| 铜基金属玻璃（铜合金）的结构/润滑功能一体化设计、制备与性能研究 | |
| 姜小芳 | |
| Thesis Advisor | 张永胜 |
| 2020-06-01 | |
| Degree Grantor | 中国科学院大学 |
| Place of Conferral | 北京 |
| Degree Name | 工学博士 |
| Degree Discipline | 材料学 |
| Keyword | 块体金属玻璃 自润滑 力学性能 腐蚀环境 磨损机理 |
| Abstract | 块体金属玻璃（BMG）作为一类新型用于机械运动部件的材料，兼具高强度、高硬度、高弹性以及优异的耐磨损、抗腐蚀性能等，有望取代常规合金以满足日益苛刻的腐蚀工况下的应用需求。本论文在探明常规铜合金和铜基金属玻璃在干摩擦和强腐蚀条件下摩擦学行为及磨损机理的基础上，通过金属基体三维连续网络结构设计、表面润滑结构设计和仿生层状结构设计，实现了铜合金和金属玻璃的结构/润滑功能一体化，并系统研究了宏/微观结构及其参数对材料力学、摩擦学和抗腐蚀性能的影响规律和机理。获得的主要结论如下： 1.采用振动滚球造粒-粉末冶金法制备了具有三维连续网络结构的铜合金/石墨自润滑复合材料。基于金属基体三维连续网络结构设计及其参数调控可有效利用金属的高承载和强韧化能力，并借助石墨相对裂纹的偏转、分叉及骨架结构对裂纹尖端的钝化等断裂能耗散机制，实现铜合金/石墨自润滑复合材料力学性能和可靠性的大幅度提升。材料的抗弯强度、断裂韧性和冲击韧性分别比均相铜合金/石墨复合材料的性能提升了40%、70%和480%。在干摩擦条件下与轴承钢对摩时的摩擦系数和磨损率可低至0.17和1.5×10-6 mm3·N-1m-1。 2.基于合金非晶化原则，采用电弧熔炼-铜模吸铸技术成功制备了组织结构均匀的Cu36Zr48Ag8Al8块体金属玻璃，材料在室温下的抗弯强度、断裂韧性和压缩强度分别高达2.4 GPa、59 MPa‧m1/2和1.7 GPa。结合严苛工业环境密封部件服役工况的特点，考察了Cu36Zr48Ag8Al8金属玻璃自配副在NaOH和H2SO4腐蚀环境中的摩擦磨损行为；摩擦过程中形成的流体润滑膜及不同成分和性质的金属氧化物层，可显著降低材料的腐蚀和磨损。在浓度高于30 wt%的强腐蚀环境下，材料的摩擦系数和磨损率均可低于0.24和1.6×10-6 mm3·N-1m-1，展现出比316不锈钢更加优异的抗腐蚀和耐磨损性能。 3.采用原位一体化成型技术将表面微结构制造和石墨固体润滑剂复合过程相结合，在Cu36Zr48Ag8Al8块体金属玻璃表面成功构筑了三维润滑结构。在摩擦过程中，材料表面有序排布的石墨润滑相可快速被拖敷于材料表面形成连续润滑膜，并协同表面微织构对磨屑的捕获作用，显著改善材料的摩擦磨损性能。同时，合理调控摩擦副之间的外加电压，利用表层三维润滑结构的微电池效应和离子迁移、吸附作用可以有效抑制材料在海水中的腐蚀和磨损。当摩擦配副材料间施加电压为-0.5 V时，材料的摩擦系数和磨损率可低至0.28和7.4×10-7 mm3‧N-1m-1。 4.借鉴仿生层状结构增韧设计理念，成功构筑了具有“砖-桥-泥”结构的Cu36Zr48Ag8Al8金属玻璃/石墨层状自润滑复合材料。金属玻璃/石墨复合材料的层状结构设计可通过裂纹分叉、偏折等外部增韧机制及金属对裂纹尖端的钝化作用，使材料呈现出非脆性断裂特征。同时，材料层片间存在的金属“桥”结构，可有效控制层间滑移，增强层间脱粘阻力，大幅提升材料的界面可靠性。该新型金属玻璃基自润滑复合材料展现出了优异的工况适应性，拥有较长的使用寿命，其在干摩擦条件下的摩擦系数和磨损率可低至0.19和1.5×10-5 mm3‧N-1m-1。 |
| Language | 中文 |
| Document Type | 学位论文 |
| Identifier | http://ir.licp.cn/handle/362003/27364 |
| Collection | 中国科学院材料磨损与防护重点实验室/先进润滑与防护材料研究发展中心 |
| Affiliation | 1.中国科学院兰州化学物理研究所; 2.中国科学院大学 |
| Recommended Citation GB/T 7714 | 姜小芳. 铜基金属玻璃（铜合金）的结构/润滑功能一体化设计、制备与性能研究[D]. 北京. 中国科学院大学,2020. |
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