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北科大惠希東團隊：抗腐蝕能力提高一個數量級！開發具有海洋應用前景的高強度高熵合金！

2021-05-28 15:23:11 作者：材料學網來源：材料學網分享至：

導讀：鎳鋁青銅合金是使用了數十年的傳統海洋材料，但面臨強度和腐蝕性能不足的挑戰。本文開發了新穎的NiMnFeCrAlCu多主要元素合金（MPEA），該合金具有優異的屈服強度和極限抗拉強度，并且腐蝕電流密度比NBA降低了一個數量級，并且還顯示出相當大的銅離子釋放濃度。這些優點歸因于FCC + BCC雙相，以及FCC基體中Cu的富集和BCC晶粒中Cr的富集。這項工作對開發高級海洋材料的新策略具有重要意義。

在過去的幾十年中，由于含有9-12％（重量）鋁和最多6％（重量）鐵和鎳的鋁-鎳鋁青銅（NAB）合金被廣泛用于船舶應用，例如船員螺旋槳和閥門。機械，耐腐蝕和抗生物污垢性能的極佳組合。然而，隨著對更大噸位的更高推力要求，更高的巡航速度以及軍艦和民用船的長期使用壽命，傳統的NAB的強度和耐腐蝕性變得不足。近來，隨著等距原子比或多個主要元件，即高熵合金（HEA與）或多主要元素合金（MPEAs）的新合金設計概念被提出。

利用MPEAs方法，人們成功開發了高強度塑料FCC和BCC HEA。然而，在開發有望用于海洋應用的MPEA方面進行了很少的工作，特別是那些具有抗生物污垢性的MPEA。眾所周知，銅（Cu）和銀（Ag）是天然抗菌劑。因此，材料科學家一直注重開發銅/銀涂覆的材料，表面改性的抗菌材料和Cu /銀軸承材料。但是，這些當前使用的材料仍然需要解決許多問題。Cu / Ag涂層和表面改性的抗菌材料的最大挑戰之一是保持抗菌性能的長期有效性。然而，許多已經證明，添加Cu與常規合金高含量，如鈦合金和不銹鋼，導致惡化的機械性能。

在這項工作中，北京科技大學惠希東教授團隊成功地制備了新型的高銅含量的NiMnFe 0.5 Cr 0.5 Al 0.2 Cu x MPEAs。測試結果表明，這些合金比先前提到的NAB具有更強的機械性能和耐腐蝕性。同時，NiMnFe 0.5 Cr 0.5 Al 0.2 Cu 1.2釋放的銅離子達到了NAB的近25％，表明具有很強的抗生物污垢能力。相關研究成果以題“High strength NiMnFeCrAlCu multi-principal-element alloys with marine application perspective”發表在國際著名期刊Scripta materialia上。

論文鏈接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359646221002724#fig0002

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AC和AN合金的X射線衍射圖如圖1所示。在鑄態下，所有合金均顯示FCC和BCC相的衍射峰。特別是，所有的FCC峰分裂成兩個明顯的峰，表明2個FCC相用近似的形成晶格常數，如圖1（b）所示。退火后，衍射峰變尖銳，所有合金均由FCC和BCC雙相組成。通過擬合所有五個峰，可以確定退火合金中FCC相的晶格常數分別為0.3657、0.3659和0.3660 nm。

圖1。的（a）和（c）X射線衍射圖案的鑄態和退火NiMnFe 0.5鉻0.5的Al 0.2的Cu X分別如（a）和（c）所示，MPEAs，（b）和（d）放大的峰。

圖2。鑄態合金的反向散射SEM圖像：（a）Cu0.8，（b）Cu1.2和（c）Cu1.6；退火合金：（d）Cu0.8，（e）Cu1.2，（f）Cu1.6; （g）退火的Cu1.6的高倍放大圖像；（h）和（i）（g）中所示區域的Cr和Cu元素的元素映射。

AC和AN NiMnFe 0.5 Cr 0.5 Al 0.2 Cu x MPEA的拉伸應力-應變曲線如圖3（a，b）所示。在交流狀態下，當前MPEA的屈服強度（YS）和極限抗拉強度（UTS）隨著Cu含量的增加而增加，在Cu1.2合金中達到496 MPa和847 MPa的最大值。隨著Cu含量的進一步增加，YS和UTS均逐漸降低。無論如何，當前所有MPEA的YS都高于參考NAB的352 MPa。當前MPEA的總延伸率（EL）隨著Cu含量的增加而降低，并且所有EL均低于NAB。退火處理后的拉伸性能不同成分的合金的相似性。所有退火合金的YS介于434 MPa至475 MPa之間，顯然高于AC NAB的YS，并且分布比AC合金均勻得多。與AC合金相比，退火合金的EL顯著增加，介于24.1％和27.9％之間。歸因于較高的EL和連續加工硬化效果，退火合金的UTS均高于相應的AC合金，且介于824 MPa和901 MPa之間。通常，商用NAB的YS，UTS和EL分別小于300 MPa，650 MPa和20％。因此，目前的MPEA在機械性能方面比NAB顯著優越。

圖3。NiMnFe 0.5 Cr 0.5 Al 0.2 Cu x MPEAs的拉伸性能：（a）AC和（b）AN合金的工程應力-應變曲線；（c）比較MPEAs的拉伸SYS，UTS和EL作為銅濃度和鑄態NAB的函數。

圖4。（a）鑄態和（b）退火的Cu1.6 MPEA拉伸試驗后的斷裂形態；（c）和（d）分別針對與（a）和（b）相同的區域的Cr元素映射。

圖5 （a）鑄態和（b）以3.5 wt。％的NiMnFe 0.5 Cr 0.5 Al 0.2 Cu x MPEAs退火的極化曲線。氯化鈉溶液；（c）在3.5 wt。％的水中浸泡18天后，從MPEA和NAB釋放的銅離子濃度。％NaCl溶液；電化學測試后的MPEA樣品的SEM圖像，（d）鑄態Cu0.8和（e）退火Cu0.8。

總之，我們成功制備了新型NiMnFeCrAlCu MPEA。研究了AC和AN合金的組織演變，力學性能，電化學性能以及銅離子的釋放。所有合金均形成了FCC + BCC雙相，并且在退火合金中獲得了嵌入了微小FCC相的BCC相的特殊形態。這些MPEA具有比NAB更好的機械性能和耐腐蝕性能。在這些MPEA中檢測到大量的銅離子釋放。總而言之，這項工作提出了一種具有優異綜合性能的新型材料，并為開發有望用于海洋的先進MPEA提供了策略。

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