FeNi2CoMo0.2V0.5高熵合金在2%HNO3溶液中的電化學(xué)性能

宋志偉，趙永好，伍冠中，高旭州

(南京理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 210094)

FeNi2CoMo0.2V0.5高熵合金在2%HNO3溶液中的電化學(xué)性能

宋志偉，趙永好，伍冠中，高旭州

(南京理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 210094)

通過開路電位測試、交流阻抗譜、動(dòng)電位極化曲線測試，對(duì)比研究了FeNi2CoMo0.2V0.5高熵合金與其成分金屬純鎳(99.99%)的耐腐蝕性能。結(jié)果表明：在2% HNO3溶液中，高熵合金比純鎳能更快達(dá)到穩(wěn)定電位，高熵合金阻抗弧直徑是HPT態(tài)樣品的4倍多，自腐蝕電流密度比純鎳小6倍左右；另外，高熵合金和純鎳在2%的HNO3溶液中均發(fā)生明顯鈍化，但高熵合金鈍化效果明顯優(yōu)于純鎳，鈍化區(qū)更寬，擊穿電位更高。

高熵合金；腐蝕行為；鈍化；極化曲線

0 引 言

近年來，工業(yè)對(duì)材料使用性能要求日益苛刻(如：更高的強(qiáng)度、更好的塑性和耐蝕性)，腐蝕的發(fā)生是不可逆的，一旦材料發(fā)生腐蝕，損失則不可避免。因此需要通過認(rèn)識(shí)、了解和掌握腐蝕的機(jī)理、采取合理的防腐蝕措施來減少甚至避免腐蝕帶來的危害。

高熵合金[1](HEA)是一種新型合金，其主元的數(shù)目n為5～13，且每種主元的物質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在5%～35%之間。高熵合金傾向于形成簡單固溶體結(jié)構(gòu)，而不出現(xiàn)復(fù)雜的金屬間化合物，并表現(xiàn)出高強(qiáng)度、高硬度、耐磨性、極好的熱穩(wěn)定性和耐腐蝕性能[2]，具有廣泛的應(yīng)用潛力。FeNi2CoMo0.2V0.5高熵合金，其特殊的元素配比，較低的自由能反映了高熵合金的耐蝕性可能非常好。鎳為FCC結(jié)構(gòu)[3]，而FeCoNi2V0.5Mo0.2高熵合金樣品也為FCC結(jié)構(gòu)，同時(shí)該合金樣品中Ni的含量達(dá)40%，在合金中最有代表性。同時(shí)，鎳具有很好的耐腐蝕能力，用它做對(duì)比可以探究該高熵合金的耐腐蝕機(jī)理，是因?yàn)殒嚨拇嬖谶€是因?yàn)槠渥陨硖厥獾慕Y(jié)構(gòu)[4]。所以，通過與其成分金屬鎳做對(duì)比，研究了其在2% HNO3溶液中的電化學(xué)性能，從而進(jìn)一步探究FeNi2CoMo0.2V0.5高熵合金的腐蝕機(jī)理。

另外文獻(xiàn)[5]發(fā)現(xiàn)，Nb和Mo元素可以降低合金陽極活性溶解電流密度，降低合金溶解腐蝕速率，且Mo作用比Nb更加顯著，而且Mo的添加可有效抑制溶液中Cl-對(duì)合金的點(diǎn)蝕作用，提高合金的耐腐性能[2]。周云軍[6]研究了高熵合金的相形成規(guī)律及性能，發(fā)現(xiàn)高熵合金與不銹鋼一樣具有優(yōu)異的耐腐蝕性，在高濃度的硫酸[7]、鹽酸、硝酸中均不發(fā)生腐蝕現(xiàn)象，這個(gè)特性是一般的鐵合金所不具備的。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 試樣制備

本試驗(yàn)所用高熵合金是選用高純度的Fe、Ni、Co、Mo、V為原材料，在高純氬氣保護(hù)下采用真空電弧熔煉法制備高熵合金紐扣錠，每個(gè)合金紐扣錠在高溫1 200℃熔煉3～4次以保證成分均勻，然后通過真空吸鑄獲得φ10 mm×70 mm的合金棒材。

1.2 電化學(xué)實(shí)驗(yàn)

在2%HNO3溶液中，對(duì)FeNi2CoMo0.2V0.5高熵合金及其成分金屬鎳的電化學(xué)腐蝕行為進(jìn)行對(duì)比研究。所有實(shí)驗(yàn)均在室溫下進(jìn)行，所有溶液均由分析純?cè)噭┡c超純水配制而成。為了更好地對(duì)比性及可重復(fù)性，所有腐蝕試樣嚴(yán)格按照金相制備要求打磨并用丙酮清洗，熱空氣吹干并干燥保存。宏觀腐蝕測試?yán)肁metec VersaSTAT3恒電位儀進(jìn)行，所有試樣均用環(huán)氧樹脂密封，留出腐蝕電極表面并用銅導(dǎo)線連接。高熵合金樣品腐蝕電極面積為0.785 cm2，純鎳樣品面積為1 cm2。電化學(xué)測試均采用飽和氯化鉀/甘汞電極為參比電極、鉑電極為輔助電極的標(biāo)準(zhǔn)三電極系統(tǒng)。采用3種電化學(xué)檢測手段，分別為開路電位(OCP)測試、動(dòng)電位掃描極化(PDC)測試以及電化學(xué)阻抗頻譜(EIS)測試。在2%HNO3溶液中開路電位測試時(shí)間設(shè)置為3 600 s，采點(diǎn)間隔為1 s；電化學(xué)阻抗頻譜頻率范圍為100 kHz～10 MHz，外加激勵(lì)電壓為100 mV；動(dòng)電位極化測試的掃描區(qū)間為-0.25 V～+1.5 V(VSoc)，掃描速率為1 mV/s。為確保實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性，每個(gè)測試重復(fù)3次，另外，實(shí)驗(yàn)所測自腐蝕電位和腐蝕電流密度[8]均由Versa-studio軟件自主Tafel擬合實(shí)現(xiàn)。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

