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北科大李曉剛教授：關于高熵合金腐蝕行為及機理發表頂刊綜述！

2021-03-05 12:01:24 作者：本網整理來源：材料學網微信公眾號分享至：

近十年來，高熵合金成為金屬材料領域的研究熱點。HEAs突破了傳統單主元合金的設計理念，四核效應（特別是高熵效應和雞尾酒效應）使HEAs表現出比傳統金屬材料（如不銹鋼、銅鎳合金和高鎳合金）更好的耐腐蝕性。目前，高熵合金的耐蝕性引起腐蝕研究領域的極大關注。

近日，北京科技大學李曉剛教授團隊關于高熵合金腐蝕機理發表頂刊綜述！綜述了高熵合金在各種水溶液中的腐蝕行為和機理，揭示了高熵合金的組成、微觀結構和耐蝕性之間的相關性，闡述了熱處理、陽極氧化處理和制備方法對高熵合金腐蝕行為的影響。最后，概述了高熵合金腐蝕研究的前景，對今后的研究具有重要指導作用。相關成果以題“Recent advances on environmental corrosion behavior and mechanism of high-entropy alloys”發表在著名材料領域TOP期刊Journal of Materials Science & Technology上

論文鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.jmst.2020.11.044

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高熵合金獨特的設計理念使這些合金在熱力學和其他特性方面表現出高熵效應，如晶格畸變效應、緩慢擴散效應和高相穩定性。除了為開發具有優異性能的新材料提供了更廣闊的組成空間外，HEAs的出現也提供了一種新的認知，即固溶體相的穩定性可以由構型熵來控制。早期對高熵合金的研究更多地集中在強度和延展性之間的權衡上，然后逐漸轉向強度和其他性能，如抗輻射，耐腐蝕和抗氫致開裂。由于熵的作用，HEAs傾向于形成簡單無序的面心立方（FCC），體心立方（BCC）或密排六方（HCP）結構的固溶體，這些結構為耐腐蝕HEAs的設計提供了有利條件。

高熵合金耐蝕性的未來研究集中在以下幾個方面。耐腐蝕高熵合金的按需設計；高熵合金腐蝕機理的微觀深入研究；無序結構與腐蝕性能的相關性等

圖1從組成、微觀結構、氧化膜和工藝等方面綜述了高耐蝕合金的環境腐蝕行為和機理。

圖2 四種核心效應與耐腐蝕性之間的潛在關系。

（1）耐腐蝕高熵合金的按需設計

抗腐蝕HEAs的設計應該突破等摩爾比的思想，更多的關注非等摩爾比的HEAs。耐腐蝕合金的設計應借鑒物理冶金和傳統耐腐蝕合金的設計經驗，如原子尺寸差、混合焓、價電子濃度、結構和電偶序列。還需要應用機器學習、相圖計算、高通量技術等方法，全面、高效地開發出所需的耐腐蝕HEAs。

圖3（a） Al0.3CoCrFeNi，（b） Al0.5CoCrFeNi和（c） Al0.7CoCrFeNi的元素分布，通過能量色散X射線光譜（EDS）映射。

圖4。（a）0.5M H2SO 4溶液中的AlxCoCrFeNi （x=0，0.25，0.5，1）和3.5 wt%氯化鈉溶液中的AlxCoCrFeNi （x=0.3，0.5，0.7）的動電位極化曲線。

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圖5（a） Nyquist圖，（b） Bode圖和3.5 wt% NaCl溶液內FeCoNiCrx （x=0，0.5，1.0）的等效電路。（在等效電路中，Rs代表溶液電阻，Zf代表電極的法拉第阻抗，Qdl是雙層電容，Rt是電荷轉移電阻，Ca和Ra分別是被動膜的電容和阻抗，Zw代表Warburg阻抗）。

圖6（a） Cr 2p3/2，（b） Fe 2p3/2，（c） Ni 2p3/2，（d） Co 2p3/2，（e） O 1s和（f） Mo 3d在FeCoCrNi和FeCoCrNiMo0.1合金氧化膜中的XPS光譜。

圖7（1）亮場透射電子顯微鏡圖像，（2）枝晶內析出物的透射電子顯微鏡圖像，（3）枝晶間區域的SAED模式，（4）含有析出物的枝晶基體的SAED模式，（5-8）通過透射電子顯微鏡-電子能譜圖確定的鋁1.2鈷鉻鎳鈦0.8合金中析出物的元素分布：（5）鋁、鎳；鋁、鉻、鐵、鎳；鉻、鐵和（氫）鈦、鐵、鈷。

圖8含銅Fe38.5Mn20Co20Cr15Si5Cu1.5合金在3.5 wt。%氯化鈉溶液：（a）鑄態和攪拌摩擦處理后的銅-HEA的動電位極化曲線，（b）鑄態合金中富銅-錳相的二次電子圖像，（b1）銅，（b2）錳，（c）鑄態合金點蝕形貌的二次電子圖像（靠近富銅-錳相），（d-e）攪拌摩擦處理后合金點蝕形貌的二次電子圖像，（e1，e2）能譜分析腐蝕產物的元素分布，（f）鑄態合金中富銅-錳相的組成。

（2）高熵合金腐蝕機理的微觀深入研究

在微觀尺度上進一步研究高熵合金的腐蝕機理也將是未來工作的一個熱點

圖9鈷鉻鎳HEA合金點蝕過程示意圖。

圖10鍛造態和平衡態AlxCoCrFeNi （x=0.3，0.5，0.7）（A1，A2和B2分別代表無序面心立方相，無序面心立方相和有序面心立方相）：（a）鍛造態Al0.3CoCrFeNi（b）平衡態Al0.3CoCrFeNi（c）鍛態Al0.5CoCrFeNi的相間；鍛造態Al0.5CoCrFeNi的無序/有序BCC相；（e）平衡態Al0.5CoCrFeNi（f）鍛造Al0.7CoCrFeNi（g）鍛造態Al0.7CoCrFeNi的中間相和（h）鍛造態Al0.7CoCrFeNi的無序/有序BCC相。

（3）無序結構與腐蝕性能的相關性

揭示這種特殊的無序結構對高熵合金腐蝕性能的影響是一項有價值的工作。有必要對高熵合金的應力腐蝕、氫致開裂、腐蝕疲勞等局部腐蝕性能進行研究，為應用提供充分的數據，上述分析還涉及到無序結構對HEAs耐蝕性的影響。