第 25 卷第 2 期中国有色金属学报 2015 年 2 月 Volume 25 Number 2 The Chinese Journal of Nonferrous Metals February 2015 文章编号 : (2015) CoCrFeNiTi 0.

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第 25 卷第 2 期中国有色金属学报 2015 年 2 月 Volume 25 Number 2 The Chinese Journal of Nonferrous Metals February 2015 文章编号 :1004 0609(2015)02 0367 08 CoCrFeNiTi 0.5 高熵合金在熔融 Na 2 SO 4 25%NaCl 中的腐蚀行为 李萍, 庞胜娇, 赵杰, 李廷举 ( 大连理工大学材料科学与工程学院, 大连 116024) 摘要 : 研究 CoCrFeNiTi 0.5 高熵合金在熔融 Na 2 SO 4 25%NaCl( 质量分数 ) 中的腐蚀行为, 应用 TGA 获得其在 650 和 750 空气中的腐蚀动力学曲线 ; 采用 XRD SEM(EDS) 和 EPMA 对腐蚀产物的截面形貌及元素分布进行分析 结果表明 : 喷涂 Na 2 SO 4 25%NaCl 的 CoCrFeNiTi 0.5 高熵合金在 650 和 750 时的腐蚀动力学曲线相似, 呈 指数 增长规律 ; 腐蚀截面由含较多 TiO 2 部分 Cr 2 O 3 以及微量尖晶石结构氧化物构成的氧化层与含孔隙且贫 Cr 和 Ti 富 Fe Ni 和 Co 的腐蚀影响区两部分构成 ; 延长腐蚀时间或提高腐蚀温度后, 氧化层破裂, 与基体的结合程度显 著下降, 发生严重剥离甚至脱落 分析认为 :CoCrFeNiTi 0.5 高熵合金在 Na 2 SO 4 25%NaCl 中的高温腐蚀归因于氧 化 硫化以及氯化的综合作用 关键词 : 高熵合金 ; 硫化 ; 氯化 ; 氧化 中图分类号 :TB304 文献标志码 :A Corrosion behavior of CoCrFeNiTi 0.5 high entropy alloy in molten Na 2 SO 4 25%NaCl LI Ping, PANG Sheng jiao, ZHAO Jie, LI Ting ju (College of Materials Science and Engineering, Dalian University of Technology, Dalian 116024, China) Abstract: The corrosion behavior of CoCrFeNiTi 0.5 high entropy alloy (HEA) in molten Na 2 SO 4 25%NaCl (mass fraction, %) was investigated. The corrosion kinetic curves at 650 and 750 were analyzed by TGA method. The scale structure and composition of the corroded products were examined by XRD, SEM equipped with EDS and EPMA. The results show that the corrosion kinetic curves of the CoCrFeNiTi 0.5 alloy corroded at 650 and 750 are similar and follow exponent growth law. The cross section consists of the oxide layers and the corrosion affected zones. The former is composed of mainly TiO 2 and partly Cr 2 O 3 as well as tiny compound oxides with spinel structure, and the latter with