Al含量变化对热爆合成的多孔FeCoNiCrAlx高熵合金微观结构和性能的影响
Intermetallics
在煤炭开发利用的过程中，资源利用率低、环境污染严重的状况普遍存在。例如，煤炭燃烧会生成大量含有O2、水蒸气、硫化氢、CO、SO2、NOx等各种腐蚀性气体成分的高温烟气；会产生有毒的悬浮颗粒物（PM）以及低分子量有机物。在处理煤炭燃烧排放污染气体的技术难点之一就是高温气体过滤，其是在高温环境中对排放气体进行过滤、分离、净化，这对过滤材料在高温环境下使用时的力学性能、热稳定性以及耐腐蚀性能等提出了很高的要求，研发制备满足要求的多孔过滤材料是当下处理高温气体污染的重点。高熵合金（HEAs）通过其低扩散系数、高元素浓度和复杂的成分组合可以增加抗氧化、耐腐蚀能力，因此在高温过滤环境中的性能也受到了广泛关注。
目前，已经开发出了多种制备HEAs的方法，包括机械合金化、激光熔覆、粉末冶金、热喷涂等。然而这些方法通常用于制备体致密HEAs。燃烧合成法可以制备出孔隙形态可控、孔隙率高、力学性能优异的多孔材料。与传统方法不同，热爆（TE）反应是利用反应物内部的化学能合成材料的方法，具有反应速度快、能耗低、成分易控制、产物纯度高等优点。利用TE反应合成了各种多孔铝基金属间化合物，如Fe-Al、Ni-Al和Ti-Al。由于该方法烧结温度低，且不需要合金冶炼，可以解决合金雾化和冶炼产生的问题。因此，利用TE反应制备多孔FeCoNiCrAl HEAs值得尝试。
本文通过TE反应合成了具有优异抗高温氧化和腐蚀性能的多孔FeCoNiCrAl HEAs，该方法结合了FeCoNiCrAl HEAs和多孔金属间化合物作为高温过滤材料的优点。表征结果显示，随着Al添加量的增加，HEAs的主相结构从FCC过渡到BCC。同时，金属间化合物B2相从基体中析出，显著提高了FeCoNiCrAlx HEAs的机械性能。添加Al不仅提高了多孔FeCoNiCrAlx的孔隙率（32.05 %）和压缩性能（σmax=219.44 Mpa，εmax=2.93 %），还增强了合金在1000 °C下的抗氧化性能以及在3.5 wt.% NaCl溶液中的抗腐蚀性。20 at.% Al样品（Al-20）在多孔HEAs骨架上形成了一层连续的Al2O3保护膜，在1000 ℃下氧化120 h后，质量增加仅为3.48 %。Al-5促进了钝化膜的生成，提高了钝化膜的稳定性，有效限制了材料的电化学腐蚀。
相关研究结果以题为“Effect of Al variation on microstructure and properties of porous FeCoNiCrAlx high-entropy alloys synthesized via thermal explosion”发表在Intermetallics上。
图1. (a) 加热至1000 ℃ FeCoNiCrAl样品的DSC曲线，(b) 热爆反应实时图像
图2. (a) 多孔FeCoNiCrAlx HEAs的应力-应变曲线和实时图像；（b）多孔FeCoNiCrAlx HEAs的孔隙率和孔径
图3. 氧化产物横截面的 FESEM 和 EDS 图像: (a) Al-10, (b) Al-20
作者：汤博文，商智超，郭玮佳，庞紫璇，Farid Akhtar，王建忠，张保敬，李世恒，冯培忠
链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0966979525000524
DOI: https://doi.org/10.1016/j.intermet.2025.108687
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