原文出自 Materials 期刊

Song, Z.; Wang, Z.; Chen, Q.; Qi, Z.; Kim, K.B.; Wang, W. Role of Cr Element in Highly Dense Passivation of Fe-Based Amorphous Alloy. Materials 2023, 16, 6630.https://www.mdpi.com/2514134

作者介绍

通讯作者

王伟民 教授

山东大学

现任山东大学材料科学与工程学院教授、博士生导师。主要从事材料加工、非晶合金、材料相变、电化学、材料腐蚀、催化降解等方面的分析研究。担任的学术职务有洪堡基金会会员、国家自然科学基金通讯评议专家、教育部科技项目评审专家、山东省科技项目评审专家、山东省高层次专家库成员，以及J. Non-Cryst. Solids、J. Alloy. Compd.、Progress in Natural Science、《稀有金属材料与工程》《上海交通大学学报》等国内外期刊评审专家；第69届世界铸造会议学术工作委员会成员。

第一作者

宋梓祺 硕士研究生

山东大学

山东大学材料科学与工程学院硕士研究生。主要研究合金材料电化学腐蚀与微观组织演化。

研究背景

铁基非晶态合金因其优异的耐腐蚀、耐磨性被广泛应用于各个领域，如冶金行业中的钻头、医疗材料中的人工骨关节等。此外，与Co、Zr、Ni、Cu和Ti相比，Fe基金属玻璃的成本要低得多。在工业高速高水平发展的今天，需要解决恶劣环境下工作的金属零件的腐蚀磨损问题，使铁基非晶合金的耐腐蚀性能提高到符合当前工业的需要。在已知的不锈钢中，Cr是提高合金耐蚀性的重要而廉价的元素之一，Cr的加入能显著提高铁基非晶合金的耐蚀性。本研究结果不仅为了解Cr对铁基金属玻璃耐蚀性的影响提供了新的途径，而且为铁基非晶合金钝化膜的制备提供了新的方法。

研究过程与结果

对Fe72−xCrxB19.2Si4.8Nb4 [x = 0 (Cr0)、x = 7.2 (Cr7)、x = 21.6 (Cr21)、x = 36 (Cr36)] 条带在室温下的电化学行为和浸泡失重进行的分析结果如图1。从动电位极化曲线来看，Cr0没有明显的钝化平台；Cr7、Cr21和Cr36的阳极极化曲线有明显的宽钝化平台，并且没有明显的阳极Tafel区。图1d中相位角越接近90°，腐蚀表面的钝化膜越稳定致密；可以看出，加入Cr元素后，中频的相位角更接近90°。由此可见，Cr含量的增加可以使钝化膜更加致密和厚实，这与动态电位极化曲线上的钝化平台和腐蚀电流密度一致。

图1. (a) 中性溶液中Fe72−xCrxB19.2Si4.8Nb4 [x = 0 (Cr0)、x = 7.2 (Cr7)、x = 21.6 (Cr21)、x = 36 (Cr36)] 条带的动电位极化图；(b) 腐蚀速率即浸在酸性溶液中得到的重量损失；(c) 中性溶液中条带的Nyquist图；(c,d) 相应的Bode图，符号表示实验数据，实线表示拟合结果。

随后，作者为了进一步了解表面形貌发生的变化，根据SEM观测结果，模拟了腐蚀后条带的截面图 (图2)。Cr0时，腐蚀垢大部分脱落，表面出现明显的应力开裂，暴露出基体。相比之下，在Cr7的光滑表面上观察到很少的腐蚀产物。作者认为在样品表面可能产生了一种相对富Cr的氧化物，说明加入少量Cr元素可以减少局部腐蚀坑的产生。Cr21条带表面的腐蚀坑比Cr7更明显。此时，早期形成的大坑底部容易形成小坑。在Cr36条带表面，可以观察到其表面比Cr21更粗糙，并且点蚀引起的表面钝化膜呈链状。结果表明，Cr元素的加入对合金的腐蚀应力开裂和点蚀有先降低后升高的作用，在cCr = 7 at.%时，合金的抗点蚀能力最大。

图2. Fe72−xCrxB19.2Si4.8Nb4腐蚀条带的SEM图像和简化截面图。(a) x = 0；(b) x = 7.2 (Cr7)；(c) x = 21.6 (Cr21)；(d) x = 36 (Cr36)。(a1~d1) 显示其腐蚀特征的简化截面图。

研究总结

本文采用电弧熔炼法制备了x = 0、7.2、21.6、36的Fe72−xCrxB19.2Si4.8Nb4铸锭和条带。对铸锭和条带进行了显微组织研究、硬度测试、电化学实验和XPS分析；并对测试后带的表面形貌进行了分析。结合铸锭和条带之间的遗传关系，可以发现Cr元素对铁基非晶合金性能的影响如下：

(1) 随着Cr含量增加，铁基合金的稳定性和金属玻璃形成能力在x = 21前先升高，在x = 36时急剧下降。同时，样品中的CrFeB相和团簇倾向于在铸锭和条带中形成强取向，使合金的金属玻璃形成能力恶化。

(2) 随着cCr的增大，铁基条带的腐蚀速率、腐蚀电流和推断腐蚀速率增大，硬度增大，而耐点蚀性能则在x = 7时增大，在x = 21时减小，表明在适当的cCr下形成了最稳定的钝化膜，XPS数据也证实了这一点。这为设计和制备高耐蚀铁基合金提供了新的思路。

Materials 期刊介绍

主编：Maryam Tabrizian, McGill University, Canada

主要关注材料科学与工程研究相关各个领域的最新研究成果，包括但不限于高分子、纳米材料、能源材料、复合材料、碳材料、多孔材料、生物材料、建筑材料、陶瓷、金属等，以及材料物理化学、催化、腐蚀、光电应用、结构分析和表征、建模等。

2022 Impact Factor：3.4

2022 CiteScore：5.2

Time to First Decision：13.9 Days

Time to Publication：38 Days