《Nature》子刊：抗摩擦腐蚀能力提高5倍！增材制造高性能高熵合金！

2021-11-25 14:40:37 作者：材料学网来源：材料学网分享至：

导读：具有多种主元素的高熵合金（HEAs）代表了结构合金设计的范式转变，并在腐蚀环境中表现出优异的表面降解性能。本研究在3.5 wt% NaCl溶液中评价了激光工程网状CoCrFeMnNi HEA在室温下的摩擦腐蚀响应。在摩擦腐蚀试验中，与电弧熔化的CoCrFeMnNi相比，增材制造（AM-ed） CoCrFeMnNi的磨损率、再生钝化和腐蚀电位均降低了5倍。与构建方向和垂直于构建方向的测试相比，45°方向的摩擦腐蚀响应具有显著的各向异性，表现出更好的性能。开路电位曲线的特征是随着磨损的开始急剧下降到更负的值，随后是主动摩擦腐蚀持续时间的连续变化，最后在测试结束时跳跃到更高的值，这表明AM-ed合金具有优异的表面再钝化。增材制造过程中形成的亚晶胞状结构促进了表面钝化层的形成和细化，从而提高了AM-ed CoCrFeMnNi的抗摩擦腐蚀性能。这些结果突出了在极端环境中使用增材制造HEAs的潜力，这些环境要求结合耐摩擦腐蚀、机械耐久性、延长使用寿命和低尺寸公差的净成形。

高熵合金（HEAs），也称为复杂浓缩合金，代表了合金设计策略的范式转变，展示了优异的机械性能和抗表面降解性。由于各种结构和功能应用的性能可调性，人们对不同HEA系统的先进制造和加工仍有极大的兴趣。激光工程净成形（LENS）已被证明是制造复杂几何形状的通用制造路线，具有传统工艺难以获得的增强微结构特征。LENS相对于其他增材制造技术的理想属性包括快速沉积时间、微结构细化以及获得功能梯度和分层材料的能力。AM过程中固有的局部加热和快速冷却（>103 K/s）倾向于抑制元素偏析和相分离，这在使用常规路线合成的多组分合金中很常见。有相关AM HEAs的报道，包括激光粉末床聚变（也称为选择性激光熔化）和LENS。目前，关于增材制造（AM-ed） HEAs的磨损、腐蚀和摩擦腐蚀行为的降解机制的报道和理解非常有限。

摩擦腐蚀涉及磨损和腐蚀的协同组合，导致材料加速降解。摩擦腐蚀在许多应用中都很常见，包括生物植入物、液压系统、核电站、化学反应堆、海洋工业、深海石油钻井平台和泵。由于采用了多种主要的合金化方法，HEAs的表面性能具有广泛可调性，这使得它们在摩擦腐蚀应用中很有吸引力。先前对AM HEAs的研究显示了良好的力学性能，精细微观结构以及优良的磨损和腐蚀行为。然而，迄今为止还没有报道AM-ed HEAs的摩擦腐蚀行为及相关的结构-性能-性能关系。

本文研究了AM-ed （通过 LENS） CoCrFeMnNi HEA合金的摩擦腐蚀行为，并与传统真空电弧熔铸法合成的合金进行了比较。选择等摩尔CoCrFeMnNi是因为它是研究最广泛的合金之一，有许多关于显微组织特征、机械行为、腐蚀和磨损的报告。然而，没有关于HEA摩擦腐蚀降解的报道。此外，对调幅微观结构对磨损-腐蚀协同作用的影响了解有限。在这里，我们评估了AM构建方向对摩擦腐蚀响应的影响。我们的实验装置研究了摩擦系数（COF）和开路电位（OCP）之间的相关性，以解释AM-ed和铸态CoCrFeMnNi HEA的摩擦腐蚀降解行为。

相关研究以题“Tribo-corrosion response of additively manufactured high-entropy alloy”发表在nature子刊npj materials degradation上。

