AlTiCrVZr高熵合金表面微弧氧化层的制备及其性能表征

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高熵合金因其良好的力学性能、耐磨耐蚀性而被广泛关注,难熔高熵合金具有优异的室温与高温力学性能,有望成为高温领域又一重要候选材料。但现有的难熔高熵合金大多含有V、Mo、W等元素,高温下易形成挥发性氧化物而导致高温抗氧化性差,极大限制了其在高温领域的应用。本论文通过微弧氧化技术在AlTiCrVZr高熵合金表面预制一层氧化物陶瓷层,探究微弧氧化电解液组成及浓度和电参数等对AlTiCrVZr高熵合金表面微弧氧化层微观形貌、成分组成、高温抗氧化性能及耐蚀性的影响规律,并揭示了AlTiCrVZr高熵合金表面微弧氧化层的生长机理与高温抗氧化机制。研究结果如下:不同电解液组成及浓度制备微弧氧化层表面和截面形貌差异较大,在Na2SiO3+(NaPO3)6+NaOH+Na2B4O7+KF 电解液中制备膜层组成为 Al2O3、TiO2、Cr2O3、CrO3、V2O5、ZrO2 和 SiO2;电解液组成和浓度为 50 g/LNa2SiO3+25 g/L(NaPO3)6+5 g/LNaOH 所制备微弧氧化层表面最为光滑致密,微孔分布及微裂纹均较少。随着电解液浓度的增加,微弧氧化层主要成分始终为高温抗氧化性良好的Al2O3、TiO2、Cr2O3、ZrO2和SiO2。800℃、20 h高温氧化后,基体氧化速率为4.90 mg/(cm2·h),电解液组成和浓度为30 g/L Na2SiO3+15 g/L(NaPO3)6+3 g/LNaOH制备微弧氧化层的氧化速率最小,为4.97 mg/(cm2·h),大于基体增重,微弧氧化层高温下剥落导致其失去对基体的保护作用;不同电解液组成和浓度制备的微弧氧化层在模拟海水中30天全浸腐蚀均具有良好的耐蚀性。随着电压升高,微弧氧化层趋于光滑致密,膜层的主要组成均为Al2O3、TiO2、Cr2O3、V2O5、ZrO2和SiO2;800℃、20h高温氧化后,不同电压制备微弧氧化层中电压为420 V所制备膜层具有良好的高温抗氧化性及耐蚀性,氧化速率为3.97 mg/(cm2·h),腐蚀速率为0.0199 mg/(cm2·d);在电压恒定时,高频率、低占空比组合制备微弧氧化层更加致密,微孔数量少且分布均匀,频率为800 Hz、占空比为6%所制备的微弧氧化层具有优于基体的高温抗氧化性及耐蚀性,氧化速率为3.92 mg/(cm2·h),腐蚀速率为0.0070 mg/(cm2·d)。AlTiCrVZr高熵合金表面微弧氧化层在前50 s的形成过程中,膜层表面及截面形貌变化较大,基体元素与溶质离子均较多参与成膜反应;在60 s-300 s,膜层趋于平整致密,放电击穿所产生的熔融物对不平整区域进行填补修复,溶质离子在成膜反应中占据主导地位;在成膜过程中,Al、Ti、Cr、Zr和Si元素所形成的氧化物存在形态发生变化,但不同时间微弧氧化层中均含有高温抗氧化性较好的Al2O3、ZrO2、TiO2、SiO2和Cr2O3;V2O5微量存在于膜层中,并且含量先增大后减小。AlTiCrVZr高熵合金表面预制微弧氧化层中含有较大量的高温抗氧化性能较好的Al2O3、ZrO2、TiO2、SiO2和Cr2O3等氧化物,其对O原子向内扩散及V原子向外扩散起到了有效的阻滞作用,以此改善合金的高温抗氧化性能;难熔高熵合金表面制备高致密度、大厚度、强界面结合的微弧氧化层,并进一步抑制氧化物层中易挥发氧化物的形成,将是下一步的研究工作重点。
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