结

第五章 结论

参考文献

致谢

附录