porous is depleted in Cr, Ti and rich in Fe, Ni and Co. Prolonging the exposure time or elevating the corrosion temperature, the oxide layer is broken and the adhesion with the matrix is worsened, and is peeled from the matrix. It is concluded that the corrosion behaviors of CoCrFeNiTi 0.5 HEA in molten Na 2 SO 4 25%NaCl is attributed to the interaction of oxidation, sulfidation and chlorination. Key words: high entropy alloy (HEA); sulfidation; chlorination; oxidation 自 20 世纪 90 年代中期台湾学者 YEH 等 [1 2] 提出新的合金设计理念伊始, 高熵合金的研发受到了众多学者的广泛关注 [3 4] 高熵合金具有简单的面心和体心立方相, 表现出高强度 高硬度 抗氧化 较高的 热稳定性以及耐腐蚀等优异性能 [5 8], 使其有望用作超超临界电站锅炉热交换器等高温耐热耐蚀设备的候选材料 [13 14] 燃煤电站锅炉服役过程中, 不可避免地发生以硫酸盐为主要成分的高温熔盐腐蚀 研究发现 : 基金项目 : 国家自然科学基金资助项目 (51134013,51171037) 收稿日期 :2014 04 24; 修订日期 :2014 10 20 通信作者 : 李萍, 副教授, 博士 ; 电话 :0411 84706787;E mail: liping69@dlut.edu.cn

中国有色金属学报 368 2015 年 2 月 当煤中氯含量达到一定值时(约大于 0.3%) 其对炉管 后的显微组织 由图 1 可以看出 喷涂前后的 的腐蚀作用远远超过硫的危害 与氯有关的高温腐蚀 CoCrFeNiTi0.5 高熵合金在热腐蚀前均由典型的树枝 [15] 倾向更为严重 所以其危害性更不容忽视 现有的 晶/枝晶间组织构成 树枝晶为 FCC 结构的固溶体相, 关于高熵合金耐高温腐蚀的研究大多集中于高温氧化 枝晶间隙则由富 FeCr 的 σ 相 R 相和 Laves 相组成 [16 19] 性能 至于其在较为苛刻的熔盐环境下 尤其是 在含硫酸钠和氯化钠等腐蚀介质下耐腐蚀特性的研究 这说明目前的喷涂条件不足以影响 CoCrFeNiTi0.5 高 熵合金组织结构的稳定性 [20] 报道却非常有限 因此 在考虑将高熵合金用于制 造含氯燃煤气氛下服役的热交换器等高温耐热设备 时 有必要结合高熵合金的成分与组织特点 对其在 氯盐中的腐蚀行为及其相关机制进行深入而细致的探 讨 这不仅具有学术研究价值 对其在工业领域的应 用也具有工程指导作用 在此 本文作者选择热稳定性较好的 CoCrFeNiTi0.5 高熵合金作为研究对象 选择 Na2SO4 25%NaCl 模拟 炉管的沉积盐环境 应用增重法获得 CoCrFeNiTi0.5 高 熵合金在 650 和 750 的腐蚀动力学曲线 结合 XRD SEM(EDS)和 EPMA 对腐蚀产物 截面形貌以及元素 分布进行观察与分析 从而揭示 CoCrFeNiTi0.5 高熵合 金在熔融 Na2SO4 25%NaCl 中的腐蚀特性 1 实验 将原材料 Co Cr Fe Ni Ti 按摩尔比为 1:1:1:1:0.5 配制熔炼成铸锭 再将合金材料加工成 10 mm 6 mm 2 mm 的片状试样 表面用水砂纸统一打磨到 800 号 以保证样品表面相同的粗糙度 然后用丙酮 和乙醇清洗吹干 用热喷涂法在试样表面涂覆 Na2SO4 25%NaCl 饱和溶液 待水分快速蒸发 使试 样表面涂覆溶盐量为 5 mg/cm2 涂覆层厚度变化均匀 约为 100 μm 将喷涂硫酸盐的试样放在坩埚中一并置 图1 铸态 CoCrFeNiTi0.5 高熵合金在喷涂前后的显微组织 入箱式电炉中间 在 650 和 750 分别进行腐蚀 时 Fig. 1 