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

图1 微观结构分析。激光工程的网状CoCrFeMnNi合金的扫描电镜图像显示了近乎全致密的组织，有一些微孔用箭头表示。（b）EBSD IPF图沿构建方向显示柱状晶粒。（c）铸态CoCrFeMnNi合金柱状晶的SEM图像。（d）LENS样品纵切片的光学显微镜（OM）图像。（e）（d）中方框的放大图像，显示熔体池、柱状晶粒和亚晶粒。（f）扫描电镜图像显示亚晶粒胞状结构横切面。（g）扫描电镜图像显示亚晶胞状结构纵断面。（h）高倍IPF图像显示原始晶粒内部的局部错位，插图显示沿箭头方向的错位轮廓。（i）对应的KAM图，表示沿单元边界的位错阵列。（j）x射线衍射图显示了AM-ed和铸态CoCrFeMnNi的单相FCC结构。

图2 构建方向对AM-ed CoCrFeMnNi摩擦腐蚀行为的影响。（a）研究的三个方向的示意图。（b）摩擦系数。（c）开路电位。（d）磨损量损失。（e）三个建造方向的磨损率。

图3 5 N、10 N和15 N载荷对CoCrFeMnNi摩擦腐蚀行为的影响。（a）AM CoCrFeMnNi的摩擦系数（COF）和（b）开路电位（Eocp）在3.5 wt% NaCl，5 Hz频率下与负载的函数。铸态CoCrFeMnNi的（c）COF和（d）OCP在3.5 wt% NaCl，5 Hz频率下与负载的函数。在5 Hz频率下，的OCP随3.5 wt% NaCl载荷的变化（e）频率为5 Hz时，AM CoCrFeMnNi（实心黑线）和铸造CoCrFeMnNi（实心红线）的磨损体积损失于负载的函数。（f）频率为5 Hz时，AM CoCrFeMnNi（虚线黑色）和铸态CoCrFeMnNi（虚线红色）的磨损率与负载的函数。

图4 摩擦腐蚀后磨损轨迹形貌的扫描电镜显微图。（a）对AM CoCrFeMnNi进行5 N正常载荷的摩擦腐蚀试验。（b）10 N正常载荷下AM CoCrFeMnNi的摩擦腐蚀。（c）15 N法向载荷对AM CoCrFeMnNi的摩擦腐蚀。（d）5 N法向载荷下铸态CoCrFeMnNi的摩擦腐蚀。（e）10 N法向载荷下铸态CoCrFeMnNi的摩擦腐蚀。（f）15 N法向载荷下铸态CoCrFeMnNi的摩擦腐蚀。图中黄色双面箭头表示往复滑动方向。

图5摩擦腐蚀装置。（a）安装在摩擦计上的摩擦腐蚀模块。（b）摩擦腐蚀试验装置的示意图，显示了三电极电池（（Ag/AgCl参比电极、CoCrFeMnNi工作电极和铂丝对电极）与3.5 wt% NaCl环境下的扁球往复接触（Al2O3）的耦合。（c）打印的AM CoCrFeMnNi板示意图（构建方向由箭头指示），使用放电加工（EDM）切割出摩擦腐蚀圆柱形样品。（d）直径6.35 mm，长度25 mm的圆柱形HEA工作电极。

结论：

总之，在3.5 wt% NaCl溶液中评价了AM-ed CoCrFeMnNi HEA在室温下的摩擦腐蚀响应和机理，并与相应的铸造合金进行了比较。摩擦腐蚀响应具有明显的各向异性，其各向异性为45°，表现出最佳的摩擦腐蚀性能。AM-ed合金和铸态CoCrFeMnNi均表现出磨粒磨损机制，与铸态合金相比，AM-ed合金的磨损体积损失低6倍，磨损率低5倍。AM-ed CoCrFeMnNi的抗摩擦腐蚀性能得益于AM过程中形成的亚晶胞状结构促进了组织的细化和高保护性钝化层的形成。

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