FeNi2CoMo0.2V0.5高熵合金在2%HNO3溶液中的电化学性能

宋志伟，赵永好，伍冠中，高旭州

(南京理工大学 材料科学与工程学院，江苏 南京 210094)

FeNi2CoMo0.2V0.5高熵合金在2%HNO3溶液中的电化学性能

宋志伟，赵永好，伍冠中，高旭州

(南京理工大学 材料科学与工程学院，江苏 南京 210094)

通过开路电位测试、交流阻抗谱、动电位极化曲线测试，对比研究了FeNi2CoMo0.2V0.5高熵合金与其成分金属纯镍(99.99%)的耐腐蚀性能。结果表明：在2% HNO3溶液中，高熵合金比纯镍能更快达到稳定电位，高熵合金阻抗弧直径是HPT态样品的4倍多，自腐蚀电流密度比纯镍小6倍左右；另外，高熵合金和纯镍在2%的HNO3溶液中均发生明显钝化，但高熵合金钝化效果明显优于纯镍，钝化区更宽，击穿电位更高。

高熵合金；腐蚀行为；钝化；极化曲线

0 引 言

近年来，工业对材料使用性能要求日益苛刻(如：更高的强度、更好的塑性和耐蚀性)，腐蚀的发生是不可逆的，一旦材料发生腐蚀，损失则不可避免。因此需要通过认识、了解和掌握腐蚀的机理、采取合理的防腐蚀措施来减少甚至避免腐蚀带来的危害。

高熵合金[1](HEA)是一种新型合金，其主元的数目n为5～13，且每种主元的物质的质量分数在5%～35%之间。高熵合金倾向于形成简单固溶体结构，而不出现复杂的金属间化合物，并表现出高强度、高硬度、耐磨性、极好的热稳定性和耐腐蚀性能[2]，具有广泛的应用潜力。FeNi2CoMo0.2V0.5高熵合金，其特殊的元素配比，较低的自由能反映了高熵合金的耐蚀性可能非常好。镍为FCC结构[3]，而FeCoNi2V0.5Mo0.2高熵合金样品也为FCC结构，同时该合金样品中Ni的含量达40%，在合金中最有代表性。同时，镍具有很好的耐腐蚀能力，用它做对比可以探究该高熵合金的耐腐蚀机理，是因为镍的存在还是因为其自身特殊的结构[4]。所以，通过与其成分金属镍做对比，研究了其在2% HNO3溶液中的电化学性能，从而进一步探究FeNi2CoMo0.2V0.5高熵合金的腐蚀机理。

另外文献[5]发现，Nb和Mo元素可以降低合金阳极活性溶解电流密度，降低合金溶解腐蚀速率，且Mo作用比Nb更加显著，而且Mo的添加可有效抑制溶液中Cl-对合金的点蚀作用，提高合金的耐腐性能[2]。周云军[6]研究了高熵合金的相形成规律及性能，发现高熵合金与不锈钢一样具有优异的耐腐蚀性，在高浓度的硫酸[7]、盐酸、硝酸中均不发生腐蚀现象，这个特性是一般的铁合金所不具备的。

1 实 验

1.1 试样制备

本试验所用高熵合金是选用高纯度的Fe、Ni、Co、Mo、V为原材料，在高纯氩气保护下采用真空电弧熔炼法制备高熵合金纽扣锭，每个合金纽扣锭在高温1 200℃熔炼3～4次以保证成分均匀，然后通过真空吸铸获得φ10 mm×70 mm的合金棒材。

1.2 电化学实验

在2%HNO3溶液中，对FeNi2CoMo0.2V0.5高熵合金及其成分金属镍的电化学腐蚀行为进行对比研究。所有实验均在室温下进行，所有溶液均由分析纯试剂与超纯水配制而成。为了更好地对比性及可重复性，所有腐蚀试样严格按照金相制备要求打磨并用丙酮清洗，热空气吹干并干燥保存。宏观腐蚀测试利用Ametec VersaSTAT3恒电位仪进行，所有试样均用环氧树脂密封，留出腐蚀电极表面并用铜导线连接。高熵合金样品腐蚀电极面积为0.785 cm2，纯镍样品面积为1 cm2。电化学测试均采用饱和氯化钾/甘汞电极为参比电极、铂电极为辅助电极的标准三电极系统。采用3种电化学检测手段，分别为开路电位(OCP)测试、动电位扫描极化(PDC)测试以及电化学阻抗频谱(EIS)测试。在2%HNO3溶液中开路电位测试时间设置为3 600 s，采点间隔为1 s；电化学阻抗频谱频率范围为100 kHz～10 MHz，外加激励电压为100 mV；动电位极化测试的扫描区间为-0.25 V～+1.5 V(VSoc)，扫描速率为1 mV/s。为确保实验的准确性，每个测试重复3次，另外，实验所测自腐蚀电位和腐蚀电流密度[8]均由Versa-studio软件自主Tafel拟合实现。

2 实验结果与分析

图1是FeNi2CoMo0.2V0.5高熵合金与纯镍在2%HNO3溶液中开路电位。

1 HEA; 2 Ni

由图1可看出，在2% HNO3溶液中高熵合金比纯镍能更快达到稳定电位，且最终稳定开路电位远远高于纯镍，纯镍为-126 mV，HEA为-77 mV，这说明二者腐蚀趋势差别很大，纯镍被腐蚀倾向性更大。

