纳米相的形成对铝基金属玻璃点蚀的诱发机制研究

局部腐蚀是铝合金使役过程中主要的失效破坏方式之一。Al基金属玻璃的耐点蚀能力强烈依赖于纳米尺度析出相的类型与性质，甄别不同类型晶体相对Al基金属玻璃点蚀行为的影响并理解其诱发机制是推进该合金体系工程化应用的关键。.本项目以铝-过渡族金属-稀土合金体系为基础，依据玻璃结构形成的相选择理论，通过优化合金成分和熔体冷却速率等，实现α-Al,Al-TM和Al-RE三类典型纳米析出相尺度与分布的控制。研究非晶基体上析出纳米级单一晶体相与多种复合相对Al基玻璃点蚀倾向性及腐蚀性能的影响。着重利用原位原子力显微技术表征Al基金属玻璃表面微区腐蚀形貌演变行为，结合形貌图像与相位图像分析技术揭示蚀点萌生的位置与腐蚀的内在联系，阐明纳米析出相类型与尺寸影响金属玻璃表面蚀点萌生及长大的微观机制。以上对纳米尺度腐蚀现象的研究将有助于实现非晶材料腐蚀性能的控制。

随着非晶合金工程化应用的推进，对非晶合金腐蚀降解规律的认识及机理的理解显得尤为重要。铝玻璃的耐点蚀能力远高于传铝合金，在作为表面非晶涂层方面有很大的应用前景。但是在涂层的制备过程中，各种类型纳米相的析出不可避免，这将大大降低涂层的耐蚀性能。因此深入理解各种类型纳米相的析出对铝玻璃的点蚀行为的影响对于其作为耐蚀非晶涂层的应用非常重要。本项目选取典型的Al-TM-RE模型体系，澄清了纳米相对腐蚀行为的影响机制，并系统地研究了纳米相对钝化膜形成及蚀点萌生的影响，揭示了与金属玻璃中与纳米相相关的腐蚀行为的一些本征特性。本研究对合金腐蚀基本问题的理解、高耐蚀金属玻璃体系的设计有重要的指导意义。主要成果如下：（1）基于拓扑作用（有效密堆）和团簇的化学作用（化学势均衡原理），提出有效原子化学耦合模型。该模型在Al-Ni-RE体系中得到很好验证。在此基础上，结合中程有序结构特征提出了二十面体超团簇中程有序模型。这一工作有助于理解铝基金属玻璃的微观结构，并为实现强玻璃形成能力体系的设计提供了重要理论依据。（2）选取Al-Ni-Ce体系，成功获得了非晶基体复合单一纳米相α-Al、Al3Ni和Al11Ce3的复合结构。详细研究了三种类型纳米相的与Al基金属玻璃点蚀行为的内在 联系。研究发现三类纳米相不同程度降低了耐点蚀能力，降低程度依次为：α-Al＜Al-TM＜Al-RE。纳米相的影响主要体现在蚀点萌生和早期长大阶段。（3）采用原位电化学原子力显微技术，选用轻敲模式工作方式，详细研究了纳米相析出对钝化膜形成以及蚀点萌生的影响。研究发现钝化膜形成初期，纳米相与非晶基体之间的微电偶腐蚀致使纳米相表面形成腐蚀产物导致钝化膜致密性下降，从而降低了其稳定性。随着钝化膜长大，腐蚀产物包含到钝化膜中形成了薄弱部位。随着外加电位增加，薄弱部位在氯离子作用下形成亚稳蚀点并长大，降低了合金的耐点蚀能力。（4）突破了合金选择性溶解的传统观念。在CuZr(Al)体系金属玻璃中通过少量元素（如Ni）添加实现了合金组元溶解倾向的反转，并证实了局域化学键合在合金溶解中的决定性作用。在此基础上，提出了局域原子相互作用模型，定量地理解了少量元素添加对金属玻璃溶解的作用机制，即Ni原子的引入改变了其周围Cu和Zr原子的化学作用环境，使得不同团簇内Cu与Zr原子溶解倾向发生改变，最终表现为电化学行为和表面形貌的巨大差异。