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摘 要

不锈钢具有较强的抗腐蚀性能和耐热性能以及优异的可加工性能。在实际生活中，被用于复杂环境下的不锈钢易被腐蚀和磨损，且这两者相互作用，到时腐蚀或磨损加剧，这种情况下会影响不锈钢的使用年限。当钝化金属受到摩擦和腐蚀共同作用时，两种的共同作用会产生物理化学反应使得不锈钢失效。本次课题利用机械合金化的方法在316不锈钢表面制备Ni-Ti涂层，实验的目的是提高316不锈钢表面的硬度、耐磨性和耐腐蚀性等性能。通过对比研究了不同Cu添加量下涂层的形状样貌，为了清晰地观察材料表面宏观以及微观组织，我们借用了各种仪器，包括光学显微镜、SEM等，并且使用了XRD分析了材料表面涂层是由什么物相组成，用EDS分析了材料表面涂层有哪些化学成分。并且通过测量涂层的Tafel 极化曲线以及涂层表面的摩擦系数，研究了不同的Cu添加量对涂层的耐蚀性和耐磨性影响。在上述研究中，寻求一种新型的Ni-Ti-Cu耐磨耐蚀涂层，以提高不锈钢的耐磨耐蚀性能，进而延长其在腐蚀磨损环境中的使用寿命，相关研究具有重要意义。

关键词：316不锈钢；机械合金化；Ni-Ti涂层；耐蚀性；耐磨性

Abstract

Stainless steel has strong corrosion and heat resistance, as well as excellent processable properties .In real life, stainless steel used in complex environment is easy to be corroded and worn, and the two interact, when the corrosion or wear increases, this situation will affect the service life of stainless steel. In this experiment, a Ni-Ti coating was prepared by mechanical alloy and prepared on a 316 stainless steel surface. The aim of the experiment is to improve the hardness, wear resistance and corrosion resistance of 316 stainless steel. The morphology of the coating with different Cu addition was studied. We borrowed a variety of instruments, including optical microscopes, SEM, etc., and used XRD to analyze what material synth son composition of the material surface coating, and EDS to analyze the chemical composition of the material surface coating. By measuring the Tafel polarization curve and the friction coefficient of the coating surface, the effect of different amount of Cu addition on the corrosion resistance and wear resistance of the coating was studied. In the above research, it is of great significance to find a new type of wear-resistant and corrosion-resistant coating to improve the wear-resistant and corrosion-resistant performance of stainless steel and extend its service life in corrosive wear environment.

Key words: 316 stainless steel; mechanical alloying; Ni-Ti-Cu coating; corrosion resistance; wear resistanc

目录

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1课题研究的意义及背景 1

1.2机械合金化及机械合金化表面涂覆 2

1.3机械合金化表面涂覆研究现状分析 2

1.4 Ni-Ti-Cu涂层的作用 3

1.5研究目的及主要研究内容 3

1.5.1 研究目的 3

1.5.2主要研究内容 3

第二章 实验材料、设备与方法 5

2.1 实验材料 5

2.2实验设备与装置 5

2.3 316不锈钢表面Ni-Ti-Cu涂层的制备工艺及方法 6

2.4试样分析设备及方法 6

第三章 Cu添加量对Ni-Ti涂层的影响 10

3.1涂层宏观形貌分析 10

3.2 涂层物相组成分析 10

3.3 Cu添加量对涂层显微组织的影响 11

3.4 Cu添加量对涂层性能的影响 15

3.4.1耐蚀性分析 15

3.4.2耐磨性分析 16

第四章 结论与展望 18

第五章 经济性分析 19

参考文献 20

致谢 23

第一章 绪论

1.1课题研究的意义及背景

不锈钢在现代生活中至关重要。它指的是耐空气、蒸汽、水等弱腐蚀介质和酸、碱、盐等化学浸蚀性介质腐蚀的钢，所以又称不锈耐酸钢，它具有较强的抗腐蚀性、耐热性及良好的可加工性能，所以它在各种场合下都会优先被考虑^[1]。 在各种场合，不锈钢的化学成分可分为铬不锈钢、铬镍不锈钢、铬锰氮不锈钢等^[2-3]， 其最高档，各种性能是最好的，特别是铬镍不锈钢，可以生产出各种板、管、条、杆、杆和不同类型的锻造尺寸。然而在现实生产生活中，被用于各种复杂环境下的不锈钢很容易在物理化学作用下被腐蚀和磨损，且这两者相互作用，到时腐蚀或磨损加剧，会减少不锈钢的使用年限。如AISI 316不锈钢，它在各种场合下被运用地最多 ^[4]，我们发现它的构件表面经常会受到破坏，破坏的原因就是在外界环境中受到腐蚀以及破坏。它们的共同作用会产生复杂的物理化学反应，最终导致金属被破坏，降低了使用年限。近些年，人们越来越注意到腐蚀和磨损对不锈钢表面地破坏这个问题，并且加大了对这个问题地研究，同时也为防腐涂层的开发与制备提供重要的理论基础^[5]。在上述研究中，寻求一种新型的耐磨耐蚀涂层^[6]，以提高不锈钢的耐磨耐蚀性能，进而延长其在腐蚀磨损环境中的使用寿命，相关研究具有重要意义^[7]。

