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《Nature》子刊：抗摩擦腐蝕能力提高5倍！增材制造高性能高熵合金！

2021-11-25 14:40:37 作者：材料學網(wǎng) 來源：材料學網(wǎng) 分享至：

導讀：具有多種主元素的高熵合金（HEAs）代表了結(jié)構(gòu)合金設(shè)計的范式轉(zhuǎn)變，并在腐蝕環(huán)境中表現(xiàn)出優(yōu)異的表面降解性能。本研究在3.5 wt% NaCl溶液中評價了激光工程網(wǎng)狀CoCrFeMnNi HEA在室溫下的摩擦腐蝕響應。在摩擦腐蝕試驗中，與電弧熔化的CoCrFeMnNi相比，增材制造（AM-ed） CoCrFeMnNi的磨損率、再生鈍化和腐蝕電位均降低了5倍。與構(gòu)建方向和垂直于構(gòu)建方向的測試相比，45°方向的摩擦腐蝕響應具有顯著的各向異性，表現(xiàn)出更好的性能。開路電位曲線的特征是隨著磨損的開始急劇下降到更負的值，隨后是主動摩擦腐蝕持續(xù)時間的連續(xù)變化，最后在測試結(jié)束時跳躍到更高的值，這表明AM-ed合金具有優(yōu)異的表面再鈍化。增材制造過程中形成的亞晶胞狀結(jié)構(gòu)促進了表面鈍化層的形成和細化，從而提高了AM-ed CoCrFeMnNi的抗摩擦腐蝕性能。這些結(jié)果突出了在極端環(huán)境中使用增材制造HEAs的潛力，這些環(huán)境要求結(jié)合耐摩擦腐蝕、機械耐久性、延長使用壽命和低尺寸公差的凈成形。

高熵合金（HEAs），也稱為復雜濃縮合金，代表了合金設(shè)計策略的范式轉(zhuǎn)變，展示了優(yōu)異的機械性能和抗表面降解性。由于各種結(jié)構(gòu)和功能應用的性能可調(diào)性，人們對不同HEA系統(tǒng)的先進制造和加工仍有極大的興趣。激光工程凈成形（LENS）已被證明是制造復雜幾何形狀的通用制造路線，具有傳統(tǒng)工藝難以獲得的增強微結(jié)構(gòu)特征。LENS相對于其他增材制造技術(shù)的理想屬性包括快速沉積時間、微結(jié)構(gòu)細化以及獲得功能梯度和分層材料的能力。AM過程中固有的局部加熱和快速冷卻（>103 K/s）傾向于抑制元素偏析和相分離，這在使用常規(guī)路線合成的多組分合金中很常見。有相關(guān)AM HEAs的報道，包括激光粉末床聚變（也稱為選擇性激光熔化）和LENS。目前，關(guān)于增材制造（AM-ed） HEAs的磨損、腐蝕和摩擦腐蝕行為的降解機制的報道和理解非常有限。

摩擦腐蝕涉及磨損和腐蝕的協(xié)同組合，導致材料加速降解。摩擦腐蝕在許多應用中都很常見，包括生物植入物、液壓系統(tǒng)、核電站、化學反應堆、海洋工業(yè)、深海石油鉆井平臺和泵。由于采用了多種主要的合金化方法，HEAs的表面性能具有廣泛可調(diào)性，這使得它們在摩擦腐蝕應用中很有吸引力。先前對AM HEAs的研究顯示了良好的力學性能，精細微觀結(jié)構(gòu)以及優(yōu)良的磨損和腐蝕行為。然而，迄今為止還沒有報道AM-ed HEAs的摩擦腐蝕行為及相關(guān)的結(jié)構(gòu)-性能-性能關(guān)系。

本文研究了AM-ed （通過 LENS） CoCrFeMnNi HEA合金的摩擦腐蝕行為，并與傳統(tǒng)真空電弧熔鑄法合成的合金進行了比較。選擇等摩爾CoCrFeMnNi是因為它是研究最廣泛的合金之一，有許多關(guān)于顯微組織特征、機械行為、腐蝕和磨損的報告。然而，沒有關(guān)于HEA摩擦腐蝕降解的報道。此外，對調(diào)幅微觀結(jié)構(gòu)對磨損-腐蝕協(xié)同作用的影響了解有限。在這里，我們評估了AM構(gòu)建方向?qū)δΣ粮g響應的影響。我們的實驗裝置研究了摩擦系數(shù)（COF）和開路電位（OCP）之間的相關(guān)性，以解釋AM-ed和鑄態(tài)CoCrFeMnNi HEA的摩擦腐蝕降解行為。

相關(guān)研究以題“Tribo-corrosion response of additively manufactured high-entropy alloy”發(fā)表在nature子刊npj materials degradation上。

