高熵合金高温氧化及腐蚀失效行为研究

来源 :中国科学院大学(中国科学院物理研究所) | 被引量 : 0次 | 上传用户:UFO_2113
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合金材料在使用过程中,会不可避免地因各种形式的失效而产生损耗。常见的失效形式包括断裂失效、变形失效、磨损失效和腐蚀失效等。高熵合金由于其设计理念突破了传统合金的设计思路而受到广泛的关注。一些高熵合金表现出的高强度、高塑性、高硬度和高耐磨性等特点,使其成为凝聚态物理和材料科学研究中新的研究热点。但是目前对高熵合金的研究主要集中于力学性能和相的形成及预测方面,关于高熵合金的其它失效行为的关注较少。本文围绕被证明具有良好高温抗氧化性能的MoTaTi-(Cr,Al)系合金和经典的Cantor合金(FeCoNiCrMn)的高温氧化、热循环和腐蚀行为开展了研究工作,主要内容如下:结合粉末压块和电弧熔炼方法制备了MoTaTi、MoTaTi Al、MoTaTi Cr、MoTaTi Cr Al、Mo Ta Cr和Ta Ti Cr共6种难熔中高熵合金,研究了其物相和组织结构稳定性。实验结果表明,该高熵合金体系具有良好的固溶能力和相稳定性。实验中制备的6种不同成分的中高熵合金中有5种能形成单相的固溶体,且经过高温退火处理后仍保持单相。研究了上述MoTaTi体系中高熵合金的高温氧化行为。虽然Al常常被视为良好的抗氧化合金元素,但是从MoTaTi Cr Al中去除Al反而能提高其抗氧化能力。分析表明,Cr元素在高温抗氧化中起到重要的作用,氧化层中最关键的保护性氧化物是Cr Ta O4。对氧化层中元素分布的测量表明,Cr Ta O4的存在可以有效阻碍气体扩散。进一步的研究发现,Mo的氧化物在高温下的挥发对MoTaTi-(Cr,Al)合金氧化层的致密度产生了很大影响,使PBR较大的Cr Ta O4能够形成致密的氧化层。为了测试FeCoNiCrMn合金在变温环境下的性能稳定性,本文通过温度循环试验,研究了热循环对其力学性能的影响。将FeCoNiCrMn在液氮与室温之间进行200次的温度循环后,对其循环前后的测试表明其各项力学性能均不发生明显的变化,这说明FeCoNiCrMn合金具有良好的热循环稳定性。为提高合金耐蚀性,本文对FeCoNiCrMn样品进行了阳极处理,在稀硫酸溶液中的极化曲线证明了阳极处理可以有效减小FeCoNiCrMn合金的自腐蚀电流密度,提高合金的耐蚀性,XPS的结果证明阳极处理使FeCoNiCrMn表面产生了以Cr的化合物为主的钝化膜保护层。在FeCoNiCrMn的高温氧化实验中,发现FeCoNiCrMn在高温下会发生内氧化现象,腐蚀深度较深,因此不适合在高温下使用。对此,本文尝试用添加Al的方式来提高其高温抗氧化性能,实验结果表明,在相同条件下氧化,FeCoNiCrMn Al六元合金不仅表面氧化层明显更薄,也不会发生内氧化现象,说明Al的添加确实可以显著改善FeCoNiCrMn的抗氧化性能。
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