北科大惠希东团队：抗腐蚀能力提高一个数量级！开发具有海洋应用前景的高强度高熵合金！

2021-05-28 15:23:11 作者：材料学网来源：材料学网分享至：

导读：镍铝青铜合金是使用了数十年的传统海洋材料，但面临强度和腐蚀性能不足的挑战。本文开发了新颖的NiMnFeCrAlCu多主要元素合金（MPEA），该合金具有优异的屈服强度和极限抗拉强度，并且腐蚀电流密度比NBA降低了一个数量级，并且还显示出相当大的铜离子释放浓度。这些优点归因于FCC + BCC双相，以及FCC基体中Cu的富集和BCC晶粒中Cr的富集。这项工作对开发高级海洋材料的新策略具有重要意义。

在过去的几十年中，由于含有9-12％（重量）铝和最多6％（重量）铁和镍的铝-镍铝青铜（NAB）合金被广泛用于船舶应用，例如船员螺旋桨和阀门。机械，耐腐蚀和抗生物污垢性能的极佳组合。然而，随着对更大吨位的更高推力要求，更高的巡航速度以及军舰和民用船的长期使用寿命，传统的NAB的强度和耐腐蚀性变得不足。近来，随着等距原子比或多个主要元件，即高熵合金（HEA与）或多主要元素合金（MPEAs）的新合金设计概念被提出。

利用MPEAs方法，人们成功开发了高强度塑料FCC和BCC HEA。然而，在开发有望用于海洋应用的MPEA方面进行了很少的工作，特别是那些具有抗生物污垢性的MPEA。众所周知，铜（Cu）和银（Ag）是天然抗菌剂。因此，材料科学家一直注重开发铜/银涂覆的材料，表面改性的抗菌材料和Cu /银轴承材料。但是，这些当前使用的材料仍然需要解决许多问题。Cu / Ag涂层和表面改性的抗菌材料的最大挑战之一是保持抗菌性能的长期有效性。然而，许多已经证明，添加Cu与常规合金高含量，如钛合金和不锈钢，导致恶化的机械性能。

在这项工作中，北京科技大学惠希东教授团队成功地制备了新型的高铜含量的NiMnFe 0.5 Cr 0.5 Al 0.2 Cu x MPEAs。测试结果表明，这些合金比先前提到的NAB具有更强的机械性能和耐腐蚀性。同时，NiMnFe 0.5 Cr 0.5 Al 0.2 Cu 1.2释放的铜离子达到了NAB的近25％，表明具有很强的抗生物污垢能力。相关研究成果以题“High strength NiMnFeCrAlCu multi-principal-element alloys with marine application perspective”发表在国际著名期刊Scripta materialia上。

论文链接：

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

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AC和AN合金的X射线衍射图如图1所示。在铸态下，所有合金均显示FCC和BCC相的衍射峰。特别是，所有的FCC峰分裂成两个明显的峰，表明2个FCC相用近似的形成晶格常数，如图1（b）所示。退火后，衍射峰变尖锐，所有合金均由FCC和BCC双相组成。通过拟合所有五个峰，可以确定退火合金中FCC相的晶格常数分别为0.3657、0.3659和0.3660 nm。

图1。的（a）和（c）X射线衍射图案的铸态和退火NiMnFe 0.5铬0.5的Al 0.2的Cu X分别如（a）和（c）所示，MPEAs，（b）和（d）放大的峰。

图2。铸态合金的反向散射SEM图像：（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的高倍放大图像；（h）和（i）（g）中所示区域的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的拉伸应力-应变曲线如图3（a，b）所示。在交流状态下，当前MPEA的屈服强度（YS）和极限抗拉强度（UTS）随着Cu含量的增加而增加，在Cu1.2合金中达到496 MPa和847 MPa的最大值。随着Cu含量的进一步增加，YS和UTS均逐渐降低。无论如何，当前所有MPEA的YS都高于参考NAB的352 MPa。当前MPEA的总延伸率（EL）随着Cu含量的增加而降低，并且所有EL均低于NAB。退火处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之间，显然高于AC NAB的YS，并且分布比AC合金均匀得多。与AC合金相比，退火合金的EL显着增加，介于24.1％和27.9％之间。归因于较高的EL和连续加工硬化效果，退火合金的UTS均高于相应的AC合金，且介于824 MPa和901 MPa之间。通常，商用NAB的YS，UTS和EL分别小于300 MPa，650 MPa和20％。因此，目前的MPEA在机械性能方面比NAB显着优越。

图3。NiMnFe 0.5 Cr 0.5 Al 0.2 Cu x MPEAs的拉伸性能：（a）AC和（b）AN合金的工程应力-应变曲线；（c）比较MPEAs的拉伸SYS，UTS和EL作为铜浓度和铸态NAB的函数。

图4。（a）铸态和（b）退火的Cu1.6 MPEA拉伸试验后的断裂形态；（c）和（d）分别针对与（a）和（b）相同的区域的Cr元素映射。

图5 （a）铸态和（b）以3.5 wt。％的NiMnFe 0.5 Cr 0.5 Al 0.2 Cu x MPEAs退火的极化曲线。氯化钠溶液；（c）在3.5 wt。％的水中浸泡18天后，从MPEA和NAB释放的铜离子浓度。％NaCl溶液；电化学测试后的MPEA样品的SEM图像，（d）铸态Cu0.8和（e）退火Cu0.8。

总之，我们成功制备了新型NiMnFeCrAlCu MPEA。研究了AC和AN合金的组织演变，力学性能，电化学性能以及铜离子的释放。所有合金均形成了FCC + BCC双相，并且在退火合金中获得了嵌入了微小FCC相的BCC相的特殊形态。这些MPEA具有比NAB更好的机械性能和耐腐蚀性能。在这些MPEA中检测到大量的铜离子释放。总而言之，这项工作提出了一种具有优异综合性能的新型材料，并为开发有望用于海洋的先进MPEA提供了策略。

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