图2是FeNi2CoMo0.2V0.5高熵合金与纯镍在2%HNO3溶液中电化学阻抗。

1 HEA; 2 Ni

由图2可看出，高熵合金阻抗弧直径是纯镍的4倍多，说明高熵合金样品抗腐蚀性能明显优于纯镍。图3是高熵合金在2%HNO3溶液中动电位极化曲线图。

1 HEA; 2 Ni

从图3中可看出，高熵合金样品曲线整体向左上方移动，说明其耐腐蚀性优于纯镍。通过Tafel拟合，具体的极化参数如表1所示，可看出高熵合金自腐蚀电位远远高于纯镍，而且自腐蚀电流密度比纯镍小6倍左右；另外，高熵合金和纯镍在2%的HNO3溶液中均发生明显钝化，但钝化效果却差别很大。其中，纯镍钝化区范围是300～900 mV，致钝电位0.3 V，击穿电位0.9 V；而HEA钝化区宽度为100～1 300 mV，致钝电位为0.1 V，击穿电位1.3 V。

表1 FeNi2CoMo0.2V0.5高熵合金与纯镍在2% HNO3溶液中极化参数

由此可得，在2%HNO3溶液中高熵合金样品抗腐蚀性能明显优于其成分金属镍，这与电化学阻抗谱和开路电位所得结论是一致的。

3 结 论

在2% HNO3溶液中，高熵合金比纯镍能更快达到稳定电位，且最终稳定开路电位远远高于纯镍，高熵合金阻抗弧直径是HPT态样品的4倍多，自腐蚀电流密度比纯镍小6倍左右；另外，高熵合金和纯镍在2%的HNO3溶液中均发生明显钝化，但高熵合金钝化效果明显优于纯镍，钝化区更宽，击穿电位更高。综上可得，FeNi2CoMo0.2V0.5高熵合金在2%HNO3溶液中的抗腐蚀性能显著高于其成分金属纯镍，这说明该体系高熵合金具有如此优秀的抗腐蚀性能，不止是因为镍的存在，还因为该高熵合金自身的热力学稳定性，独特的元素配比以及特殊的结构。

[1] Yong Z. Microstructures and properties of high-entropy alloys[J]. Progress in Materials Science, 2014(61): 1-93.

[2] 房伟峰. CuCrFeNiMn基高熵合金的微观组织和耐腐蚀性能研究[D]. 郑州: 郑州大学, 2014.

[3] 刘德飘, 刘贵仲, 郭景杰. Ni元素对AlFeCoCrCuNix高熵合金组织及电化学腐蚀性能的影响[J]. 稀有金属与硬质合金, 2015, 43(5): 49-53.

[4] Ding J, Inoue A, Han Y, et al. High entropy effect on structure and properties of (Fe, Co, Ni, Cr)-B amorphous alloys[J]. Journal of Alloys and Compounds, 2017(696): 345-352.

[5] Zhang X, Sloof W G, Hovestad A, et al. Characterization of chromate conversion coatings on zinc using XPS and SKPFM[J]. Surface & Coatings Technology, 2005, 197(2): 168-176.

[6] 周云军. 高熵合金的相形成规律及性能[D]. 北京: 北京科技大学, 2008.

[7] Zhang J J, Yin X L, Dong Y. Corrosion properties of AlxCoCrFeNiTi0.5highentropy alloys in 0.5 M H2SO4aqueoussolution[J]. Materials Research Innovations, 2014, 18(4): 756-760.

[8] Qiu Y, Gibson M A, Fraser H L, et al. Corrosion characteristics of high entropy alloys[J]. Materials Science and Technology, 2015, 31(10): 1235-1243.

Electrochemical Properties of FeNi2CoMo0.2V0.5High Entropy Alloy in 2% HNO3Solution

SONG Zhiwei, ZHAO Yonghao, WU Guanzhong, GAO Xuzhou

(SchoolofMaterialsScienceandEngineering,NanjingUniversityofScienceandTechnology,Nanjing,Jiangsu210094,China)

The corrosion resistance of FeNi2CoMo0.2V0.5in high entropy alloy and its constituent metal pure nickel (99.99%) was studied by open circuit potential test, including the electrochemical impedance spectroscopy and the curve test of potentiodynamic polarization. The results show that high entropy alloy can reach the stable potential faster than that of pure nickel in the 2% HNO3solution. The impedance arc diameter of the high entropy alloy is more than four times that of the pure nickel. Self-corrosion current density is about 6 times lower than that of pure nickel. In addition, high entropy alloy and pure nickel in 2% HNO3solution were significantly passivated, but the high entropy alloy in passivation effect was better than pure nickel with passivation area wider and breakdown potential higher.

High entropy alloy; Corrosion behavior; Passivation; Polarization curve

2017-03-14

宋志伟(1992-)，男，山东桓台人，硕士研究生，研究方向：高熵合金抗腐蚀性能，手机：18251955056，E-mail：clrszw30@163.com.

TG113.23

A

10.14101/j.cnki.issn.1002-4336.2017.02.031