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北科大李晓刚团队《Nature》子刊:高强韧耐蚀金属材料重大进展

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导读:本文设计了一种加工性能优异、高强韧、抗腐蚀和抗氢脆断的单相CoNiV中熵合金,不仅在大于90%的伸长率下具有1GPa的抗拉强度,而且具有出色的耐腐蚀和抗氢脆性。这归因于单相固溶的单一fcc结构、堆垛层错能、固溶体元素三方面共同作用。相关结果为高环境稳定性下设计具有良好机械性能的合金开辟了道路。

人们周围的机器、基础设施、发电厂和结构部件均需要具有高的强度和损伤容限的材料,但是在含氢、酸性或混合的环境中时,材料由于氢脆和腐蚀导致机械性能逐渐下降,严重影响部件的使用寿命。现阶段已经应用的先进材料(如不锈钢、镍基合金、钛合金等)通过成分调整等措施能在一定程度上增强耐腐蚀性能,然而进一步提高合金的强度时会使抗腐蚀性能下降。这是因为微结构的变化在提高强度的同时造成了电位差,易出现电化学腐蚀;氢会在析出相内部,界面等区域积累,导致材料失效。因此探索在氢存在的条件下兼顾机械性能和酸性环境中的抗腐蚀性能非常重要。

日前,北京科技大学李晓刚教授和骆鸿教授、马普所Dierk Raabe等人团队提出了一种等原子CoNiV 中熵合金(MEA),在300K含氢的环境下无明显氢脆现象,且具有良好的机械性能,在酸性环境中具有良好的耐蚀性。合金兼具良好的强度、塑性、耐蚀性和氢脆性。相关论文以题为“A strong and ductile medium-entropy alloy resists hydrogen embrittlement and corrosion”发表在Nature Communications。这是该期刊近年来为数不多报道耐蚀金属材料类的研究论文。

论文链接:

https://www.nature.com/articles/s41467-020-16791-8

本研究通过真空感应熔化和滴铸法制备等原子CoNiV中熵合金,在氩气环境中进行1200℃×24h均匀化处理,冷轧压下率75%,氩气下进行950℃×1h再结晶退火,最终合金为单一的fcc结构,晶粒尺寸约为10.5μm,具有随机的晶体织构。

研究发现,MEA中氢扩散率较低,远低于纯V中的扩散率,这与大量添加Ni和Co有关,一方面形成单一的fcc固溶体,氢扩散率较低;另一方面形成致密的表面阻挡膜,阻碍表面氢的释放速率。堆垛层错能(SFE)在应变硬化中也有重要的作用。它会影响晶格分裂成部分晶格,从而减少位错交叉滑移并导致位错反应产物。MEA的屈服强度约为600MPa,抗拉强度约为1GPa,延伸率超过90%。

北科大李晓刚团队《Nature》子刊:高强韧耐蚀金属材料重大进展

图1等原子CoNiV MEA的再结晶组织

北科大李晓刚团队《Nature》子刊:高强韧耐蚀金属材料重大进展

图2 等原子CoNiV MEA断裂表面附近的力学行为和变形微观结构

研究发现在电化学腐蚀过程中MEA形成了稳定的阻挡膜。MEA中的Co和Ni离子的溶解浓度(~0.9,~1.1μg/L)远低于其各自纯金属的相同条件下的离子浓度(~2×107,~300μg/L),但是V离子浓度略高。说明MEA上的阻挡膜能够防止Ni,Co从基体上溶解,V的加入增加了阻挡膜的稳定性,最终导致MEA的抗腐蚀性能提升。

北科大李晓刚团队《Nature》子刊:高强韧耐蚀金属材料重大进展

图3 拉伸试验后,含氢和不含氢的等原子CoNiV MEA的断裂表面

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图4表面阻挡膜的电化学行为和组成

北科大李晓刚团队《Nature》子刊:高强韧耐蚀金属材料重大进展

图5 含/不含氢的各种合金的总伸长率与极限强度的汇总

综上所述,本文提出的等原子CoNiVMEA不仅在大于90%的伸长率下具有1 GPa的高极限拉伸强度,而且在300K、10^-4/s的应变速率下具有出色的耐腐蚀和氢脆性。这种高综合性能是由单相固溶的单一fcc结构、堆垛层错能和固溶体元素三方面共同作用所导致。本研究为高环境稳定性下设计具有良好机械性能的合金开辟了道路。(文:破风)

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