Microstructures of as cast CoCrFeNiTi0.5 high entropy 间最长为 150 h 采用精确度为 0.1 mg 的电子天平对 alloy: (a) Before coating (b) After coating 腐蚀前后的样品称量 每个实验条件下 至少取 3 个 平行样 取其质量变化的平均值绘制腐蚀动力学曲线 2.2 腐蚀动力学曲线 以分析腐蚀速率变化 采用 XRD 对腐蚀产物相进行 图 2 所示为喷涂 Na2SO4 25%NaCl 的 CoCrFeNiTi0.5 分析 采用 SEM 对腐蚀后样品表面及截面形貌进行 高熵合金在 650 和 750 的腐蚀动力学曲线 实验条 观察 结合 EDS 和 EPMA 对腐蚀样品的截面进行元 件下 曲线呈现相似的 指数 增长趋势 腐蚀初期 素分布分析 (40 h 以内) 质量增加不明显 延长腐蚀至 150 h 质 量增加加速 分析认为 实验条件下 CoCrFeNiTi0.5 2 实验结果 高熵合金经历了由缓慢腐蚀向加速腐蚀的转变 腐蚀 初期 优先生成的氧化层对合金表面具有一定的保护 作用 阻碍腐蚀的发展 随着腐蚀时间的延长 合金 2.1 铸态合金的组织结构 图 1 所示为铸态 CoCrFeNiTi0.5 高熵合金喷涂前 表面生成更多的氧化产物 升高温度 合金质量增加 明显 腐蚀加速

第 25 卷第 2 期李萍, 等 :CoCrFeNiTi 0.5 高熵合金在熔融 Na 2SO 4 25%NaCl 中的腐蚀行为 369 图 2 CoCrFeNiTi 0.5 高熵合金在 650 和 750 的腐蚀动力学曲线 Fig. 2 Corrosion dynamic curves of CoCrFeNiTi 0.5 high entropy alloy exposed at 650 and 750 2.3 腐蚀产物的物相分析将 CoCrFeNiTi 0.5 高熵合金在 650 和 750 分别腐蚀 40 h 和 100 h 后, 腐蚀产物的 XRD 谱如图 3 和 4 所示 由图 3 和 4 可见, 温度改变对腐蚀产物相的形成未产生明显的影响 实验条件下, 腐蚀产物由较多的 TiO 2 部分 Cr 2 O 3 Fe 2 O 3 以及微量的尖晶石结构复杂氧化物 AB 2 O 4 组成 2.4 腐蚀样品的截面形貌分析对腐蚀样品表面形貌的观察发现 : 样品表面生成黑褐色腐蚀产物, 局部区域有腐蚀产物剥落 ; 延长腐图 3 CoCrFeNiTi 0.5 高熵合金在 650 腐蚀 40 和 100 h 后的 XRD 谱 Fig. 3 XRD patterns of CoCrFeNiTi 0.5 high entropy alloy for 40 h and 100 h at 650 图 4 CoCrFeNiTi 0.5 高熵合金在 750 腐蚀 40 和 100 h 后的 XRD 谱 Fig. 4 XRD patterns of CoCrFeNiTi 0.5 high entropy alloy exposed at 750 for 40 h and 100 h 蚀时间, 腐蚀膜的爆裂趋于严重, 这意味着腐蚀产物与合金基体的结合程度在逐渐劣化 CoCrFeNiTi 0.5 高熵合金在 650 腐蚀不同时间的截面形貌如图 5 所示 由图 5 可看出, 腐蚀 20 h 时, 基体表面形成相对较为连续且致密的厚度约为 20 μm 的不均匀腐蚀层, 与基体接触良好, 未见明显剥离 EDS 分析表明该腐蚀层约含 Ti(48.6%, 质量分数 ) Cr(19.04%) O(30.83%), 结合 XRD 可知该层主要由 Ti 和 Cr 氧化物组成 邻近的腐蚀影响区 ( 氧化层与基体交界面 ) 不均匀地分布着块状产物与微小孔隙,EDS 结果分析可知, 该块状产物仍为富含 Ti(37.3%) Cr(27.82%) O(33.87%) 的氧化物, 孔隙周围贫 Ti(0.82%) Cr(11.46%), 富 Fe(29.73%) Ni(25.13%) 和 Co(32.27%) 以及含微量 O(0.55%) S(0.02%) 腐蚀至 70 h 以上, 氧化层已完全破裂, 样品制备过程中与基体剥离并从基体表面脱落, 所以只有少量的氧化物残留, 