0 引言

近年来,高熵合金作为高热度的多主元合金受到众多学者的青睐。究其原因是其具备优异的综合性能,如机械性能、耐磨及耐蚀性等[1-3]。高熵合金这一概念是由叶均蔚等在2004年提出的,在2014年由Lu等[4]提出了共晶高熵合金这一概念的新合金——AlCoCrFeNi2.1,其包含了体心立方(BCC)和面心立方(FCC)双相,所以这款合金在保持了高强度的同时还具备高塑性。由于其综合性能优势显著,这款合金具有巨大的应用潜力[5-7]。

然而正是由于AlCoCrFeNi2.1具有FCC与BCC的双相结构,易产生微电偶腐蚀导致其耐蚀性下降,同时高熵合金由于是多主元合金,所以在腐蚀过程中元素对腐蚀过程有不同的影响,而且腐蚀环境中的温度以及离子类型对合金腐蚀均有不同程度的影响,近年来对于高熵合金的研究大都集中在其微观结构或其机械性能等,或是元素占比对微观结构与机械性能的影响,而少有学者对AlCoCrFeNi2.1共晶高熵合金的耐蚀性能进行研究,尤其是不同工况环境下的共晶高熵合金的耐蚀性研究更少。冒爱琴等[8]研究了Al含量对CoCrFeMnNi高熵合金组织结构和性能的影响,发现随着Al元素含量超过5%,材料硬度、弹性模量以及耐蚀性均降低。Yan等[9]研究了Al含量对AlxCoCuFeMn高熵合金的显微组织、力学性能和耐蚀性等的影响,发现Al元素含量的添加改善了AlxCoCuFeMn耐蚀性能。李刚等[10]研究了AlCoCrFeNi2.1高熵合金在不同温度的3.5%NaCl溶液和3.5%NaCl+0.01 mol/L NaHSO3溶液中的腐蚀行为,发现金属氧化物与氢氧化物的比率随着温度的升高而上升。种振曾等[11]研究了高速激光熔覆与常规激光熔覆对制备AlCoCrFeNi高熵合金的机械性能与耐蚀性能的影响,发现高速激光熔覆的加工方法提高了AlCoCrFeNi的耐蚀性能。然后,部分学者也对不同工况环境下的高熵合金耐蚀性进行了研究。张弛等[12]研究了热处理对合金显微组织、力学性能及耐蚀性能的影响,发现热处理时间的增加对AlCoCrFeNi的耐蚀性能有所改善。可见针对温度以及溶液中离子对高熵合金的腐蚀影响进行研究是具有一定意义的。

本文通过XPS和SEM/EDS以及电化学的方法,研究了不同温度下AlCoCrFeNi2.1EHEA在3.5%NaCl溶液和3.5%NaCl+0.01 mol/L NaOH溶液中的腐蚀行为。分别研究了高熵合金在两种溶液中的腐蚀行为,并通过微观形貌以及点蚀坑附近元素的分布对腐蚀机理进行了讨论。本文的主要研究内容侧重于不同工况环境,为AlCoCrFeNi2.1高熵合金的实际工业应用提供了一定的参考价值。

1 试验及方法

1.1 试验材料

原材料由高纯度的AlCoCrFeNi2.1高熵合金粉末组成,通过激光熔覆的加工方法将合金粉末以冶金结合的方式熔覆在45#钢表面。熔覆后的合金涂层通过线切割的方式进行切割,将样品根据不同检测方法的需求切割为不同的尺寸,然后使用SiC砂纸逐级打磨,并用2.5 μm的金刚石研磨粉进行机械抛光。对5 mm×5 mm样品抛光后进行了XRD检测。

实验所用的溶液为3.5%NaCl溶液和3.5%NaCl+0.01 mol/L NaOH,测量温度分别为25 ℃、40 ℃、55 ℃。实验时的气压均为大气压。

1.2 涂层性能测试

电化学的实验是在两种不同的溶液中进行的,实验样品的尺寸为10 mm×10 mm×10 mm,首先用SiC砂纸从600#至2 000#逐级打磨,然后用2.5 μm的金刚石研磨粉进行抛光,抛光后用去离子水去除表面杂质,以便观察试验后的样品表面形貌。抛光后将样品用焊接的方式和铜线连接起来,将样品非测试面用环氧树脂封装,目的是将样品与溶液的接触面控制在单位面积。电化学测试采用的是传统的三电极工作系统,以饱和甘汞为参比电极,Pt为对电极,AlCoCrFeNi2.1作为工作电极。首先进行开路电位的设置,目的是使样品表面状态达到稳定。电化学极化曲线从1.0 V开始扫描,扫描速度为0.5 mV/s,密度达到1 mA/cm2。电化学阻抗谱测试的频率范围为105～10-2,对于阻抗数据的拟合分析采用的是软件ZsimpWin。