圖1是FeNi2CoMo0.2V0.5高熵合金與純鎳在2%HNO3溶液中開路電位。

1 HEA; 2 Ni

由圖1可看出，在2% HNO3溶液中高熵合金比純鎳能更快達(dá)到穩(wěn)定電位，且最終穩(wěn)定開路電位遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于純鎳，純鎳為-126 mV，HEA為-77 mV，這說明二者腐蝕趨勢(shì)差別很大，純鎳被腐蝕傾向性更大。

圖2是FeNi2CoMo0.2V0.5高熵合金與純鎳在2%HNO3溶液中電化學(xué)阻抗。

1 HEA; 2 Ni

由圖2可看出，高熵合金阻抗弧直徑是純鎳的4倍多，說明高熵合金樣品抗腐蝕性能明顯優(yōu)于純鎳。圖3是高熵合金在2%HNO3溶液中動(dòng)電位極化曲線圖。

1 HEA; 2 Ni

從圖3中可看出，高熵合金樣品曲線整體向左上方移動(dòng)，說明其耐腐蝕性優(yōu)于純鎳。通過Tafel擬合，具體的極化參數(shù)如表1所示，可看出高熵合金自腐蝕電位遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于純鎳，而且自腐蝕電流密度比純鎳小6倍左右；另外，高熵合金和純鎳在2%的HNO3溶液中均發(fā)生明顯鈍化，但鈍化效果卻差別很大。其中，純鎳鈍化區(qū)范圍是300～900 mV，致鈍電位0.3 V，擊穿電位0.9 V；而HEA鈍化區(qū)寬度為100～1 300 mV，致鈍電位為0.1 V，擊穿電位1.3 V。

表1 FeNi2CoMo0.2V0.5高熵合金與純鎳在2% HNO3溶液中極化參數(shù)

由此可得，在2%HNO3溶液中高熵合金樣品抗腐蝕性能明顯優(yōu)于其成分金屬鎳，這與電化學(xué)阻抗譜和開路電位所得結(jié)論是一致的。

3 結(jié) 論

在2% HNO3溶液中，高熵合金比純鎳能更快達(dá)到穩(wěn)定電位，且最終穩(wěn)定開路電位遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于純鎳，高熵合金阻抗弧直徑是HPT態(tài)樣品的4倍多，自腐蝕電流密度比純鎳小6倍左右；另外，高熵合金和純鎳在2%的HNO3溶液中均發(fā)生明顯鈍化，但高熵合金鈍化效果明顯優(yōu)于純鎳，鈍化區(qū)更寬，擊穿電位更高。綜上可得，F(xiàn)eNi2CoMo0.2V0.5高熵合金在2%HNO3溶液中的抗腐蝕性能顯著高于其成分金屬純鎳，這說明該體系高熵合金具有如此優(yōu)秀的抗腐蝕性能，不止是因?yàn)殒嚨拇嬖冢€因?yàn)樵摳哽睾辖鹱陨淼臒崃W(xué)穩(wěn)定性，獨(dú)特的元素配比以及特殊的結(jié)構(gòu)。

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[3] 劉德飄, 劉貴仲, 郭景杰. Ni元素對(duì)AlFeCoCrCuNix高熵合金組織及電化學(xué)腐蝕性能的影響[J]. 稀有金屬與硬質(zhì)合金, 2015, 43(5): 49-53.

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Electrochemical Properties of FeNi2CoMo0.2V0.5High Entropy Alloy in 2% HNO3Solution

SONG Zhiwei, ZHAO Yonghao, WU Guanzhong, GAO Xuzhou

(SchoolofMaterialsScienceandEngineering,NanjingUniversityofScienceandTechnology,Nanjing,Jiangsu210094,China)

The corrosion resistance of FeNi2CoMo0.2V0.5in high entropy alloy and its constituent metal pure nickel (99.99%) was studied by open circuit potential test, including the electrochemical impedance spectroscopy and the curve test of potentiodynamic polarization. The results show that high entropy alloy can reach the stable potential faster than that of pure nickel in the 2% HNO3solution. The impedance arc diameter of the high entropy alloy is more than four times that of the pure nickel. Self-corrosion current density is about 6 times lower than that of pure nickel. In addition, high entropy alloy and pure nickel in 2% HNO3solution were significantly passivated, but the high entropy alloy in passivation effect was better than pure nickel with passivation area wider and breakdown potential higher.

High entropy alloy; Corrosion behavior; Passivation; Polarization curve

2017-03-14

宋志偉(1992-)，男，山東桓臺(tái)人，碩士研究生，研究方向：高熵合金抗腐蝕性能，手機(jī)：18251955056，E-mail：clrszw30@163.com.

TG113.23

A

10.14101/j.cnki.issn.1002-4336.2017.02.031