Co20Cr20Fe25Ni25Nb3Al7高熵合金与Inconel 625在氯化物环境中应力腐蚀开裂的耦合力学-电化学有限元建模与比较研究

《Results in Engineering》：Coupled Mechano-Electrochemical Modelling of Stress Corrosion Cracking in Inconel 625 and CoCrFeNiNbAl High-Entropy Alloy

　　

本研究建立了一个耦合力学-电化学有限元分析（FEA）框架，用于分析Inconel 625与Co₂₀Cr₂₀Fe₂₅Ni₂₅Nb₃Al₇高熵合金（HEA）在3.5% NaCl环境中的应力腐蚀开裂（SCC）行为。该框架将von Mises弹塑性力学与Tafel电化学动力学及法拉第定律相耦合。在静态条件下，HEA因具有更高的预测屈服强度（625 MPa，基于Labusch固溶强化模型预测）而在缺陷中心产生更尖锐的局部应力集中（851 MPa），而Inconel 625（屈服强度351 MPa）则更早屈服并使应力分布更为广泛（峰值734 MPa）。尽管二者的力学响应存在显著差异，腐蚀电位（约?0.729 V）与阳极电流密度（约0.105 A/m2）均趋于一致，表明其受塑性应变累积而非弹性应力大小主导。HEA在静态条件下表现出约1.4%的微弱阴极电流密度增强，归因于其较高的峰值应力通过应力依赖性阴极交换电流密度提升了析氢反应活性。瞬态变形几何分析揭示了20年腐蚀诱导的应力重分布与电化学演化：HEA在10–15年中间服役期发展出严重的应力与阴极局部化，而Inconel 625在整个20年期间维持分布均匀且可预测的响应。随腐蚀进行，两种材料的阴极电流密度趋于收敛，表明几何演化主导长期电化学行为。研究结论表明，对于氯化物环境中长期SCC可靠性至上的部件，烧结态Inconel 625是更具可预测性的选择；HEA可考虑用于需要优越承载能力的应用场景，但须对腐蚀进行主动管理。SCC评估须同时整合力学稳定性、电化学动力学与瞬态几何演化，以指导腐蚀性服役环境中的可靠合金选择。

应力腐蚀开裂（SCC）是能源、海洋与化工处理系统中结构部件面临的关键退化机制之一，其源于机械应力与电化学反应的复杂耦合作用，可在低于材料屈服强度的应力下引发局部裂纹萌生与扩展。Inconel 625等镍基高温合金虽长期被视为耐腐蚀基准材料，但近期实验研究已记录其在服役相关条件下对应力腐蚀开裂和氢脆的显著敏感性。特定高熵合金（HEA），尤其是基于Co、Cr、Fe和Ni的过渡金属HEA，因组分复杂性和保护性氧化膜的形成而成为改善SCC抗力的候选材料。本研究聚焦于Co₂₀Cr₂₀Fe₂₅Ni₂₅Nb₃Al₇ HEA，选择该组分旨在实现与Inconel 625的直接比较——二者均为富镍多主元体系，确保SCC响应差异源于组分复杂性与力学对比而非 fundamentally不同的基体化学。研究人员开发了一个耦合力学-电化学有限元分析框架，该框架基于Xu和Cheng的模型，将von Mises弹塑性力学与Tafel电化学动力学及法拉第定律相耦合，并采用变形几何方法捕捉20年腐蚀诱导的几何演化。研究分为两个阶段：静态研究考察纵向应变（0–0.4%）对腐蚀的影响，瞬态研究纳入变形几何以捕捉溶解性腐蚀缺陷对壁厚20年的耦合效应。模型通过四个层面进行验证：与Xu和Cheng框架的数值基准对比、与Wu等人Inconel 625在NaCl中应力腐蚀实验的定性比较、电化学参数敏感性分析，以及基于Rezayat等人Inconel 625实验数据的参数基准测试。结果表明，在静态条件下，HEA因更高的预测屈服强度（625 MPa）在缺陷中心产生更尖锐的应力集中（851 MPa），Inconel 625则因较低屈服强度（351 MPa）更早屈服并使应力分布更广泛（峰值734 MPa）；然而腐蚀电位（约?0.729 V）与阳极电流密度（约0.105 A/m2）趋于一致，表明其受塑性应变累积而非弹性应力大小主导。HEA在静态条件下表现出约1.4%的微弱阴极电流密度增强（?0.0423 vs ?0.0417 A/m2），归因于其较高峰值应力通过应力依赖性阴极交换电流密度提升析氢活性。瞬态分析揭示，HEA在10–15年中间服役期发展出严重的应力与阴极局部化，形成有利于氢辅助裂纹萌生的条件；Inconel 625在整个20年期间维持分布均匀且可预测的响应。随腐蚀进行，两种材料的阴极电流密度趋于收敛，表明几何演化主导长期电化学行为。研究结论指出，对于氯化物环境中长期SCC可靠性至上的部件，烧结态Inconel 625是更具可预测性的选择；HEA可考虑用于需要优越承载能力的应用场景，但须对腐蚀进行主动管理；SCC评估须同时整合力学稳定性、电化学动力学与瞬态几何演化，以指导腐蚀性服役环境中的可靠合金选择。该研究的重要意义在于建立了一个材料无关的耦合力学-电化学框架，通过统一的动力学假设和变形几何瞬态分析，揭示了力学稳定性与电化学性能之间的相互作用，为耐蚀合金的选取提供了机理层面的依据。