为了研究EHEA在溶液中的钝化行为,以及EHEA表面钝化膜的组成,需要做表面钝化膜的分析测试,分别取出不同温度以及不同溶液的一个样品进行XPS测试,溶液浸泡的时间是相同的。测试后的数据通过软件XPSPEAK4.1使用标准数据C1s峰进行拟合。

将样品分别浸泡在质量分数(下同)3.5%NaCl溶液和3.5%NaCl+0.01 mol/L NaOH中,通过配备EDS的电子显微镜对EHEA表面进行研究,观察其微观结构以及元素分布等情况,以便和XPS的数据结果对比,分析EHEA的表面腐蚀情况。

2 结果与讨论

2.1 腐蚀形貌观察及物相分析

图1为AlCoCrFeNi2.1高熵合金激光熔覆涂层的XRD测试结果,可以发现涂层物相由FCC和BCC组成,未出现金属间化合物,表明涂层在激光熔覆过程中发生了固溶体凝固,FCC的3个衍射峰分别为44.63°、49.47°、87.61°,主要富含Co、Cr、Fe元素;BCC的两个衍射峰为74.36°和89.32°,主要富含Al和Ni元素[13]。

图1 AlCoCrFeNi2.1高熵合金的XRD测试图

Fig.1 XRD test image of AlCoCrFeNi2.1 high entropy alloy

图2显示了AlCoCrFeNi2.1高熵合金在不同温度的3.5%NaCl溶液和3.5%NaCl+0.01 mol/L NaOH溶液中腐蚀后的微观腐蚀形态和元素分布。图2(a)～(c)分别显示了AlCoCrFeNi2.1高熵合金在25 ℃、40 ℃、55 ℃的3.5%NaCl溶液中的微观腐蚀形貌,而图2(d)～(f)则显示了AlCoCrFeNi2.1高熵合金在25 ℃、40 ℃、55 ℃的3.5%NaCl+0.01 mol/L NaOH溶液中的微观腐蚀形貌和元素分布。由于SEM照片使用的是电子显微镜的背散射模式,从图2中可以观察到具有显著明暗衬度的双相结构,在涂层样品中可观察到许多腐蚀孔洞。通过对明暗衬度占比分析,可观察到点蚀和局部腐蚀发生在富含Ni-Al的区域,即BCC相优先腐蚀。此外,在3.5%NaCl溶液中发生的点蚀现象要多于3.5%NaCl+0.01 mol/L NaOH溶液。

图2 AlCoCrFeNi2.1高熵合金在不同温度3.5%NaCl和3.5%NaCl+0.01 mol/L NaOH溶液中浸泡后的表面腐蚀图

(a)～(b)3.5%NaCl中25 ℃-55 ℃;(e)～(f)3.5%NaCl+0.01 mol/L NaOH中25 ℃-55 ℃

Fig.2 Surface corrosion map of AlCoCrFeNi2.1 high entropy alloy after immersion in 3.5% NaCl and 3.5% NaCl+0.01 mol/L NaOH solutions at different temperatures

(a)-(b)3.5%NaCl in 25 ℃-55 ℃;(e)-(f)3.5%NaCl+0.01 mol/L NaOH in 25 ℃-55 ℃

随着温度的升高,点蚀坑的尺寸几乎不变,但是点蚀的数量明显增多。同时,富Ni-Al的区域腐蚀更为严重,由于富Ni-Al的区域中的Al含量较高,导致了在钝化膜中Al2O3的含量上升,所以致密的钝化膜更容易被Cl-所侵蚀[14]。然而由富Cr相形成的钝化膜通常更致密且有更好的防护性能,所以点蚀一般发生在富Ni-Al的区域中。

