高强韧类Cantor-Al高熵合金的耐腐蚀机理研究

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近年来,众多学者设计出具有高强度、高硬度、耐腐蚀、耐磨损等优异性能的高熵合金代替了传统合金,在航空航天发动机、工业燃气轮机上的涡轮盘等领域具有广泛的应用。但是国内外对高熵合金在深冷淬火低温处理后的耐腐蚀机理和相形成等方面研究还不完善,因此,本课题选用课题组前期研究腐蚀性能和力学性能优异的合金体系,在此基础上添加原子半径较大的合金化元素Al,通过控制Al的含量,探究对合金结构与性能的影响,再对合金体系进行深冷淬火低温处理,探究深冷淬火对合金结构与性能的影响。首先对我们设计的合金体系进行热力学相图计算,预测添加合金化元素Al会使合金体系中产生的相结构以及相组成随温度的变化过程,从而确定合金的热处理温度,为后续实验作理论指导,然后对设计的合金体系进行熔炼,采用扫描电镜-能谱仪(SEM-EDS)验证合金的实际成分及熔炼过程中元素的分布情况,利用X射线衍射仪(XRD)分析相结构,判断与理论计算结果是否一致,能否进行下一步实验。将合金在液氮下进行低温淬火处理,对铸态合金及深冷淬火后的合金分别在3.5 wt.%Na Cl溶液中进行开路电位(OCP)、极化和循环极化曲线(Tafel)、交流阻抗图谱(EIS)、电化学噪声(ECN)、线性伏安(LSV)和阶梯伏安曲线(SCV)、莫特-肖特基(Mott-Schottky)等电化学实验和显微硬度测试,综合分析合金的耐蚀性能及腐蚀机理,确定综合性能最优的合金体系。实验结果如下:(1)利用Thermo-Calc热力学计算软件得到的类Cantor-Al合金体系六元相图、平衡时相分数随温度变化曲线(NPM图)和基于Scheil-Gulliver模型的凝固曲线,作为后续实验的理论依据,我们可以得到合金体系析出相的成分、相结构以及相的析出温度和相转变温度。由上述计算结果可知,随着Al含量的增多,合金体系中BCC及B2-Ni Al析出相逐渐增多,BCC相的析出温度和凝固温度逐渐提高,合金体系逐渐由FCC+HCP→FCC+HCP+BCC+B2进行转变。(2)采用真空感应炉熔炼制备Co Cr Fe Ni Mn Alx(x=0,0.5,1.0,1.5,2.0 at.%)五种合金及Inconel 718参比样品,通过EDS测试可知,熔炼合金成分与理论计算结果基本保持一致,各个元素在熔炼过程中扩散均匀;经过XRD测试表明合金中添加Al元素后,随着Al含量的增多,合金由FCC向HCP马氏体转变;由ECCI像可知,图中有明显的明暗条纹,说明合金中存在FCC和HCP马氏体相。(3)通过稳态电化学测试表明,添加0.5 at.%Al的Can A2合金的开路电位曲线波动较小,电位较正,同时具有较高的击穿电位,深冷淬火后的电化学参数较深冷淬火前都有所提高,因此Can A2合金的耐蚀性能更佳,深冷淬火处理提高了合金的耐蚀性能。(4)通过暂态电化学测试表明,深冷淬火前Can A2合金的容抗弧半径和极化电阻值最大,噪声电阻值较大,而且具有较高的平带电位,因此Can A2合金的腐蚀倾向最低,钝化膜的传导性较低,具有较低的腐蚀速率,合金的耐蚀性能较高;深冷淬火处理提高了合金的耐蚀性能,且对Al含量更高的Can A5合金影响最大。(5)由硬度测试结果可知,经过深冷淬火低温处理后合金的显微硬度值有明显的提高,低温使合金内部的晶粒得到细化,同时改变了变形机制,使合金由位错滑移转变为变形孪晶,从而提高了合金的力学性能。
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