高溫非晶合金的腐蝕性能研究取得重要進(jìn)展

非晶合金具有組織均一、高強(qiáng)度、高硬度、耐磨蝕、熱膨脹系數(shù)小、納米級(jí)表面結(jié)構(gòu)復(fù)寫(xiě)等特性，在其過(guò)冷液相區(qū)可快速實(shí)現(xiàn)從宏觀至微米、納米的多尺度一體化熱塑成型，是制備高精密模具的理想材料。然而，傳統(tǒng)非晶合金的玻璃轉(zhuǎn)變溫度低，高溫強(qiáng)度及熱穩(wěn)定性差，使役溫度難以超過(guò)600K，不能滿足目前光學(xué)玻璃模壓成型溫度的要求。研發(fā)高溫高強(qiáng)高穩(wěn)定性塊體非晶合金（簡(jiǎn)稱(chēng)“高溫非晶合金”）有望將光學(xué)玻璃模壓模具的磨削加工轉(zhuǎn)變?yōu)闊崴芗庸ぃ黄颇ハ骷庸o(wú)法制備微納米表面結(jié)構(gòu)的先天限制，孕育變革性的光學(xué)玻璃元件“微納模壓成型”技術(shù)。

圖1 左圖為Ir-Ni-Ta-（B）非晶態(tài)合金與其他合金體系的晶化活化能對(duì)比圖右圖為不同材料在硫酸溶液中的點(diǎn)蝕電位和鈍化電流對(duì)比圖

基于此，在國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃變革性技術(shù)關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題專(zhuān)項(xiàng)的支持下，中國(guó)科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所和中國(guó)科學(xué)院物理研究所、燕山大學(xué)、深圳大學(xué)、北京航空航天大學(xué)聯(lián)合開(kāi)展了“高溫高強(qiáng)高熱穩(wěn)定性塊體非晶合金新材料與應(yīng)用基礎(chǔ)”（項(xiàng)目編號(hào)：2018YFA0703600）的研究工作。其中，中科院寧波材料所非晶合金磁電功能特性團(tuán)隊(duì)主要負(fù)責(zé)課題“高溫非晶合金的氧化與腐蝕機(jī)理研究”。近期，在王軍強(qiáng)研究員和霍軍濤研究員的指導(dǎo)下，該組課題生楊曉東等人圍繞前期項(xiàng)目組開(kāi)發(fā)的Ir-Ni-Ta-（B）高溫非晶合金[Nature 569 （2019） 99-103]的腐蝕行為開(kāi)展了深入系統(tǒng)的研究。研究發(fā)現(xiàn)在酸性溶液中Ir-Ni-Ta-（B）高溫非晶合金相比于其它合金體系擁有更好的耐蝕性，歸因于其可以形成由金屬I(mǎi)r以及Ni和Ta的氧化物組合而成的相對(duì)穩(wěn)定的鈍化膜。這種鈍化膜具有較好的保護(hù)性，從而表現(xiàn)出很強(qiáng)的耐點(diǎn)蝕能力，因而腐蝕多發(fā)生于缺陷處。另外，研究發(fā)現(xiàn)微量添加類(lèi)金屬B元素可以顯著提高Ir-Ni-Ta非晶合金的耐蝕性，Ir-Ni-Ta-B樣品鈍化電流要比Ir-Ni-Ta樣品降低了一個(gè)數(shù)量級(jí)。在Ir-Ni-Ta和Ir-Ni-Ta-B非晶合金表面形成的鈍化膜具有幾乎相同的成分，但具有不同的厚度和孔密度。這些差異是由添加B引起的，B促進(jìn)鈍化膜的快速形成，同時(shí)抑制活性金屬的溶解。金屬I(mǎi)r的表面富集和[BO3]3-的吸附進(jìn)一步提高了Ir-Ni-Ta-B非晶合金的耐蝕性。相關(guān)結(jié)果表明，可以通過(guò)電化學(xué)鈍化處理優(yōu)先生成具有保護(hù)性的鈍化膜以增加Ir基非晶合金作為模具材料的耐蝕性能，為增強(qiáng)高溫高強(qiáng)高穩(wěn)定性塊體非晶合金在嚴(yán)苛服役環(huán)境中的使用壽命提供了重要實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)和理論支撐。相關(guān)結(jié)果發(fā)表在Corrosion Science 200 （2022） 110227（https://doi.org/10.1016/j.corsci.2022.110227）。

圖2 各種離子和電子在硫酸溶液中的傳輸和鈍化膜形成示意圖

以上工作成果得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2018YFA0703604、2018YFA0703602），國(guó)家自然科學(xué)基金（52001319、52071327、51922102、52171148），中科院青促會(huì) （2019296）, 浙江省自然科學(xué)基金 （LR22E010004、LR18E010002）, 寧波市2025科技創(chuàng)新項(xiàng)目（2019B10051）和寧波市自然科學(xué)基金（202003N4354）等項(xiàng)目的資助。