2.2 电位动力学极化曲线

图3分别展示了AlCoCrFeNi2.1在3.5%的NaCl溶液和3.5%NaCl+0.01 mol/L NaOH溶液中的极化曲线。根据动电位极化的数据,利用Tafel外推法得出合金涂层在各溶液各温度下的腐蚀电位和腐蚀电流密度,数据如表1和表2所示。

表1 AlCoCrFeNi2.1 EHEAs在3.5% NaCl中的腐蚀电位和腐蚀电流密度

Table 1 Corrosion potential and corrosion current density of AlCoCrFeNi2.1 EHEAs in 3.5% NaCl

Temperature/℃Ecorr/mVIcorr/(A·cm-2)25-3512.138 76×10-640-4102.798 38×10-655-4233.807 89×10-6

表2 AlCoCrFeNi2.1 EHEAs在3.5% NaCl+0.01 mol/L NaOH溶液中的腐蚀电位和腐蚀电流密度

Table 2 Corrosion potential and current density of AlCoCrFeNi2.1 EHEAs in 3.5% NaCl+0.01 mol/L NaOH solution

Temperature/℃Ecorr/mVIcorr/(A·cm-2)25-3734.538 16×10-640-4656.248 62×10-655-4935.367 21×10-5

图3 AlCoCrFeNi2.1高熵合金在不同温度及不同溶液中的动电位极化曲线

(a)3.5%NaCl溶液中不同温度的极化曲线;(b)3.5%NaCl+0.01 mol/L NaOH溶液中不同温度的极化曲线

Fig.3 Potentiodynamic polarization curves of AlCoCrFeNi2.1 high-entropy alloy at different temperatures in various solutions

(a)Polarization curves in 3.5% NaCl solution at different temperatures;(b)polarization curves in 3.5% NaCl + 0.01 mol/L NaOH solution at different temperatures

可以从表中数据看出,随着温度的升高,腐蚀电位和腐蚀电流度均得到了不同程度的提升,意味着随着温度的升高合金涂层越容易腐蚀,且腐蚀的平均速率也越高。从图3(a)可以看出,合金涂层出现了较窄的钝化区域,说明有钝化膜生成,形成的钝化膜阻碍了涂层与外界的接触,有效地提高了涂层的耐蚀性能,但Cl-穿透性极强,钝化膜会被Cl-击穿后导致涂层继续腐蚀。但是同时可以看到阴极的极化曲线在40～55 ℃的范围内重叠,表明在此温度期间阴极的反应速率不受温度影响。如图3所示,AlCoCrFeNi2.1高熵合金涂层在3.5%NaCl+0.01 mol/L NaOH溶液中发生了不同程度的钝化,尤其在室温25 ℃时,钝化行为尤其明显,表明了可防护腐蚀的钝化膜的形成,由于溶液中OH-浓度较高,会中和一部分对钝化膜具有破坏性的H+与Cl-,所以钝化膜的形成速率高于钝化膜的破坏速率。随着温度的升高,钝化区间变宽,且出现二次钝化行为,原因是随着温度的升高,离子转移速度加快,合金表面活泼,腐蚀速率加快[15]。这一结论与表2显示的腐蚀电位和腐蚀电流密度的趋势相同。图3(a)和(b)的极化曲线显示的是在模拟盐碱环境中AlCoCrFeNi2.1合金涂层展现出的耐蚀性能。

2.3 电化学阻抗测试

为了进一步研究合金涂层表面的电化学腐蚀行为,按照实验方案,在不同温度的条件下,进行两种溶液的电化学阻抗的测试,测试结果如图4所示。用于拟合AlCoCrFeNi2.1高熵合金在溶液中的不同温度下EIS数据的等效电路图如图5所示。图4(a1)、(a2)分别是合金涂层在3.5%NaCl溶液和3.5%NaCl+0.01 mol/L NaOH中的Nyquist图,该合金在不同温度下表现出相似的变化,所有曲线呈现单一的半圆容抗弧,曲线显示随着温度的升高,容抗弧的半径减小,说明在电化学过程中电荷转移电阻更小,即随着温度的升高,合金涂层的耐蚀性下降,图4(a1)中合金在不同溶液中表现出相似的趋势,但观察其半径大小可以发现,在3.5%NaCl+0.01 mol/L NaOH中的容抗弧半径明显大于3.5%NaCl溶液中的容抗弧半径,说明在3.5%NaCl+0.01 mol/L NaOH中合金涂层耐蚀性要高于3.5%NaCl溶液中的耐蚀性。此结论与电化学腐蚀电流密度得出的结论相同。图4(b)的bode点线图反映了频率和与阻抗模值以及相位角之间的关系,可以看出,在不同溶液中的相位角最大值是不同的,在加入NaOH后的溶液中的相位角要小于3.5%的NaCl溶液的相位角,在低频下的不同溶液中的阻抗模值随着温度的升高而减小,说明涂层的耐蚀性在降低[16]。