机械合金（机械合金化，简称MA）^[8]是一种金属或合金粉末，在高能球磨机之间长时间受到粉末颗粒与粉碎球之间的剧烈撞击，碰撞，粉末颗粒产生重复冷焊，从而粉末颗粒中的原子被扩散，粉末制备技术用于获取合金粉末。根据反应机制的不同，可分为高温自扩散反应和原子扩散合金^[9]。机械合金化在各种领域内被运用，这些领域中的很多设备运行于一些极端条件，在这些极端条件下，这些设备很容易由于腐蚀和磨损而被破坏^[10]。所以现在地重中之重就是研究相关涂层 ^[11-12]。

1.2机械合金化及机械合金化表面涂覆

本文选用的机械合金化制粉技术最早由美国国际镍公司的Benjamin等在1969年前后研制成功^[13-14]。它是在不加任何催化剂的条件下，各种金属粉末受到机械力的作用不断融合成新的材料^[15-16]。Ni、Ti粉末在进行机械合金化时，颗粒受到外力的作用下急剧变得越来越小，并且在这个过程中不断融合形成新的材料。由于粉末有良好地储存能量性能，它们很容易在这些外部条件下发生焊合等过程。我们研究发现可以机械合金化方法来形成Ni-Ti涂层，添加Cu粉可提高涂层的结合力。本课题利用机械合金化技术在316不锈钢表面不断制备Cu-Ni-Ti合金涂层，对涂层制备工艺参数中的球磨参数进行研究与探讨^[17]。

1.3机械合金化表面涂覆研究现状分析

近些年来，人们一直关注如何利用机械合金化制备涂层来提高不锈钢在各种场合下的使用性能。我们发现机械合金化会使小球的不断地互相撞击会促进复合粉末颗粒冷焊与断裂不断反复进行，在这个过程中一小部分粉末沉积在磨球表面和球磨罐内壁，一段时间后，经过不断的球磨过程，基体表面形成具有一定厚度的涂层^[18-19]。大量地实验结果表明, 合金粉末经历在经过机械力的作用下, 会导致大量新鲜表面与晶体受到破坏而发生缺陷, 这样会导致这个体系自由能慢慢升高, 产生了爆炸反应的各种条件;伴随着球磨过程的进行, 磨罐内部在外力作用下产生一部分高温, 因此，当粉末被加热和加热时，释放出大量热量，将周围临界状态的粉末激活，所以反应仍在继续^[20]。机械合金化可以用来制备多各种各样的特殊材料。Zaluski等^[21]利用机械合金化制备出Mg₂Ni合金，它优异的吸收氢性能。Liang等^[22]利用机械合金化制备了Mg-La Ni₅和Mg H₂-La Ni₅合金, 研究发现氢的吸放行为主要因素是氢原子的扩散能力，氢动力学的性能是由氢原子的扩散能力决定的。Ivanov等人^[23]用机械合金方法制备了一种镍铝合金，在NixAl100-x元素混合粉末以x值的大小来确定最终粉末的结构，它被证明确定。李宁等人^[24]成功地制备了采用机械合金化法和随后的退火工艺制备的Fe-Si金属间化合物，适当延长了球磨时间，发现有可能提高产品Fe-Si的纯度。超饱和固体溶液、非晶合金机械合金化法^[25]在制备亚静止材料如纳米晶体^[26]方面有其自身优点。

1.4 Ni-Ti-Cu涂层的作用

Ni-Ti-Cu合金是一种新型金属功能材料，具有优异的伪弹性和形状记忆效果，并且具有优异的耐腐蚀性和耐磨性^[27]。然而，镍铁合金价格昂贵，机械可操作性差，机械性能低于普通不锈钢材料，不适合大型加工，大大限制了机械和工程材料领域的应用^[28]。所以，研究Ni-Ti-Cu合金作为一种涂层材料在现代社会中很重要。

1.5研究目的及主要研究内容

1.5.1 研究目的

316不锈钢有着良好的焊接性能，目前，在316不锈钢上制备Ni-Ti涂层受到广泛关注。Ni-Ti涂层有着各种优异的性能，例如，镍铜合金有着良好的机械性能、耐高温强度、耐腐蚀性、耐磨性高、室温易加工、无磁性等，广泛应用于船厂、电器、仪器仪表、医疗器械、日用品、工艺品等领域，但在核、化工等苛刻的服务环境中，磨损和腐蚀容易。针对316不锈钢的上述问题，本研究通过研究铜添加量制备316不锈钢Ni-Ti涂层的影响，以提高不锈钢的耐磨耐蚀性能，进而延长其在腐蚀磨损环境中的使用寿命，相关研究具有重要意义。

1.5.2主要研究内容

（1）如何选择涂层体系，查阅资料后，我们选择Ni作为一种粉末，因为它具有伸展性，比较容易与其他金属粉末结合，而且它具有抗腐蚀性能，室温时在大气中不容易发生氧化^[27]。我们还选择Ti元素，因为它能够增加材料的强度、耐热、低温韧性和断裂韧性^[28]。

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