FeCoNiCrSix高熵合金涂层用于提高304不锈钢的耐腐蚀性:微观结构演变与机理分析

《Surface and Coatings Technology》:FeCoNiCrSix high-entropy alloy coatings for enhanced corrosion resistance of 304 stainless steel: Microstructural evolution and mechanistic insights

【字体: 时间:2025年11月28日 来源:Surface and Coatings Technology 5.4

编辑推荐:

  硅含量对FeCoNiCr基高熵合金涂层微观结构与耐腐蚀性的影响研究。采用激光熔覆技术制备不同硅含量的FeCoNiCrSi涂层,发现硅含量调控可形成FCC/Fe2.5Ni1.5Si双相结构并最终转变为Fe-BCC相,其中硅含量0.5的涂层在0.5M硫酸中表现出最优的耐腐蚀性,归因于氧离子与氢氧根离子的比例提升及稳定相结构形成。

  
叶子伟|徐鹏|吕玉芳|费明浩
贵州大学材料与冶金学院,贵阳,550025,中国

摘要

基于FeCoNiCr的高熵合金(HEA)涂层添加硅(Si)后,在耐腐蚀性方面展现出巨大潜力。本研究通过激光熔覆技术在304不锈钢表面沉积了FeCoNiCrSix HEA涂层,以提升基材的耐腐蚀性能,并重点探讨了Si含量对微观结构、相形成及腐蚀性能的影响。微观结构分析显示该涂层具有独特的双相(Fe2.5Ni1.5Si + Fe-BCC)结构,且其相特性可通过Si含量进行调控。当Si的质量比为0.5时,涂层中的Fe-BCC相发育良好,在0.1 M/0.5 M H?SO?溶液中表现出最佳的耐腐蚀性,这归因于该溶液中较高的O2?/OH?比值(增强了材料的耐强酸能力)。本研究阐明了Si通过调控相结构来优化HEA涂层耐腐蚀性的机制,为合理设计基于FeCoNiCr的耐腐蚀HEA涂层提供了理论依据,并为其在恶劣酸性环境中的应用提供了支持。

引言

304不锈钢因其优异的冷加工性、延展性和中等耐腐蚀性,在航空航天、医疗和工业设备领域得到广泛应用[[1], [2], [3]]。然而,在特定环境中它仍易发生腐蚀[4],通过涂层技术可以进一步提升其性能。激光熔覆(LC)是一种广泛采用的表面改性方法,该方法利用高能量密度激光束熔化预先放置或原位输送的粉末,使其与基材表面结合形成具有特定性能的涂层[[5], [6], [7], [8]]。激光熔覆制备的涂层具有致密的微观结构和良好的附着力[[9,10]]。
高熵合金(HEAs)最初由Yeh提出[[11]]。与传统合金不同,HEAs具有多种主要金属元素、多样的相组成以及协同的多功能特性。作为涂层使用时,它们在改善基材表面性能方面表现出显著效果[[12], [13], [14], [15], [16], [17], [18], [19], [20]]。最初,HEAs被定义为包含五种主要元素的合金,每种元素的原子浓度范围为5%至35%,而微量元素的浓度可低于5%[[21]]。基于FeCoNiCr的高熵合金因其机械性能和耐腐蚀性的协同提升而受到广泛关注。这种合金由四种过渡金属组成,在等原子比条件下倾向于形成简单的固溶体结构[[22], [23], [24]],这一特性激发了人们进一步优化其性能的广泛研究[[25], [26], [27]]。
在基于FeCoNiCr的HEAs中,非金属元素Si因原子尺寸接近主要成分元素且混合焓较低而受到重视。Li等人[[28]]研究了不同异质晶粒结构和Si含量的FeCoCrNiMn HEAs在3.5 wt%氯化钠(NaCl)溶液中的耐腐蚀性,发现Si增强了合金的自腐蚀抗性,并在所有测试的HEAs中观察到了p-n异质结。此外,Si的添加还可以改变钝化膜的厚度和组成。Song等人[[29]]系统研究了Si含量对FeCoCrNiMoCu?.?Si?(x = 0.2, 0.3, 0.4)共晶高熵合金(EHEA)涂层微观结构和电化学腐蚀行为的影响,发现Si改性的EHEA涂层在富含氯离子的海洋环境中表现出优异的耐腐蚀性,这归因于微观结构的稳定化和局部电偶腐蚀的抑制。Wu等人[[30]]研究了含有Si的非等原子比Fe??Ni??Co??Cr??Si?? HEA在3.5 wt% NaCl溶液中的电化学腐蚀行为,发现Si的添加促进了钝化膜中(Fe, Cr)混合硅酸盐的形成,从而提高了膜的稳定性。通过定制的HEA涂层提升304不锈钢的耐腐蚀性已成为重要的研究方向[[31,32]]。
在本研究中,通过激光熔覆技术在304不锈钢表面沉积了FeCoCrNiSi HEA涂层,以增强其耐腐蚀性,并特别关注了不同Si含量对涂层性能的影响。与金属原子相比,Si具有负混合焓,有利于形成硅化物强化相[[33]]。先前的研究表明,原本由单一FCC相组成的FeCoCrNi合金在掺杂Si后倾向于转变为BCC和NixSiy相[[34]]。通过精确调控Si含量,304不锈钢中的Fe原子逐渐融入涂层中,最终形成了独特的Fe2.5Ni1.5Si相。同时,还对FeCoCrNiSi HEA涂层的微观结构与相应性能之间的关联进行了系统研究。