图4 AlCoCrFeNi2.1高熵合金EIS结果

(a1)～(a2)3.5%NaCl溶液和3.5%NaCl+0.01 mol/L NaOH溶液Nyquist图;(b1)～(b2)3.5%NaCl溶液和3.5%NaCl+0.01 mol/L NaOH溶液Bode图

Fig.4 EIS results of AlCoCrFeNi2.1 high entropy alloy

(a1)-(a2) Nyquist plot of 3.5% NaCl solution and 3.5% NaCl+0.01 mol/L NaOH solution; (b1)-(b2) bode plot of 3.5% NaCl solution and 3.5% NaCl+0.01 mol/L NaOH solution

图5 用于拟合AlCoCrFeNi2.1高熵合金在溶液中的不同温度下EIS数据的等效电路图

(a)3.5%NaCl溶液;(b)3.5%NaCl+0.01 mol/L NaOH溶液

Fig.5 Shows the equivalent circuit diagram for fitting EIS data of AlCoCrFeNi2.1 high entropy alloy at different temperatures in solution

(a)3.5%NaCl solution; (b)3.5% NaCl+0.01 mol/L NaOH solution

2.4 XPS钝化膜分析

为了进一步分析不同温度下形成的钝化膜和腐蚀产物膜对合金涂层腐蚀行为的影响,通过XPS对AlCoCrFeNi2.1的表面组成进行分析,图6和图7分别显示了AlCoCrFeNi2.1高熵合金不同温度下在3.5%NaCl溶液和3.5%NaCl+0.01mol/L NaOH溶液中浸泡后的钝化膜的XPS分析图,其中钝化膜中包括了Al 2p, Co 2p3/2, Cr 2p3/2, Fe 2p3/2, Ni 2p3/2, 和 O 1s。

图6 AlCoCrFeNi2.1高熵合金在不同温度下的3.5%NaCl溶液中的钝化膜XPS分析结果图

(a)25 ℃下的XPS分析结果图;(b)40 ℃下的XPS分析结果图;(c) 55 ℃下的XPS分析结果图

Fig.6 XPS analysis results of passive films on AlCoCrFeNi2.1 high-entropy alloy in 3.5% NaCl solution at different temperatures

(a)XPS analysis results at 25 ℃;(b)XPS analysis results at 40 ℃;(c)XPS analysis results at 55 ℃

图7 AlCoCrFeNi2.1高熵合金在不同温度下的3.5%NaCl+0.01 mol/L NaOH溶液中的钝化膜XPS分析结果图

(a)25 ℃下的XPS分析结果图;(b)40 ℃下的XPS分析结果图;(c)55 ℃下的XPS分析结果图

Fig.7 XPS analysis results of passive films on AlCoCrFeNi2.1 high-entropy alloy in 3.5% NaCl + 0.01 mol/L NaOH solution at different temperatures

(a)XPS analysis results at 25 ℃; (b)XPS analysis results at 40 ℃; (c)XPS analysis results at 55 ℃

