Published September 7, 2018 | Version v1
Publication Open

Nonlinear Oxidation Behavior in Pure Ni and Ni-Containing Entropic Alloys

Creators

  • 1. Peking University
  • 2. University of Science and Technology Beijing
  • 3. KTH Royal Institute of Technology

Description

We performed a combined experimental and theoretical investigation of the oxidation behavior of pure Ni and of the following multi-component Ni-containing alloys with nearly equiatomic compositions: FeNi, CoFeNi, CoCrFeNi, and CoCrFeMnNi. The materials were exposed to air at ambient pressure and at a temperature of 800°C for 150 minutes, their weight-gain due to oxidation was continuously monitored and the products of oxidation were subsequently characterized by XRD. The most common oxides formed have spinel or halite structure and the materials resistance to oxidation increases as: FeNi < CoFeNi < Ni < CoCrFeMnNi < CoCrFeNi. We found further that the oxidation-resistance of the materials does not correlate linearly with the number of elements present, instead the type of elements impacts significantly the materials susceptibility to oxidative damage. Cr is the element that imparted higher resistance to oxidation while Mn and Fe worsened the materials performance. In order to better understand the mechanisms of oxidation we employed thermodynamic equilibrium calculations and predicted the phase stability of oxides of the elements that are present in the materials, in different ranges of temperature, composition and oxygen activity. Additionally, we determined the phase compositions for the thermodynamically stable oxides at 800°C. The results from the thermodynamic modelling are in good agreement with the experimental finds. The alloys with low resistance to oxidation such as CoFeNi and FeNi, form the Fe3O4 spinel phase which tends to dominate the phase diagram for these materials. The presence of Cr increases the resistance to atomic rearrangement due to slow diffusion in the complex structure of Cr containing spinel phases. This causes the extremely high resistance to oxidation of the CoCrFeNi alloy. The presence of Mn in CoCrFeNi stabilizes the Mn3O4 spinel which reduces the oxidation-resistance of the alloys due to the high mobility of Mn.

⚠️ This is an automatic machine translation with an accuracy of 90-95%

Translated Description (Arabic)

أجرينا تحقيقًا تجريبيًا ونظريًا مدمجًا لسلوك أكسدة النيكل النقي والسبائك التالية متعددة المكونات التي تحتوي على النيكل مع تركيبات متساوية الذرة تقريبًا: FeNi و CoFeNi و CoCrFeNi و CoCrFeMnNi. تعرضت المواد للهواء عند الضغط المحيط وعند درجة حرارة 800 درجة مئوية لمدة 150 دقيقة، وتمت مراقبة زيادة وزنها بسبب الأكسدة بشكل مستمر وتم تمييز منتجات الأكسدة لاحقًا بواسطة XRD. تتكون الأكاسيد الأكثر شيوعًا من بنية إسبنيل أو هاليت وتزداد مقاومة المواد للأكسدة على النحو التالي: FeNi < CoFeNi < Ni < CoCrFeMnNi < CoCrFeNi. وجدنا كذلك أن مقاومة الأكسدة للمواد لا ترتبط خطيًا بعدد العناصر الموجودة، وبدلاً من ذلك يؤثر نوع العناصر بشكل كبير على قابلية المواد للتلف التأكسدي. الكروم هو العنصر الذي أعطى مقاومة أعلى للأكسدة بينما أدى المنجنيز والحديد إلى تفاقم أداء المواد. من أجل فهم أفضل لآليات الأكسدة، استخدمنا حسابات التوازن الديناميكي الحراري وتنبأنا باستقرار طور أكاسيد العناصر الموجودة في المواد، في نطاقات مختلفة من درجة الحرارة والتركيب ونشاط الأكسجين. بالإضافة إلى ذلك، حددنا تركيبات الطور للأكاسيد المستقرة حرارياً عند 800 درجة مئوية. تتوافق نتائج النمذجة الديناميكية الحرارية بشكل جيد مع الاكتشافات التجريبية. تشكل السبائك ذات المقاومة المنخفضة للأكسدة مثل CoFeNi و FeNi، مرحلة الإسبنيل Fe3O4 التي تميل إلى السيطرة على مخطط الطور لهذه المواد. يزيد وجود الكروم من مقاومة إعادة الترتيب الذري بسبب الانتشار البطيء في البنية المعقدة للكروم التي تحتوي على مراحل الإسبنيل. هذا يسبب مقاومة عالية للغاية لأكسدة سبيكة CoCrFeNi. يعمل وجود المنجنيز في CoCrFeNi على تثبيت الإسبنيل Mn3O4 مما يقلل من مقاومة الأكسدة للسبائك بسبب الحركة العالية للمنجنيز.

