高溫非晶合金的腐蝕性能研究取得重要進展

非晶合金具有組織均一、高強度、高硬度、耐磨蝕、熱膨脹系數小、納米級表面結構復寫等特性，在其過冷液相區可快速實現從宏觀至微米、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，傳統非晶合金的玻璃轉變溫度低，高溫強度及熱穩定性差，使役溫度難以超過600K，不能滿足目前光學玻璃模壓成型溫度的要求。研發高溫高強高穩定性塊體非晶合金（簡稱“高溫非晶合金”）有望將光學玻璃模壓模具的磨削加工轉變為熱塑加工，突破磨削加工無法制備微納米表面結構的先天限制，孕育變革性的光學玻璃元件“微納模壓成型”技術。

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

基于此，在國家重點研發計劃變革性技術關鍵科學問題專項的支持下，中國科學院寧波材料技術與工程研究所和中國科學院物理研究所、燕山大學、深圳大學、北京航空航天大學聯合開展了“高溫高強高熱穩定性塊體非晶合金新材料與應用基礎”（項目編號：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隊主要負責課題“高溫非晶合金的氧化與腐蝕機理研究”。近期，在王軍強研究員和霍軍濤研究員的指導下，該組課題生楊曉東等人圍繞前期項目組開發的Ir-Ni-Ta-（B）高溫非晶合金[Nature 569 （2019） 99-103]的腐蝕行為開展了深入系統的研究。研究發現在酸性溶液中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Ir以及Ni和Ta的氧化物組合而成的相對穩定的鈍化膜。這種鈍化膜具有較好的保護性，從而表現出很強的耐點蝕能力，因而腐蝕多發生于缺陷處。另外，研究發現微量添加類金屬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樣品降低了一個數量級。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促進鈍化膜的快速形成，同時抑制活性金屬的溶解。金屬Ir的表面富集和[BO3]3-的吸附進一步提高了Ir-Ni-Ta-B非晶合金的耐蝕性。相關結果表明，可以通過電化學鈍化處理優先生成具有保護性的鈍化膜以增加Ir基非晶合金作為模具材料的耐蝕性能，為增強高溫高強高穩定性塊體非晶合金在嚴苛服役環境中的使用壽命提供了重要實驗基礎和理論支撐。相關結果發表在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家重點研發計劃（2018YFA0703604、2018YFA0703602），國家自然科學基金（52001319、52071327、51922102、52171148），中科院青促會 （2019296）, 浙江省自然科學基金 （LR22E010004、LR18E010002）, 寧波市2025科技創新項目（2019B10051）和寧波市自然科學基金（202003N4354）等項目的資助。