图6(a)～(c)和图7(a)～(c)分别显示了AlCoCrFeNi2.1高熵合金在不同温度下3.5%NaCl溶液中的XPS钝化膜分析结果。此外,图6(a)～(c)和图7(a)～(c)分别显示了AlCoCrFeNi2.1高熵合金不同温度下的3.5%NaCl溶液和3.5%NaCl+0.01 mol/L NaOH溶液中的XPS钝化膜分析结果。图6(a1)～(c1)和图7(a1)～(c1)显示的是AlCoCrFeNi2.1高熵合金在不同温度的3.5%NaCl溶液和3.5%NaCl+0.01 mol/L NaOH溶液钝化膜中的Al2p,其中包含了Al峰和Al2O3,峰值所占的面积代表元素在钝化膜中的含量,在3.5%NaCl溶液中,温度的改变对于Al峰的影响非常小,但是在3.5%NaCl+0.01 mol/L NaOH溶液中,Al峰随着温度的升高而增加。如图6(a2)～(c2)和图7(a2)～(c2)显示了Co 2p3/2的XPS数据,Co 2p3/2峰数据分为五个部分,分别是Co、CoO、Co3O4、Co(OH)2以及Co单质。在3个温度(25 ℃、40 ℃、55 ℃)梯度的3.5%NaCl溶液和3.5%NaCl+0.01 mol/L NaOH溶液中,Co主要以单质的形式出现,归其原因是由于Co元素具有较好的高温耐蚀性。如图6(a3)～(c3)和图7(a3)～(c3)所示,Cr 2p3/2分为了3个峰,分别是单质Cr、Cr2O3以及Cr(OH)3。由图6(a3)～(c3)可以看出,在3.5%NaCl溶液中,随着温度的升高,Cr2O3的峰值强度在降低,表明温度会影响钝化膜中Cr的种类。由之前的一些学者的研究可知,Cr2O3会在合金表面形成稳定且致密的氧化膜。这也是AlCoCrFeNi2.1高熵合金在不同温度的3.5%NaCl溶液中钝化膜表现差异化的原因之一。在3.5%NaCl+0.01 mol/L NaOH溶液中,Cr以单质Cr、Cr2O3以及Cr(OH)3的形式出现,随着温度的升高,钝化膜中Cr单质的含量升高,与此同时Cr氢氧化物在钝化膜中的占比降低[17]。图6(a4)～(c4)和图7(a4)～(c4),显示的是Fe 2p3/2的XPS测试结果,在本研究中Fe 2p3/2被分为4个元素峰,分别是单质Fe、FeOOH、FeO、Fe3O4,在3.5%NaCl溶液和3.5%NaCl+0.01 mol/L NaOH中,钝化膜中的各个Fe的氧化物表现出相同的趋势,只有FeO的峰值会随着温度的升高而降低,其余3个氧化物的峰值几乎无变化。图6(a5)～(c5)和图7(a5)～(c5)显示的是Ni 2p3/2元素的各峰,其中包括Ni单质、NiO、Ni(OH)2,在3.5%NaCl溶液和3.5%NaCl+0.01 mol/L NaOH中,Ni单质是Ni 2p3/2元素的主要组成部分。在以往的合金研究中,Ni元素由于其含量较少而少有讨论,然而在高熵合金中的Ni含量是比较高的,所以对于Ni元素的讨论是必要的。已有的研究表明,当Ni出现在合金基体与钝化膜之间时,会增强材料的耐蚀性能。可以观察到,在3.5%NaCl溶液和3.5%NaCl+0.01 mol/L NaOH中,Ni(OH)2、NiO以及Ni单质的峰值随着温度的升高几乎没有改变,表明其在合金涂层中具有优异的耐蚀性[18]。图6(a6)～(c6)和图7(a6)～(c6)显示的是关于合金涂层氧元素的XPS检测结果,包含了3个峰值。第一个O2-代表着钝化膜和腐蚀产物中的金属氧化膜,OH-代表着形成的氢氧化物的含量,H2O代表着钝化膜和腐蚀产物结合处的水。由XPS数据结果可知,无论是在3.5%NaCl溶液还是在3.5%NaCl+0.01 mol/L NaOH中,AlCoCrFeNi2.1产生的钝化膜中包含的主要是氧化物和氢氧化物。在3.5%NaCl溶液中,随着温度的升高,钝化膜中的O2-含量减少。在3.5%NaCl+0.01 mol/L NaOH中,温度升高后,钝化膜中的OH-含量增加,这与溶液中的氢氧根浓度有关。