对应的腐蚀影响区发现若干孔洞萌生且有裂纹向基体中延伸 CoCrFeNiTi 0.5 高熵合金在 750 腐蚀不同时间后的截面形貌如图 6 所示 腐蚀初期 (20 h), 氧化层破碎, 变得不连续且从基体表面剥离, 有孔隙存在于腐蚀影响区 结合 EDS 分析可知, 该氧化层约含 Cr(33.47%) Ti(21.15%) O(39.84%) Ni(1.18%) Co(0.92%) Fe(1.37% ); 腐蚀影响区的孔隙周围含 S(0.92%) O(16.08%), 相对于基体呈现明显的贫 Cr(11.25%) Ti(4.87%), 富 Ni(27.74%) Fe(22.96%) Co(32.28%); 延长腐蚀时间到 70 h 时, 氧化层完全剥落, 腐蚀影响

中国有色金属学报 370 图5 2015 年 2 月 CoCrFeNiTi0.5 高熵合金在 650 腐蚀不同时间后的腐蚀样品截面形貌 Fig. 5 Cross section micrographs of CoCrFeNiTi0.5 HEA exposed at 650 for 20 h(a), 70 h(b), 150 h(c) 图6 CoCrFeNiTi0.5 高熵合金在 750 腐蚀不同时间后的腐蚀截面形貌 Fig. 6 Cross section micrographs of CoCrFeNiTi0.5 high entropy alloy exposed at 750 for 20 h(a), 70 h(b) and 150 h(c) 区明显增厚 约为 40 μm 孔隙密度增大 孔隙深度 Ti 富 Ni Co Fe 以及含微量 O 与 S 提高腐蚀温 显著增加 EDS 分析结果表明 该区域贫 Cr(8.25%) 度至 750 氧化层除富集较多的 Ti Cr 外 该区域 Ti(0.93%) 富 Ni(33.93%) Fe(20.32%) Co(35.39%) 还发现存在少量的 Ni Fe 和 Co 腐蚀影响区元素分 及含少量的 S 元素(1.02%)和 O(0.09%) 继续腐蚀至 布未变 150 h 时 观察到厚约 12 μm 的含 Cr(26.10%)和 Ti(28.23%) O(39.41%) Ni(1.83%) Co(1.19%) Fe( 2.17%)的氧化层 厚约 30 μm 腐蚀影响区零星分 3 分析与讨论 布孔洞 孔洞处依然贫 Cr(5.27%) Ti(0.93%) 富 Ni(32.14%) Fe(21.44%) Co(35.31%)以及含微量的 O(2.52%)和 S(1.09%) 综合上述腐蚀动力学曲线 腐蚀产物相的 XRD 谱以及对截面形貌和元素分布的观察 分析认为 元 素 Cr 和 Ti 具有较快的扩散速率 且与 O 有更好的亲 2.5 腐蚀样品截面元素分布 和力 所以 CoCrFeNiTi0.5 高熵合金在腐蚀初期发生 CoCrFeNiTi0.5 高熵合金在 650 和 750 分别腐蚀 选择性氧化 合金表面优先形成了连续致密且对基体 40 h 的截面元素分布如图 7 和 8 所示 元素 Ti 和 O 具有保护性作用的富含 Ti Cr 的氧化层 与基体接触 分布于整个氧化层 Cr 偏聚于氧化层内侧与基体内 良好 其他合金元素如 Co 和 Ni 等的存在不仅促进合 部 氧化层与基体交界面约 20 μm 的腐蚀影响区贫 Cr 金氧化层的形成 还能够提高它们的致密性与粘附性

第 25 卷第 2 期 李 萍 等 CoCrFeNiTi0.5 高熵合金在熔融 Na2SO4 25%NaCl 中的腐蚀行为 不仅如此 多种组元的氧化产物又相互作用 生成具 371 抗腐蚀能力 表现在腐蚀初期的氧化质量增加不显著 有复杂结构的尖晶石型氧化层 其产生对于合金基体 文献[21]中指出 当 Na2SO4 与 NaCl 的质量比为 也具有一定的保护作用 因此 腐蚀初期在 3:1 时 混合盐的熔点不超过 630 这意味着实验条 CoCrFeNiTi0.5 高熵合金表面形成的多种氧化物延长了 件下 合金表面将发生混合盐膜的熔融 熔融的 NaCl 腐蚀的孕育期 阻碍了盐膜对基体的腐蚀 增强合金的 与腐蚀初期形成的氧化物或金属发生如下反应[22 25] 图7 CoCrFeNiTi0.5 高熵合金在 650 腐蚀 40 h 后的截面形貌及元素分布 Fig. 7 SEM image and element map scanning results of CoCrFeNiTi0.5 entropy alloy corroded at 650 for 40 h: (a) SEM image (b) Ti (c) Cr (d) Fe (e) Ni (f) Co (g) O (h) S