鏈接：https://www.nature.com/articles/s41529-021-00177-2

圖1 微觀結(jié)構(gòu)分析。激光工程的網(wǎng)狀CoCrFeMnNi合金的掃描電鏡圖像顯示了近乎全致密的組織，有一些微孔用箭頭表示。（b）EBSD IPF圖沿構(gòu)建方向顯示柱狀晶粒。（c）鑄態(tài)CoCrFeMnNi合金柱狀晶的SEM圖像。（d）LENS樣品縱切片的光學顯微鏡（OM）圖像。（e）（d）中方框的放大圖像，顯示熔體池、柱狀晶粒和亞晶粒。（f）掃描電鏡圖像顯示亞晶粒胞狀結(jié)構(gòu)橫切面。（g）掃描電鏡圖像顯示亞晶胞狀結(jié)構(gòu)縱斷面。（h）高倍IPF圖像顯示原始晶粒內(nèi)部的局部錯位，插圖顯示沿箭頭方向的錯位輪廓。（i）對應的KAM圖，表示沿單元邊界的位錯陣列。（j）x射線衍射圖顯示了AM-ed和鑄態(tài)CoCrFeMnNi的單相FCC結(jié)構(gòu)。

圖2 構(gòu)建方向?qū)M-ed CoCrFeMnNi摩擦腐蝕行為的影響。（a）研究的三個方向的示意圖。（b）摩擦系數(shù)。（c）開路電位。（d）磨損量損失。（e）三個建造方向的磨損率。

圖3 5 N、10 N和15 N載荷對CoCrFeMnNi摩擦腐蝕行為的影響。（a）AM CoCrFeMnNi的摩擦系數(shù)（COF）和（b）開路電位（Eocp）在3.5 wt% NaCl，5 Hz頻率下與負載的函數(shù)。鑄態(tài)CoCrFeMnNi的（c）COF和（d）OCP在3.5 wt% NaCl，5 Hz頻率下與負載的函數(shù)。在5 Hz頻率下，的OCP隨3.5 wt% NaCl載荷的變化（e）頻率為5 Hz時，AM CoCrFeMnNi（實心黑線）和鑄造CoCrFeMnNi（實心紅線）的磨損體積損失于負載的函數(shù)。（f）頻率為5 Hz時，AM CoCrFeMnNi（虛線黑色）和鑄態(tài)CoCrFeMnNi（虛線紅色）的磨損率與負載的函數(shù)。

圖4 摩擦腐蝕后磨損軌跡形貌的掃描電鏡顯微圖。（a）對AM CoCrFeMnNi進行5 N正常載荷的摩擦腐蝕試驗。（b）10 N正常載荷下AM CoCrFeMnNi的摩擦腐蝕。（c）15 N法向載荷對AM CoCrFeMnNi的摩擦腐蝕。（d）5 N法向載荷下鑄態(tài)CoCrFeMnNi的摩擦腐蝕。（e）10 N法向載荷下鑄態(tài)CoCrFeMnNi的摩擦腐蝕。（f）15 N法向載荷下鑄態(tài)CoCrFeMnNi的摩擦腐蝕。圖中黃色雙面箭頭表示往復滑動方向。

圖5摩擦腐蝕裝置。（a）安裝在摩擦計上的摩擦腐蝕模塊。（b）摩擦腐蝕試驗裝置的示意圖，顯示了三電極電池（（Ag/AgCl參比電極、CoCrFeMnNi工作電極和鉑絲對電極）與3.5 wt% NaCl環(huán)境下的扁球往復接觸（Al2O3）的耦合。（c）打印的AM CoCrFeMnNi板示意圖（構(gòu)建方向由箭頭指示），使用放電加工（EDM）切割出摩擦腐蝕圓柱形樣品。（d）直徑6.35 mm，長度25 mm的圓柱形HEA工作電極。

結(jié)論：

總之，在3.5 wt% NaCl溶液中評價了AM-ed CoCrFeMnNi HEA在室溫下的摩擦腐蝕響應和機理，并與相應的鑄造合金進行了比較。摩擦腐蝕響應具有明顯的各向異性，其各向異性為45°，表現(xiàn)出最佳的摩擦腐蝕性能。AM-ed合金和鑄態(tài)CoCrFeMnNi均表現(xiàn)出磨粒磨損機制，與鑄態(tài)合金相比，AM-ed合金的磨損體積損失低6倍，磨損率低5倍。AM-ed CoCrFeMnNi的抗摩擦腐蝕性能得益于AM過程中形成的亞晶胞狀結(jié)構(gòu)促進了組織的細化和高保護性鈍化層的形成。

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