FeNi2CoMo0.2V0.5高熵合金在2%HNO3溶液中的電化學性能

宋志偉，趙永好，伍冠中，高旭州

(南京理工大學 材料科學與工程學院，江蘇 南京 210094)

FeNi2CoMo0.2V0.5高熵合金在2%HNO3溶液中的電化學性能

宋志偉，趙永好，伍冠中，高旭州

(南京理工大學 材料科學與工程學院，江蘇 南京 210094)

通過開路電位測試、交流阻抗譜、動電位極化曲線測試，對比研究了FeNi2CoMo0.2V0.5高熵合金與其成分金屬純鎳(99.99%)的耐腐蝕性能。結果表明：在2% HNO3溶液中，高熵合金比純鎳能更快達到穩定電位，高熵合金阻抗弧直徑是HPT態樣品的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溶液中均發生明顯鈍化，但高熵合金鈍化效果明顯優于純鎳，鈍化區更寬，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，工業對材料使用性能要求日益苛刻(如：更高的強度、更好的塑性和耐蝕性)，腐蝕的發生是不可逆的，一旦材料發生腐蝕，損失則不可避免。因此需要通過認識、了解和掌握腐蝕的機理、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，其主元的數目n為5～13，且每種主元的物質的質量分數在5%～35%之間。高熵合金傾向于形成簡單固溶體結構，而不出現復雜的金屬間化合物，并表現出高強度、高硬度、耐磨性、極好的熱穩定性和耐腐蝕性能[2]，具有廣泛的應用潛力。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結構[3]，而FeCoNi2V0.5Mo0.2高熵合金樣品也為FCC結構，同時該合金樣品中Ni的含量達40%，在合金中最有代表性。同時，鎳具有很好的耐腐蝕能力，用它做對比可以探究該高熵合金的耐腐蝕機理，是因為鎳的存在還是因為其自身特殊的結構[4]。所以，通過與其成分金屬鎳做對比，研究了其在2% HNO3溶液中的電化學性能，從而進一步探究FeNi2CoMo0.2V0.5高熵合金的腐蝕機理。

另外文獻[5]發現，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-對合金的點蝕作用，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律及性能，發現高熵合金與不銹鋼一樣具有優異的耐腐蝕性，在高濃度的硫酸[7]、鹽酸、硝酸中均不發生腐蝕現象，這個特性是一般的鐵合金所不具備的。

1 實 驗

1.1 試樣制備

本試驗所用高熵合金是選用高純度的Fe、Ni、Co、Mo、V為原材料，在高純氬氣保護下采用真空電弧熔煉法制備高熵合金紐扣錠，每個合金紐扣錠在高溫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 電化學實驗

在2%HNO3溶液中，對FeNi2CoMo0.2V0.5高熵合金及其成分金屬鎳的電化學腐蝕行為進行對比研究。所有實驗均在室溫下進行，所有溶液均由分析純試劑與超純水配制而成。為了更好地對比性及可重復性，所有腐蝕試樣嚴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。宏觀腐蝕測試利用Ametec VersaSTAT3恒電位儀進行，所有試樣均用環氧樹脂密封，留出腐蝕電極表面并用銅導線連接。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準三電極系統。采用3種電化學檢測手段，分別為開路電位(OCP)測試、動電位掃描極化(PDC)測試以及電化學阻抗頻譜(EIS)測試。在2%HNO3溶液中開路電位測試時間設置為3 600 s，采點間隔為1 s；電化學阻抗頻譜頻率范圍為100 kHz～10 MHz，外加激勵電壓為100 mV；動電位極化測試的掃描區間為-0.25 V～+1.5 V(VSoc)，掃描速率為1 mV/s。為確保實驗的準確性，每個測試重復3次，另外，實驗所測自腐蝕電位和腐蝕電流密度[8]均由Versa-studio軟件自主Tafel擬合實現。

2 實驗結果與分析

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到穩定電位，且最終穩定開路電位遠遠高于純鎳，純鎳為-126 mV，HEA為-77 mV，這說明二者腐蝕趨勢差別很大，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于純鎳。圖3是高熵合金在2%HNO3溶液中動電位極化曲線圖。

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，說明其耐腐蝕性優于純鎳。通過Tafel擬合，具體的極化參數如表1所示，可看出高熵合金自腐蝕電位遠遠高于純鎳，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溶液中均發生明顯鈍化，但鈍化效果卻差別很大。其中，純鎳鈍化區范圍是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

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

3 結 論

在2% HNO3溶液中，高熵合金比純鎳能更快達到穩定電位，且最終穩定開路電位遠遠高于純鎳，高熵合金阻抗弧直徑是HPT態樣品的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溶液中均發生明顯鈍化，但高熵合金鈍化效果明顯優于純鎳，鈍化區更寬，擊穿電位更高。綜上可得，FeNi2CoMo0.2V0.5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秀的抗腐蝕性能，不止是因為鎳的存在，還因為該高熵合金自身的熱力學穩定性，獨特的元素配比以及特殊的結構。

[1] Yong Z. Microstructures and properties of high-entropy alloys[J]. Progress in Materials Science, 2014(61): 1-93.

[2] 房偉峰. CuCrFeNiMn基高熵合金的微觀組織和耐腐蝕性能研究[D]. 鄭州: 鄭州大學, 2014.

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

[4] Ding J, Inoue A, Han Y, et al. High entropy effect on structure and properties of (Fe, Co, Ni, Cr)-B amorphous alloys[J]. Journal of Alloys and Compounds, 2017(696): 345-352.

[5] Zhang X, Sloof W G, Hovestad A, et al. Characterization of chromate conversion coatings on zinc using XPS and SKPFM[J]. Surface & Coatings Technology, 2005, 197(2): 168-176.

[6] 周云軍. 高熵合金的相形成規律及性能[D]. 北京: 北京科技大學, 2008.

[7] Zhang J J, Yin X L, Dong Y. Corrosion properties of AlxCoCrFeNiTi0.5highentropy alloys in 0.5 M H2SO4aqueoussolution[J]. Materials Research Innovations, 2014, 18(4): 756-760.

[8] Qiu Y, Gibson M A, Fraser H L, et al. Corrosion characteristics of high entropy alloys[J]. Materials Science and Technology, 2015, 31(10): 1235-1243.

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，山東桓臺人，碩士研究生，研究方向：高熵合金抗腐蝕性能，手機：18251955056，E-mail：clrszw30@163.com.

TG113.23

A

10.14101/j.cnki.issn.1002-4336.2017.02.031