北科大李晓刚教授：关于高熵合金腐蚀行为及机理发表顶刊综述！

2021-03-05 12:01:24 作者：本网整理来源：材料学网微信公众号分享至：

近十年来，高熵合金成为金属材料领域的研究热点。HEAs突破了传统单主元合金的设计理念，四核效应（特别是高熵效应和鸡尾酒效应）使HEAs表现出比传统金属材料（如不锈钢、铜镍合金和高镍合金）更好的耐腐蚀性。目前，高熵合金的耐蚀性引起腐蚀研究领域的极大关注。

近日，北京科技大学李晓刚教授团队关于高熵合金腐蚀机理发表顶刊综述！综述了高熵合金在各种水溶液中的腐蚀行为和机理，揭示了高熵合金的组成、微观结构和耐蚀性之间的相关性，阐述了热处理、阳极氧化处理和制备方法对高熵合金腐蚀行为的影响。最后，概述了高熵合金腐蚀研究的前景，对今后的研究具有重要指导作用。相关成果以题“Recent advances on environmental corrosion behavior and mechanism of high-entropy alloys”发表在著名材料领域TOP期刊Journal of Materials Science & Technology上

论文链接：

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

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高熵合金独特的设计理念使这些合金在热力学和其他特性方面表现出高熵效应，如晶格畸变效应、缓慢扩散效应和高相稳定性。除了为开发具有优异性能的新材料提供了更广阔的组成空间外，HEAs的出现也提供了一种新的认知，即固溶体相的稳定性可以由构型熵来控制。早期对高熵合金的研究更多地集中在强度和延展性之间的权衡上，然后逐渐转向强度和其他性能，如抗辐射，耐腐蚀和抗氢致开裂。由于熵的作用，HEAs倾向于形成简单无序的面心立方（FCC），体心立方（BCC）或密排六方（HCP）结构的固溶体，这些结构为耐腐蚀HEAs的设计提供了有利条件。

高熵合金耐蚀性的未来研究集中在以下几个方面。耐腐蚀高熵合金的按需设计；高熵合金腐蚀机理的微观深入研究；无序结构与腐蚀性能的相关性等

图1从组成、微观结构、氧化膜和工艺等方面综述了高耐蚀合金的环境腐蚀行为和机理。

图2 四种核心效应与耐腐蚀性之间的潜在关系。

（1）耐腐蚀高熵合金的按需设计

抗腐蚀HEAs的设计应该突破等摩尔比的思想，更多的关注非等摩尔比的HEAs。耐腐蚀合金的设计应借鉴物理冶金和传统耐腐蚀合金的设计经验，如原子尺寸差、混合焓、价电子浓度、结构和电偶序列。还需要应用机器学习、相图计算、高通量技术等方法，全面、高效地开发出所需的耐腐蚀HEAs。

图3（a） Al0.3CoCrFeNi，（b） Al0.5CoCrFeNi和（c） Al0.7CoCrFeNi的元素分布，通过能量色散X射线光谱（EDS）映射。

图4。（a）0.5M H2SO 4溶液中的AlxCoCrFeNi （x=0，0.25，0.5，1）和3.5 wt%氯化钠溶液中的AlxCoCrFeNi （x=0.3，0.5，0.7）的动电位极化曲线。

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图5（a） Nyquist图，（b） Bode图和3.5 wt% NaCl溶液内FeCoNiCrx （x=0，0.5，1.0）的等效电路。（在等效电路中，Rs代表溶液电阻，Zf代表电极的法拉第阻抗，Qdl是双层电容，Rt是电荷转移电阻，Ca和Ra分别是被动膜的电容和阻抗，Zw代表Warburg阻抗）。

图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光谱。

图7（1）亮场透射电子显微镜图像，（2）枝晶内析出物的透射电子显微镜图像，（3）枝晶间区域的SAED模式，（4）含有析出物的枝晶基体的SAED模式，（5-8）通过透射电子显微镜-电子能谱图确定的铝1.2钴铬镍钛0.8合金中析出物的元素分布：（5）铝、镍；铝、铬、铁、镍；铬、铁和（氢）钛、铁、钴。

图8含铜Fe38.5Mn20Co20Cr15Si5Cu1.5合金在3.5 wt。%氯化钠溶液：（a）铸态和搅拌摩擦处理后的铜-HEA的动电位极化曲线，（b）铸态合金中富铜-锰相的二次电子图像，（b1）铜，（b2）锰，（c）铸态合金点蚀形貌的二次电子图像（靠近富铜-锰相），（d-e）搅拌摩擦处理后合金点蚀形貌的二次电子图像，（e1，e2）能谱分析腐蚀产物的元素分布，（f）铸态合金中富铜-锰相的组成。

（2）高熵合金腐蚀机理的微观深入研究

在微观尺度上进一步研究高熵合金的腐蚀机理也将是未来工作的一个热点

图9钴铬镍HEA合金点蚀过程示意图。

图10锻造态和平衡态AlxCoCrFeNi （x=0.3，0.5，0.7）（A1，A2和B2分别代表无序面心立方相，无序面心立方相和有序面心立方相）：（a）锻造态Al0.3CoCrFeNi（b）平衡态Al0.3CoCrFeNi（c）锻态Al0.5CoCrFeNi的相间；锻造态Al0.5CoCrFeNi的无序/有序BCC相；（e）平衡态Al0.5CoCrFeNi（f）锻造Al0.7CoCrFeNi（g）锻造态Al0.7CoCrFeNi的中间相和（h）锻造态Al0.7CoCrFeNi的无序/有序BCC相。

（3）无序结构与腐蚀性能的相关性

揭示这种特殊的无序结构对高熵合金腐蚀性能的影响是一项有价值的工作。有必要对高熵合金的应力腐蚀、氢致开裂、腐蚀疲劳等局部腐蚀性能进行研究，为应用提供充分的数据，上述分析还涉及到无序结构对HEAs耐蚀性的影响。