中国有色金属学报 372 图8 2015 年 2 月 CoCrFeNiTi0.5 高熵合金在 750 腐蚀 40 h 后的截面形貌及元素分布 Fig. 8 SEM image and element map scanning results of CoCrFeNiTi0.5 high entropy alloy corroded at 750 for 40 h: (a) SEM image (b) Ti (c) Cr (d) Fe (e) Ni (f) Co (g) O (h) S 4NaCl+Cr2O3+5/2O2 2Na2CrO4+2Cl2 (1) 能与基体合金元素发生如下反应生成金属氯化物 Cr+2NaCl+2O2 Na2CrO4+Cl2 (2) (Fe,Cr,Ni,Co)+1/2yCl2 (Fe,Cr,Ni,Co)Cly 上述反应中生成的 Cl2 或者挥发到空气中 也可 (3) 相对于元素 Ni 和 Co Cr Fe 与 Cl2 反应的驱动

第 25 卷第 2 期李萍, 等 :CoCrFeNiTi 0.5 高熵合金在熔融 Na 2SO 4 25%NaCl 中的腐蚀行为 373 力更大 [26], 所以元素 Ni Co 因与 Cl 2 反应的趋势较小 而易于被保留在基体中, 造成腐蚀影响区中 Ni 和 Co 含量偏高 在金属 氧 氯系统中, 氧化物为最终稳定相, 所 以铁 铬氯化物在向外扩散的过程中通过反应 (4) 又被 氧化形成金属氧化物和 Cl 2 [27 28], 生成的 Cl 2 再重复反 应 (3)~(4) 过程 x(fe,cr) Cl 2 +1/2yO 2 (Fe,Cr) x O y +Cl 2 (4) 在氯化 / 氧化循环过程中, Cl 元素通过氯化物的形 成 汽化 再氧化导致金属损耗加剧 因此, 在有 NaCl 参与的热腐蚀过程中, 容易导致氧化层与基体的剥离, 从而产生二次氧化 由于 Cr 的氯化物与 O 2 反应的 ΔG 更小, 所以 Cr 的氧化物易于先生成, 之后生成铁的氧 化物并覆盖于铬的氧化物之上 [29] 不仅如此, 腐蚀过程中多种挥发性产物的形成还 破坏了氧化层的致密性, 使试样表面的氧化层呈现疏 松多孔的形貌, 这将加速熔盐通过孔隙与金属发生进 一步的腐蚀, 不仅有助于为硫元素与氧元素向基体中 扩散提供通道, 也为氧化层与基体界面以及基体内部 内硫化与内氧化的发生创造更多机会 结合 SEM 与 EDS 分析可知 : 腐蚀影响区 ( 氧化层 基体界面 ) 含有微 孔隙且贫 Cr Ti, 富 Fe Ni Co 以及微量 S O, 这 是由于选择性氯化造成 Fe Cr 元素向合金表面扩散, 在基体中形成孔洞 ; 熔融态的硫酸根通过疏松多孔的 氧化层扩散到腐蚀影响区以及基体内部, 在微孔隙周 围富集, 通过还原反应, 形成铁镍硫化物, 促使该区 域发生了内硫化 [30 31] 上述反应过程可描述为 SO 4 2 +4e S 2 +2O 2 (5) x(fe/ni)+ys 2 (Fe/Ni) x S y (6) 综上所述, CoCrFeNiTi 0.5 高熵合金在熔融 Na 2 SO 4 25%NaCl 中的腐蚀可以看成是氧化 氯化与硫化共同 作用的结果 : 氧化作用使合金表面生成具有保护性作 用的保护层 ; 融盐中的 S 通过扩散 还原反应使得合 金发生内硫化 ;Cl 通过氯化物的形成 汽化 再氧化 破坏了氧化层对合金的保护性作用, 并加速了合金多 次氧化 ; 而且, 由于 Cl 的腐蚀是重复进行的, 因此, 含 NaCl 的混合盐对高熵合金的腐蚀作用更具破坏性 4 结论 1) 表面喷涂 Na 2 SO 4 25%NaCl 的 CoCrFeNiTi 0.5 高熵合金在 650 和 750 腐蚀动力学曲线相似, 均呈 指数 增长规律, 这意味着 CoCrFeNiTi 0.5 高熵合金 经历了由稳定腐蚀向加速腐蚀的转变 2) 腐蚀截面由含较多 