钛基非晶复合材料的摩擦磨损性能研究

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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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