鋼基體腐蝕防護的高熵合金AlxFeCrCoNiCu涂層研究.pdf

1、鋼材具有較好的機械性能和相對低廉的價格，是眾多領域中不可或缺的材料，但其自身較差的耐蝕性限制了在工程中的應用。表面涂層技術是一種改善材料耐腐蝕性能的有效手段。本文采用理論和實驗相結合的方法，第一性原理方法證實五元高熵合金AlFeCrCoNi具有較好的耐氧化和耐氯離子腐蝕性能，預測高熵合金的組成元素。通過理論分析結果利用電子束蒸發(fā)和激光熔覆法在鋼表面制備高熵合金涂層，研究其對鋼材基體耐腐蝕性能的作用。
　　首先，采用密度泛函理論分別

2、分析了鋼基體和高熵合金組成元素之間相互作用及其吸附行為，剖析AlFeCrCoNi高熵合金的耐腐蝕機理。創(chuàng)建鋼基體Fe31MnC模型，找到較穩(wěn)定的結構并切出表面Fe31MnC(001)。以鐵原子為終端的表面O2六種吸附位中，面心間位吸附的吸附能最大是1.989 eV，另外還發(fā)生了表面重聚的原子吸附現(xiàn)象，具有很強的吸附作用，吸附能皆在3.5 eV左右，是分子吸附能的2倍多。以碳原子為終端的表面更有利于發(fā)生表面的氧分子吸附，以錳原子為終端的表

3、面氧氣分子發(fā)生解離的可能性小。Fe31MnC(001)表面NaCl吸附測試中，研究發(fā)現(xiàn):NaCl吸附后的穩(wěn)定結構更易于占據(jù)由鐵原子組成的面心間位，吸附能最大為3.007 eV。對比三種不同原子為終端的表面吸附能，碳原子作為終端的吸附能最大，鐵次之，錳最小。因此以碳原子為終端的表面有利于NaCl的吸附。從吸附能結果來看，B2型的AlFeCrCoNi(001)表面氧分子的吸附能為0.98 eV，NaCl吸附能為1.23 eV。對比鋼基體的吸

4、附結果，高熵合金表面和吸附分子間的作用力較弱，對于高熵合金表面的氧化和腐蝕的影響很小。因而高熵合金涂層能顯著改善鋼表面的氧化和耐蝕性能。
　　其次，利用第一性原理方法進行了合金的成分設計，高熵合金主元依次為Al、Fe、Cr、Co、Ni和Cu。選用高純材料利用真空電弧熔煉法，制備了高熵合金AlxFeCrCoNiCu(x=0.25，0.5，1.0)。利用硬度測試、室溫壓縮、摩擦磨損、X射線衍射、電子探針和掃描電鏡等手段對高熵合金的力學

5、性能和微觀結構進行分析。實驗結果表明:Al1.0FeCrCoNiCu合金的硬度值達到485 HV，具有較高的抗壓強度，耐磨性好;X射線衍射分析發(fā)現(xiàn)，當x=0.25，合金為簡單的FCC固溶體相。隨著鋁含量增加出現(xiàn)有序的BCC結構，形成FCC+BCC的混合結構;同時觀測鑄態(tài)高熵合金具有典型的枝晶結構，在枝晶間區(qū)域產生了Cu和Ni的富集現(xiàn)象。
　　最后，以高熵合金AlxFeCrCoNiCu(x=0.25，0.5，1.0)為靶材，運用兩種

6、不同方法將高熵合金鍍在鋼基體表面，研究了高熵合金涂層的耐腐蝕特性。分別利用硬度測試和納米壓痕實驗考察高熵合金涂層的力學性能、基體之間的結合效果等;運用X射線衍射、原子力顯微鏡、掃描電鏡、電子探針觀察涂層表面的形貌和元素的質量分數(shù);運用電化學腐蝕實驗考察了高熵合金涂層的耐蝕性能。研究發(fā)現(xiàn):高熵合金涂層的硬度達到481HV，硬度值約為基底材料的二倍，而且不同位置的硬度值相差不大，分布均勻。三種涂層Al-0.25、Al-0.5和Al-1.0對

7、應的最大載荷依次為10.25 mN、12.39 mN和14.78 mN，卸載后的殘余深度約100 nm，發(fā)生了較大的塑性變形。研究還發(fā)現(xiàn)，高熵合金涂層表面隨著基底的粗糙程度不同得到的涂層質量也不同，光滑基底沉積的涂層表面平整、分布均勻、涂層致密。表面的化學成分和靶材類似，檢測到較大含量的鐵元素和氧元素。電化學測試結果與耐蝕性較好的304不銹鋼作對比，在0.5 mol/L的H2SO4溶液中，304不銹鋼具有低的腐蝕電位和大的腐蝕電流密度，