为了进一步阐明温度对于AlCoCrFeNi2.1高熵合金在3.5%NaCl溶液和3.5%NaCl+0.01 mol/L NaOH中钝化膜成分的影响,如图8所示为钝化膜中各元素峰强度随着温度改变所占的比例。随着温度的升高,Al2O3在3.5%NaCl溶液和3.5%NaCl+0.01 mol/L NaOH中产生的钝化膜中的比例逐步升高。在温度升高时,CoO和CO单质的含量均有下降趋势,其余形式的Co元素化合物的占比并未有明显变化。现有的研究表明,Co元素对于具有保护性的氧化膜并没有明显的影响。温度升高时,对钝化膜中的Cr元素也有影响,升高温度时钝化膜中的Cr2O3所占的比例降低了[19]。以往的研究表明,Cr2O3对于钝化膜的致密性是有积极影响的,所以温度的升高后Cr2O3的占比降低,意味着钝化膜的致密性受到影响。此外,通过比例图可知,温度的改变对于Fe元素的影响是比较小的,Fe元素的氧化物与氢氧化物的占比均发生明显的变化。此外,Ni元素在各个温度的占比并未发生明显的改变,并且尚未有研究表明温度对AlCoCrFeNi2.1高熵合金钝化膜中的Ni含量具有明显影响。已有的研究表明,在金属表面的钝化膜中,氧化物和氢氧化物的比例升高对于钝化膜具有较好的保护作用。温度的下降对合金在3.5%NaCl+0.01 mol/L NaOH溶液中的Al2O3钝化膜影响较小。随着温度的升高,Cr(OH)3的含量增加,与此同时Fe和Co的氧化物含量不变。此外,合金涂层钝化膜中的氢氧化物的含量(60%)是远高于氧化物含量(20%～30%)的,这说明了温度的升高导致氢氧化物和氧化物的比例减小,意味着合金涂层耐蚀性降低。以上结果表明,AlCoCrFeNi2.1高熵合金在3.5%NaCl溶液中形成的钝化膜比较稀疏,并没有像在3.5%NaCl+0.01 mol/L NaOH溶液中形成的钝化膜那么致密,且没有很好的阻隔腐蚀介质的效果。

图8 AlCoCrFeNi2.1高熵合金在不同温度3.5%NaCl和3.5%NaCl+0.01 mol/L NaOH溶液中的钝化膜各成分含量

(a)3.5%NaCl;(b) 3.5%NaCl+0.01 mol/L NaOH

Fig.8 Composition profiles of passive film constituents on AlCoCrFeNi2.1 high-entropy alloy in 3.5% NaCl and 3.5% NaCl+0.01 mol/L NaOH solutions at different temperatures

(a)3.5%NaCl; (b)3.5%NaCl+0.01 mol/L NaOH

2.5 腐蚀机理

图9显示了AlCoCrFeNi2.1高熵合金在3.5%NaCl溶液和3.5%NaCl+0.01 mol/L NaOH溶液中的腐蚀机理,通过上个部分的分析可知,温度的改变只影响了腐蚀的程度,并不改变腐蚀的类型。根据电化学结果及表面氧化物检测分析,极化曲线中有明显的钝化区域,对应钝化膜结果分析可知,Al元素较为活泼,在Al元素的氧化膜中,氧化膜中的Al2O3含量较高,涂层最初的腐蚀是由溶液中的Cl-与涂层中的Al元素结合导致钝化膜被击穿。在3.5%NaCl+0.01 mol/L NaOH溶液中的电化学极化曲线显示随着温度升高,钝化区间变宽,且出现二次钝化行为,温度升高腐蚀速率加快,这与钝化膜分析结果相同,OH-浓度的增加减少了Cl-与Al元素的结合,抑制了涂层的腐蚀速率。由于腐蚀产物膜确实会提供一定的保护作用,但是其效果远远不如钝化膜[20]。图9(a1)～(a3)显示了AlCoCrFeNi2.1高熵合金在3.5%NaCl溶液中稳态和亚稳态的点蚀的成型过程,通过图3显示的极化曲线,AlCoCrFeNi2.1高熵合金产生了钝化的反应,但是Cl-破坏了钝化膜的完整性,同时也阻碍了钝化膜的自我修复,从而为点蚀发生提供了条件。图2中的背散射图显示,点蚀优先发生在富含Ni-Al的区域中,而在富Si-Al的区域中没有显示出明显的溶解。

图9 AlCoCrFeNi2.1高熵合金在3.5%NaCl溶液和3.5%NaCl+0.01 mol/L NaOH溶液中的腐蚀过程示意图

(a1)～(a3)3.5%NaCl中25～55 ℃;(b1)～(b3)3.5%NaCl+0.01 mol/L NaOH中25～55 ℃

Fig.9 Schematic diagram of corrosion process of AlCoCrFeNi2.1 high entropy alloy in 3.5%NaCl solution and 3.5% NaCl+0.01 mol/L NaOH solution

