基于fe2mo_b强化的耐熔锌腐蚀铁基合金设计及性能研究

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1、学校代码10530学号201330990089分类号TG13密级公开博士学位论文基于Fe2Mo/B强化的耐熔锌腐蚀铁基合金设计及性能研究学位申请人刘新指导教师尹付成教授学院名称材料科学与工程学院学科专业材料科学与工程研究方向材料学二0一八年六月AlloyDesignandPropertiesResearchofFe-basedAlloyswithCorrosionResistancetoMoltenZincImprovedbyFe2Mo/BCandidateLiuXinSupervisorProf.YinFuchengCollegeSch

2、oolofMaterialandEngineeringProgramMaterialsScienceandEngineeringSpecializationMaterialsScienceDegreeDoctorofEngineeringUniversityXiangtanUniversityDateJune2018摘要摘要熔融金属在核能发电、电子工业、动力机械、交通运输、化学工程、制冷空调以及材料防护等领域得到了广泛应用。但金属零部件与熔融金属直接接触容易引起金属设备的溶解、开裂等问题，严重影响设备使用寿命，并造成资源的大量浪费。其中熔

3、锌的腐蚀尤为明显，它几乎对所有金属设备都有强烈腐蚀性，严重影响镀锌、压铸锌等锌制品生产的生产效率和产品质量。尽管国内外学者已研制开发了多种不同类型的耐熔锌腐蚀材料，如陶瓷材料、热喷涂材料、难熔金属以及金属间化合物等。然而，这些材料或传热效果差、或制备工艺复杂、或成本高、或稳定性差，一直难以广泛应用于锌制品的实际生产中。针对上述问题，本文以Fe2Mo/B金属间化合物为强化相、α-Fe基体为强韧相研制耐熔锌腐蚀的新型材料，将理论计算和实验研究有机结合，研究不同合金元素对Fe2Mo/B组织形貌、硬度、抗氧化性、热稳定性以及耐熔锌腐蚀性能的影响规

4、律；弄清第三组元对固溶体在熔锌中腐蚀速度的影响；通过分析腐蚀界面形貌、产物及性能，揭示合金化后Fe-Mo/B合金的熔锌腐蚀失效机制，探索强化相对熔锌界面反应抑制作用的影响因素；实现通过合金化提升Fe-Mo/B合金耐熔锌腐蚀性能的目标。通过第一性原理计算及耐熔锌腐蚀性能实验，研究了合金元素对Fe2Mo晶体结构及Fe-Mo合金组织形貌和耐熔锌腐蚀性能的影响规律。基于密度泛函理论，采用VASP软件包计算了Cr、Ni和Si元素掺杂入Fe2Mo晶体后的晶格常数和总能量等数值。结果发现，Cr和Ni原子将优先置换Fe2Mo相中的Fe原子，而Si原子将优

5、先置换Mo原子，形成(Fe,Cr,Ni)2(Mo,Si)；Cr、Ni和Si原子可以同时置换Fe2Mo中的Fe和Mo原子，形成(Fe,Cr,Ni,Si)2(Mo,Cr,Ni,Si)。实验研究发现：适量Si元素加入Fe-Mo合金，可细化晶粒大小，促进合金中Fe2Mo相的生成以及元素Mo在Fe2Mo相中的富集；Fe2Mo热稳定性差，退火前后组织形貌变化大，Si元素对提升Fe2Mo相热稳定性有一定作用；Fe25Mo1Si(wt.%)铸态合金具有良好的耐熔锌腐蚀性能，Fe-Mo-Si合金中α-Fe基体优先于Fe2Mo相被熔锌腐蚀，Fe2Mo相以断裂

6、-剥落方式失效。通过相图测定及性能实验，研究了Si对Fe-Mo-Cr-Ni合金相关系，合金元素Si、Ti、B、W、Ce、Al及元素协同作用对Fe-Mo-Cr-Ni铸态合金组织形貌、硬度、抗氧化性和耐熔锌腐蚀性能的影响规律。通过真空熔炼、SEM-EDS、XRD等技术实验测定了Fe-Mo-Cr-Ni-Si合金的900℃等温截面(70wt.%Fe、2wt.%Si)，发现少量Si的加入可以扩大γ-Fe+Laves的两相区范围，稳定Laves相结构。Fe-Mo-Cr-Ni-Si铸态合金中Si含量不同，合金的组织形貌差异大，合金的耐熔锌腐蚀性能亦不同

7、：1wt.%的Si可促进Fe25Mo14Cr10Ni合金生成具有长针状纵横交错形貌的Laves相，腐蚀速率仅为不含Si合金的1/20；2wt.%Si加入可生成枝晶状Laves相，腐蚀速率为不含Si合金的1/6。从I湘潭大学博士学位论文腐蚀机理分析：针状纵横交错形貌Laves相对Zn原子扩散有较强的机械阻挡效果，Laves相晶体生长方向与Zn原子扩散方向垂直时，对Zn原子具有最优的阻挡效果；枝晶状Laves相对Zn原子扩散的机械阻挡效果减弱，合金耐蚀性降低；Si元素加入将促进Fe-Mo-Cr-Ni合金熔锌腐蚀产物中δk相的生成。Ti元素可细

8、化Fe25Mo14Cr10Ni合金铸态组织、提升合金硬度，Fe25Mo14Cr10Ni1Ti氧化处理后可生成致密而细小的氧化层。W、B元素对于提升Fe-Mo-Cr-Ni合金耐熔锌腐蚀性能效果较