研究人员采用的关键技术方法包括：基于COMSOL Multiphysics建立耦合力学-电化学有限元模型，将von Mises弹塑性力学（含各向同性硬化）、Tafel阳极溶解与阴极析氢动力学、法拉第定律及二次电流分布公式相耦合；采用变形几何（Arbitrary Lagrangian-Eulerian，ALE）方法模拟20年腐蚀诱导的边界后退与网格重划分；通过Labusch固溶强化模型预测HEA屈服强度；采用参数化扫描分析纵向应变（0–0.4%）的影响；通过网格独立性测试确定约23,000个单元的优化网格密度；通过四个层面验证模型可靠性。样本队列来源为文献报道的Inconel 625实验数据（Wu等人、Rezayat等人）及Xu和Cheng的数值基准。

研究结果方面，在应力分布随外加应变的演化中，HEA在低应变（0.1–0.2%）下应力曲线呈宽平台状，表明塑性变形已在缺陷中心区域扩展，至高应变（0.4%）时转变为尖锐峰值分布（超过800 MPa），反映应变硬化诱导的位错结构局部化；Inconel 625在所有应变水平下应力曲线保持圆润弥散，表明塑性广泛均匀扩展。在腐蚀电位分布中，两种材料在0%应变下均呈均匀电位（约?0.7277 V），随应变增加向更负值偏移且在缺陷中心达到最小值，但两种材料的腐蚀电位分布在所有应变水平下 effectively相同（差异<0.0002 V），表明阳极溶解的热力学驱动力在本建模条件下与材料无关，受塑性应变项主导。在阳极电流密度分布中，两种材料在0%应变下均呈均匀低值（约0.036 A/m2），随应变增加在缺陷中心形成显著局部峰值，0.4%应变下均达约0.105 A/m2，幅值与分布 effectively相同，表明阳极响应主要受局部电化学状态（过电位）而非绝对应力大小或塑性区空间范围支配。在阴极电流密度分布中，两种材料在0%应变下均呈均匀值（约?0.037 A/m2），随应变增加整个缺陷长度上 progressively更负，HEA在所有应变水平下 consistently表现出较Inconel 625微弱但系统的阴极电流密度增强（0.4%应变下?0.0423 vs ?0.0417 A/m2，差异约1.4%），归因于其较高的峰值应力通过应力依赖性阴极交换电流密度提升析氢活性。在瞬态腐蚀演化中，HEA在头10年应力快速下降（峰值从约800 MPa降至约750 MPa），至15年宽峰坍缩为严重局部化尖峰（约720 MPa），20年降至约590 MPa但极端局部化持续；Inconel 625应力下降更为渐进均匀（从约650 MPa至20年约380 MPa），应力曲线保持相对宽缓平滑。腐蚀电位随腐蚀进行向更贵值偏移且电位阱深度递减，两种材料在所有时间点保持 effectively相同。阳极电流密度在20年间 remarkably稳定，所有时间点曲线几乎完全重叠，两种材料在所有时间点 effectively相同（峰值约0.088 A/m2）。阴极电流密度随腐蚀进行向较不负值偏移，HEA在10–15年初始宽阴极阱坍缩为严重局部化振荡特征，Inconel 625演化渐进均匀；静态条件下1.4%的材料依赖性阴极不对称随腐蚀进行 effectively消除，两种材料在等效腐蚀深度下趋于可比应力状态。

讨论部分总结：本框架为比较性机理研究而非定量校准的电化学预测，对两种材料施加相同电化学动力学以确保观察到的SCC差异源于内在力学-电化学耦合而非任意参数选择。该设计可稳健排序材料并识别机理路径，但绝对腐蚀速率仍对假设的Tafel参数敏感，多元素溶解的唯象处理未解析组分特异性钝化膜动力学，二维平面应变简化 with单一缺陷无法解析三维裂纹尖端约束、多重交互缺陷或显式裂纹扩展。研究结论翻译：本研究建立了一个经验证的耦合力学-电化学有限元框架，并将其应用于比较Co₂₀Cr₂₀Fe₂₅Ni₂₅Nb₃Al₇ HEA与Inconel 625在相同3.5% NaCl条件下的SCC行为。主要发现有三：第一，在静态载荷下，HEA较高的屈服强度（625 MPa）在缺陷中心产生更尖锐的应力局部化，而Inconel 625（351 MPa）更早屈服并使应力分布更广泛；尽管力学路径不同，腐蚀电位与阳极电流密度趋于 effectively相同值，受塑性应变累积而非弹性应力支配；HEA在静态条件下表现出微弱增强的阴极活性（约1.4%），但该差异随腐蚀诱导几何演化主导长期行为而消失。第二，瞬态分析揭示几何演化从根本上改变力学-电化学景观；HEA在中间服役期（10–15年）发展出严重应力与阴极局部化，形成有利于氢辅助裂纹萌生的条件；Inconel 625在整个20年期间维持分布均匀且可预测的响应；随腐蚀进行，两种材料阴极电流密度趋于收敛，表明几何演化主导长期电化学行为。第三，对于氯化物暴露部件中长期SCC可靠性至上的情形，烧结态Inconel 625呈现更具可预测性的选择；HEA可考虑用于需要优越承载能力的应用场景，前提是腐蚀得到主动管理。总体而言，SCC评估须同时整合力学稳定性、电化学动力学与瞬态几何演化，以指导腐蚀性服役环境中的可靠合金选择。