(a1)-(a3)3.5%NaCl in 25-55 ℃;(b1)-(b3)3.5%NaCl+0.01 mol/L NaOH in 25-55 ℃

由于富含Ni-Al的区域中Al的含量较高,在此区域中的钝化膜是比较稀疏的,这就意味着其具有较差的防护性能,且容易导致点蚀的发生。图9(b1)～(b3)显示了AlCoCrFeNi2.1高熵合金在3.5%NaCl+0.01 mol/L NaOH溶液中的腐蚀过程。由于合金表面形成的是腐蚀产物膜而不是钝化膜,所以点蚀是较难发生的。

3 结论

本文研究了AlCoCrFeNi2.1高熵合金在3.5%NaCl溶液和3.5%NaCl+0.01 mol/L NaOH溶液中的腐蚀行为,具体结论如下:

与中性的3.5%NaCl溶液相比,AlCoCrFeNi2.1高熵合金在3.5%NaCl+0.01 mol/L NaOH溶液中表现出较好的耐蚀性,并且其耐蚀性受温度影响较小。AlCoCrFeNi2.1高熵合金会在25～55 ℃之间的3.5%NaCl溶液中钝化,但是此区间的温度变化不会对腐蚀电位和阴极反应产生明显变化。此外,在25 ℃的室温下,腐蚀电流密度明显低于40 ℃和55 ℃。然而在3.5%NaCl+0.01 mol/L NaOH溶液中钝化行为加剧。反应速率随着温度的提升逐步增加。在3.5%NaCl溶液中,AlCoCrFeNi2.1高熵合金表面被一层钝化膜覆盖,钝化膜的成分主要为金属氧化物,金属氧化物与氢氧化物的比率随着温度的升高而升高。然而,当在3.5%NaCl+0.01 mol/L NaOH溶液中时,AlCoCrFeNi2.1高熵合金表面的腐蚀产物膜主要是由金属氢氧化物组成的。在3.5%NaCl溶液和3.5%NaCl+0.01 mol/L NaOH溶液中,AlCoCrFeNi2.1高熵合金的点蚀会优先发生在富含Ni-Al的区域中。由于实验条件有限,本文设定的温度梯度变化较小,未来的研究可对该方向进行进一步的探讨,并对腐蚀的机理进行深剖。

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Research on Corrosion Resistance of Laser Cladding AlCoCrFeNi2.1 High Entropy Alloy Coating

Wang Pengbo, Sun Yaoning*

(Intelligent Manufacturing Industry College, Xinjiang University, Urumqi 830000,Xinjiang, China)

Abstract The applications of high-entropy alloys (HEAs) continue to expand in advanced fields. Investigating their corrosion resistance in acidic and alkaline environments is crucial for guiding these applications. To investigate the corrosion behavior of AlCoCrFeNi2.1 eutectic high-entropy alloy (EHEA) in different ion types of solutions and at different temperatures, electrochemical tests, XPS analysis of coating passivation films, and SEM/EDS monitoring of coating corrosion morphology were conducted in 3.5% NaCl solution and 3.5% NaCl + 0.01 mol/L NaOH solution at 25 ℃, 40 ℃, and 55 ℃. The results show that the AlCoCrFeNi2.1 EHEA can be passivated in 3.5% NaCl solution at different temperatures, and its corrosion rate increases with temperature. The corrosion resistance of the alloy improves in the combined environment of OH- and Cl-. Furthermore, the passivation film of the coating is predominantly composed of metal oxides.

Key words AlCoCrFeNi2.1 eutectic high-entropy alloy; coating; surface; corrosion

收稿日期：2023-12-11; 修回日期：2023-12-29

基金项目：新疆维吾尔自治区重点研发任务专项(2022B01036-1)、吐鲁番市重大科技专项项目(No:9683)

作者简介：王鹏博(1996—),男,硕士研究生。研究方向为激光技术。E-mail:592965977@qq.com

*通信作者：孙耀宁(1978—),女,博士,教授。研究方向为激光加工技术。E-mail: xj_syn@126.com

中图分类号： TN249

文献标志码： A

doi： 10.14128/j.cnki.al.20254508.048