Высокоэнтропийные покрытия Fe–Co–Cr–Ni–(Cu) с повышенной коррозионной и трибокоррозионной стойкостью, полученные электроискровым легированием в вакууме

Высокоэнтропийные покрытия представляют большой интерес для защиты стальных изделий, используемых в прибрежной и морской инфраструктуре, от коррозионного и трибокоррозионного воздействия. В данной работе исследованы свойства средне- и высокоэнтропийных покрытий Fe–Co–Cr–Ni–(Cu), полученных методом электроискрового легирования в вакууме. Показано, что покрытия толщиной до 30 мкм с различным содержанием меди характеризуются структурой однофазного твердого раствора с ГЦК-решеткой и плотной, однородной морфологией. Выявлено, что введение 14 ат.% Cu положительно влияет на коррозионную стойкость, смещая потенциал коррозии до 100 мВ. В условиях трения в искусственной морской воде добавление меди также улучшает трибокоррозионные свойства, повышая потенциал коррозии во время трения до –165 мВ. Это обусловлено гальваническим осаждением растворенной меди на изношенные части покрытия, что также положительно сказывается на коэффициенте трения, снижая его с 0,37 до 0,26. Полученные покрытия Fe–Co–Cr–Ni–(Cu) обладают высокой износостойкостью на уровне (5,6÷9,6)·10^–6 мм³/(Н·м). Результаты исследования подтверждают перспективность их использования в условиях трения и коррозии.

1. Lu Z., Mao Y., Ren S., Pu J., Fu Z., Fan X., Gao S., Fan J. A novel design of VAlTiCrCu/WC alternate multilayer structure to enhance the mechanical and tribo-corrosion properties of the high-entropy alloy coating. Materials Characterization. 2021;176:111115. https://doi.org/10.1016/J.MATCHAR.2021.111115

2. Kuruvila R., Kumaran S.T., Khan M.A., Uthayakumar M. A brief review on the erosion-corrosion behavior of engineering materials. Corrosion Reviews. 2018;36:435—447. https://doi.org/10.1515/CORRREV-2018-0022/HTML

3. Feng Z., Huang J., Guo H., Zhang X., Li Y., Fang B., Li Y., Song G.L., Liu J. A magnetic “Band-Aid” incorporated with Fe3O4 NPs modified epoxy binder for in-situ repair of organic coating under seawater. Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects. 2023;676:132317. https://doi.org/10.1016/J.COLSURFA.2023.132317

4. Liu Z.X., Li Y., Xie X.H., Qin J., Wang Y. The tribo-corrosion behavior of monolayer VN and multilayer VN/C hard coatings under simulated seawater. Ceramics International. 2021;47:25655—25663. https://doi.org/10.1016/J.CERAMINT.2021.05.291

5. Usta O., Korkut E. Prediction of cavitation development and cavitation erosion on hydrofoils and propellers by Detached Eddy Simulation. Ocean Engineering. 2019;191:106512. https://doi.org/10.1016/J.OCEANENG.2019.106512

6. Shao T., Ge F., Dong Y., Li K., Li P., Sun D., Huang F. Microstructural effect on the tribo-corrosion behaviors of magnetron sputtered CrSiN coatings. Wear. 2018; (416-417):44—53. https://doi.org/10.1016/J.WEAR.2018.10.001

7. Niu D., Zhang X., Sui X., Shi Z., Lu X., Wang C., Wang Y., Hao J., Tailoring the tribo-corrosion response of (CrNbTiAlV)CxNy coatings by controlling carbon content. Tribology International. 2023;179:108179. https://doi.org/10.1016/J.TRIBOINT.2022.108179

8. Ma Y., Li Y., Wang F. The atmospheric corrosion kinetics of low carbon steel in a tropical marine environment. Corrosion Science. 2010; 52: 1796—1800. https://doi.org/10.1016/j.corsci.2010.01.022

9. Wang D., Luo H., Zhao S., Tan J., Liang X., Yang J., Zhou S. Seawater-triggered self-renewable amphiphilic coatings with low water swelling and excellent biofilm prevention properties. Progress in Organic Coatings. 2013;175:107351. https://doi.org/10.1016/J.PORGCOAT.2022.107351

