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文檔簡介
1、鋼材具有較好的機(jī)械性能和相對(duì)低廉的價(jià)格,是眾多領(lǐng)域中不可或缺的材料,但其自身較差的耐蝕性限制了在工程中的應(yīng)用。表面涂層技術(shù)是一種改善材料耐腐蝕性能的有效手段。本文采用理論和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法,第一性原理方法證實(shí)五元高熵合金AlFeCrCoNi具有較好的耐氧化和耐氯離子腐蝕性能,預(yù)測高熵合金的組成元素。通過理論分析結(jié)果利用電子束蒸發(fā)和激光熔覆法在鋼表面制備高熵合金涂層,研究其對(duì)鋼材基體耐腐蝕性能的作用。
首先,采用密度泛函理論分別
2、分析了鋼基體和高熵合金組成元素之間相互作用及其吸附行為,剖析AlFeCrCoNi高熵合金的耐腐蝕機(jī)理。創(chuàng)建鋼基體Fe31MnC模型,找到較穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)并切出表面Fe31MnC(001)。以鐵原子為終端的表面O2六種吸附位中,面心間位吸附的吸附能最大是1.989 eV,另外還發(fā)生了表面重聚的原子吸附現(xiàn)象,具有很強(qiáng)的吸附作用,吸附能皆在3.5 eV左右,是分子吸附能的2倍多。以碳原子為終端的表面更有利于發(fā)生表面的氧分子吸附,以錳原子為終端的表
3、面氧氣分子發(fā)生解離的可能性小。Fe31MnC(001)表面NaCl吸附測試中,研究發(fā)現(xiàn):NaCl吸附后的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)更易于占據(jù)由鐵原子組成的面心間位,吸附能最大為3.007 eV。對(duì)比三種不同原子為終端的表面吸附能,碳原子作為終端的吸附能最大,鐵次之,錳最小。因此以碳原子為終端的表面有利于NaCl的吸附。從吸附能結(jié)果來看,B2型的AlFeCrCoNi(001)表面氧分子的吸附能為0.98 eV,NaCl吸附能為1.23 eV。對(duì)比鋼基體的吸
4、附結(jié)果,高熵合金表面和吸附分子間的作用力較弱,對(duì)于高熵合金表面的氧化和腐蝕的影響很小。因而高熵合金涂層能顯著改善鋼表面的氧化和耐蝕性能。
其次,利用第一性原理方法進(jìn)行了合金的成分設(shè)計(jì),高熵合金主元依次為Al、Fe、Cr、Co、Ni和Cu。選用高純材料利用真空電弧熔煉法,制備了高熵合金AlxFeCrCoNiCu(x=0.25,0.5,1.0)。利用硬度測試、室溫壓縮、摩擦磨損、X射線衍射、電子探針和掃描電鏡等手段對(duì)高熵合金的力學(xué)
5、性能和微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:Al1.0FeCrCoNiCu合金的硬度值達(dá)到485 HV,具有較高的抗壓強(qiáng)度,耐磨性好;X射線衍射分析發(fā)現(xiàn),當(dāng)x=0.25,合金為簡單的FCC固溶體相。隨著鋁含量增加出現(xiàn)有序的BCC結(jié)構(gòu),形成FCC+BCC的混合結(jié)構(gòu);同時(shí)觀測鑄態(tài)高熵合金具有典型的枝晶結(jié)構(gòu),在枝晶間區(qū)域產(chǎn)生了Cu和Ni的富集現(xiàn)象。
最后,以高熵合金AlxFeCrCoNiCu(x=0.25,0.5,1.0)為靶材,運(yùn)用兩種
6、不同方法將高熵合金鍍?cè)阡摶w表面,研究了高熵合金涂層的耐腐蝕特性。分別利用硬度測試和納米壓痕實(shí)驗(yàn)考察高熵合金涂層的力學(xué)性能、基體之間的結(jié)合效果等;運(yùn)用X射線衍射、原子力顯微鏡、掃描電鏡、電子探針觀察涂層表面的形貌和元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù);運(yùn)用電化學(xué)腐蝕實(shí)驗(yàn)考察了高熵合金涂層的耐蝕性能。研究發(fā)現(xiàn):高熵合金涂層的硬度達(dá)到481HV,硬度值約為基底材料的二倍,而且不同位置的硬度值相差不大,分布均勻。三種涂層Al-0.25、Al-0.5和Al-1.0對(duì)
7、應(yīng)的最大載荷依次為10.25 mN、12.39 mN和14.78 mN,卸載后的殘余深度約100 nm,發(fā)生了較大的塑性變形。研究還發(fā)現(xiàn),高熵合金涂層表面隨著基底的粗糙程度不同得到的涂層質(zhì)量也不同,光滑基底沉積的涂層表面平整、分布均勻、涂層致密。表面的化學(xué)成分和靶材類似,檢測到較大含量的鐵元素和氧元素。電化學(xué)測試結(jié)果與耐蝕性較好的304不銹鋼作對(duì)比,在0.5 mol/L的H2SO4溶液中,304不銹鋼具有低的腐蝕電位和大的腐蝕電流密度,
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