TiO 2 部分 Cr 2 O 3 以及微量 尖晶石结构氧化物构成的氧化层与含孔隙的贫 Cr Ti, 富 Fe Ni Co 的腐蚀影响区两部分组成 提高腐蚀 温度或延长时间, 氧化层与基体结合程度显著下降, 氧化层破裂并与基体严重剥离, 甚至脱落 3) CoCrFeNiTi 0.5 高熵合金在熔融 Na 2 SO 4 25%NaCl 中的高温腐蚀归因于氧化 氯化以及硫化的 综合作用 由于 Cl 的腐蚀作用是重复性的, 这使得 NaCl 对合金的腐蚀作用更具破坏性 致谢 : 论文的部分工作得到了秦鹏 董永两位研究生的 帮助和支持, 在此表示真诚的感谢! REFERENCES [1] YEH J W, CHEN S K, LIN S J, GAN J Y, CHIN T S, SHUN T T, TSAU C H, CHANG S Y. Nano structured high entropy alloys with multiple principal elements: Novel alloy design concepts and outcomes[j]. Advanced Engineering Materials, 2004, 6(5): 299 303. [2] TSAI Ming huang, YEH Jien wei. High entropy alloy: A critical review[j]. Material Research Letters, 2014, 2(3): 107 123. [3] 董闯, 羌建兵, 袁亮, 王清, 王英敏. 合金相的 团簇 + 连接原子 模型与成分设计 [J]. 中国有色金属学报, 2011, 21(10): 2502 2510. DONG Chuang, QIANG Jian bing, YUAN Liang, WANG Qing, WANG Ying min. A cluster plus glue atomodel for composition design of complex alloys[j]. The Chinese Journal of Nonferrous Metals, 2011, 21(10): 2502 2510. [4] WANG Zhi wei, YUAN Yan bo, ZHENG Rui xiao, AMEYAMA Kei, MA Chao li. Microstructures and mechanical properties of extruded 2024 aluminum alloy reinforced by FeNiCrCoAl 3 particles[j]. Transactions of Nonferrous Metals Society of China, 2014, 24(7): 2366 2373. [5] REN Ming xing, LIZ Bang sheng, FU Heng zhi. Formation condition of solid solution type high entropy alloy[j]. Transactions of Nonferrous Metals Society of China, 2013, 23(4): 991 995. [6] NONG Zhi sheng, ZHU Jing chuan, YU Hai ling, LAI Zhong hong. First principles calculation of intermetallic compounds in FeTiCoNiVCrMnCuAl system high entropy alloy[j]. Transactions of Nonferrous Metals Society of China, 2012, 22(6): 1437 1444. [7] HUANG Yuan sheng, CHEN Ling, LIU Hong wei. Microstructure, hardness, resistivity and thermal stability of

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