10. Zhang X., Yu Y., Li T., Wang L., Qiao Z., Liu Z., Liu W. Effect of the distribution of Cu on the tribo-corrosion mechanisms of CoCrFeNiCu0.3 high-entropy alloys. Tribology International. 2024;193:109401. https://doi.org/10.1016/J.TRIBOINT.2024.109401

11. Wu P., Gan K., Yan D., Fu Z., Li Z. A non-equiatomic FeNiCoCr high-entropy alloy with excellent anti-corrosion performance and strength-ductility synergy. Corrosion Science. 2021;183:109341. https://doi.org/10.1016/J.CORSCI.2021.109341

12. Kuptsov K.A., Antonyuk M.N., Sheveyko A.N., Bondarev A. V., Ignatov S.G., Slukin P. V., Dwivedi P., Fraile A., Polcar T., Shtansky D. V. High-entropy Fe—Cr— Ni—Co—(Cu) coatings produced by vacuum electrospark deposition for marine and coastal applications. Surface and Coatings Technology. 2023;453:129136. https://doi.org/10.1016/J.SURFCOAT.2022.129136

13. Liu Z., Cui T., Chen Y., Dong Z. Effect of Cu addition to AISI 8630 steel on the resistance to microbial corrosion. Bioelectrochemistry. 2023;152:108412. https://doi.org/10.1016/j.bioelechem.2023.108412

14. Zeng Y., Yan W., Shi X., Yan M., Shan Y., Yang K. Enhanced bio-corrosion resistance by Cu alloying in a micro-alloyed pipeline steel. Acta Metall Sin Engl Lett. 2022;35(10):1731—1743. https://doi.org/10.1007/s40195-022-01392-9

15. Shi Y., Yang B., Liaw P. Corrosion-resistant high-entropy alloys: A review. Metals. 2017;7(2):43. https://doi.org/10.3390/met7020043

16. Zhang C., Lu X., Zhou H., Wang Y., Sui X., Shi Z.Q., Hao J. Construction of a compact nanocrystal structure for (CrNbTiAlV)Nx high-entropy nitride films to improve the tribo-corrosion performance. Surface and Coatings Technology. 2022;429:127921. https://doi.org/10.1016/J.SURFCOAT.2021.127921

17. Shon Y., Joshi S.S., Katakam S., Shanker Rajamure R., Dahotre N.B. Laser additive synthesis of high entropy alloy coating on aluminum: Corrosion behavior. Materials Letters. 2015;142:122—125. https://doi.org/10.1016/J.MATLET.2014.11.161

18. Jin G., Cai Z., Guan Y., Cui X., Liu Z., Li Y., Dong M., Zhang D. High temperature wear performance of lasercladded FeNiCoAlCu high-entropy alloy coating. Applied Surface Science. 2018;445:113—122. https://doi.org/10.1016/J.APSUSC.2018.03.135

19. Li Q.H., Yue T.M., Guo Z.N., Lin X. Microstructure and corrosion properties of alcocrfeni high entropy alloy coatings deposited on AISI 1045 steel by the electrospark process. Metallurgical and Materials Transactions A: Physical Metallurgy and Materials Science. 2013;44: 1767—1778. https://doi.org/10.1007/S11661-012-1535-4/FIGURES/15

20. An Z., Jia H., Wu Y., Rack P.D., Patchen A.D., Liu Y., Ren Y., Li N., Liaw P.K. Solid-solution CrCoCuFeNi high-entropy alloy thin films synthesized by sputter deposition. Materials Research Letters. 2015;3:203—209. https://doi.org/10.1080/21663831.2015.1048904

21. Шевейко А.Н., Купцов К.А., Кирюханцев-Корнеев Ф.В., Левашов А.E., Штанский Д.В. Гибридная технология осаждения твердых износостойких покрытий, сочетающая процессы электроискрового легирования, катодно-дугового испарения и магнетронного напыления. Известия вузов. Порошковая металлургия и функциональные покрытия. 2018;(4):92—103. https://doi.org/10.17073/1997-308X-2018-4-92-103

22. Sheveyko A.N., Kuptsov K.A., Antonyuk M.N., Bazlov A.I., Shtansky D.V. Electro-spark deposition of amorphous Fe-based coatings in vacuum and in argon controlled by surface wettability. Materials Letters. 2022;318:132195. https://doi.org/10.1016/J.MATLET.2022.132195