材料制备

所用基材为304不锈钢,尺寸为50 mm × 30 mm × 8 mm(化学成分见表1)。使用的粉末为Co、Ni、Cr和Si(纯度>99.99%,非球形),Si含量通过质量比进行调整。Co、Ni和Cr的质量比固定为1:1:1,Si的质量比分别为0.4、0.5、0.6和0.7。根据Si的质量比,涂层分别命名为Si0.4、Si0.5、Si0.6和Si0.7。

涂层制备

本实验采用了YSL6000光纤激光系统进行涂层制备

HEA涂层的相组成

XRD图谱(图1)显示Si0.4涂层主要由面心立方(FCC)相(PDF#04-009-3507)和金属间化合物Fe2.5Ni1.5Si(PDF#04-017-2349)组成,最强衍射峰位于(020)FCC方向。随着Si含量的增加,Fe2.5Ni1.5Si的衍射峰强度增强,但主要相组成保持不变。在Si0.6和Si0.7中出现了Fe-BCC(PDF#04-014-0164)相,表明涂层从双相(FCC + Fe2.5Ni1.5Si)转变为三相(FCC + Fe2.5Ni1.5Si + Fe-BCC)结构。

结论

本研究采用激光熔覆技术在304不锈钢基材上制备了FeCoNiCrSiX(x = 0.4, 0.5, 0.6, 0.7)高熵合金(HEA)涂层,深入探讨了不同Si含量对涂层微观结构、相组成和耐腐蚀性能的影响。主要结论如下:
  • (1)
    对于Si0.4涂层,其主要组成相为面心立方(FCC)相和Fe2.5Ni1.5Si相。
  • 作者贡献声明

    叶子伟:负责撰写初稿、资料收集、数据分析及形式化分析。徐鹏:负责撰写、审稿与编辑、项目监督、资源协调、资金争取及概念构思。吕玉芳:负责软件开发、资料管理及实验方法设计。费明浩:负责软件操作、资料收集及资金争取。

    利益冲突声明

    作者声明无利益冲突。

    致谢

    作者衷心感谢国家自然科学基金(项目编号:52461012)和贵州省重点科技研发计划(项目编号:QKHZC [2023] general 298)的财政支持。
    相关新闻
    生物通微信公众号
    微信
    新浪微博
    • 搜索
    • 国际
    • 国内
    • 人物
    • 产业
    • 热点
    • 科普
    • 急聘职位
    • 高薪职位

    知名企业招聘

    热点排行

      今日动态 | 人才市场 | 新技术专栏 | 中国科学人 | 云展台 | BioHot | 云讲堂直播 | 会展中心 | 特价专栏 | 技术快讯 | 免费试用

      版权所有 生物通

      Copyright© eBiotrade.com, All Rights Reserved

      联系信箱:

      粤ICP备09063491号