Translated Description (French)

Nous avons effectué une étude expérimentale et théorique combinée du comportement à l'oxydation du Ni pur et des alliages multi-composants suivants contenant du Ni avec des compositions presque équiatomiques : FeNi, CoFeNi, CoCrFeNi et CoCrFeMnNi. Les matériaux ont été exposés à l'air à la pression ambiante et à une température de 800 °C pendant 150 minutes, leur gain de poids dû à l'oxydation a été surveillé en permanence et les produits d'oxydation ont ensuite été caractérisés par DRX. Les oxydes les plus courants formés ont une structure spinelle ou halite et la résistance des matériaux à l'oxydation augmente comme suit : FeNi < CoFeNi < Ni < CoCrFeMnNi < CoCrFeNi. Nous avons constaté en outre que la résistance à l'oxydation des matériaux n'est pas en corrélation linéaire avec le nombre d'éléments présents, mais que le type d'éléments a un impact significatif sur la sensibilité des matériaux aux dommages oxydatifs. Le Cr est l'élément qui a conféré une plus grande résistance à l'oxydation tandis que le Mn et le Fe ont détérioré les performances des matériaux. Afin de mieux comprendre les mécanismes d'oxydation, nous avons utilisé des calculs d'équilibre thermodynamique et prédit la stabilité de phase des oxydes des éléments présents dans les matériaux, dans différentes gammes de température, de composition et d'activité de l'oxygène. De plus, nous avons déterminé les compositions de phase pour les oxydes thermodynamiquement stables à 800°C. Les résultats de la modélisation thermodynamique sont en bon accord avec les découvertes expérimentales. Les alliages à faible résistance à l'oxydation tels que CoFeNi et FeNi, forment la phase spinelle Fe3O4 qui tend à dominer le diagramme de phase de ces matériaux. La présence de Cr augmente la résistance au réarrangement atomique en raison de la diffusion lente dans la structure complexe des phases spinelles contenant du Cr. Cela provoque la résistance extrêmement élevée à l'oxydation de l'alliage CoCrFeNi. La présence de Mn dans le CoCrFeNi stabilise le spinelle Mn3O4, ce qui réduit la résistance à l'oxydation des alliages en raison de la grande mobilité du Mn.

Translated Description (Spanish)

Realizamos una investigación experimental y teórica combinada del comportamiento de oxidación del Ni puro y de las siguientes aleaciones multicomponente que contienen Ni con composiciones casi equiatómicas: FeNi, CoFeNi, CoCrFeNi y CoCrFeMnNi. Los materiales se expusieron al aire a presión ambiente y a una temperatura de 800 °C durante 150 minutos, su aumento de peso debido a la oxidación se controló continuamente y los productos de la oxidación se caracterizaron posteriormente por XRD. Los óxidos más comunes formados tienen estructura de espinela o halita y la resistencia de los materiales a la oxidación aumenta como: FeNi < CoFeNi < Ni < CoCrFeMnNi < CoCrFeNi. Encontramos además que la resistencia a la oxidación de los materiales no se correlaciona linealmente con el número de elementos presentes, sino que el tipo de elementos afecta significativamente la susceptibilidad de los materiales al daño oxidativo. El Cr es el elemento que impartió mayor resistencia a la oxidación, mientras que el Mn y el Fe empeoraron el rendimiento de los materiales. Para comprender mejor los mecanismos de oxidación, empleamos cálculos de equilibrio termodinámico y predijimos la estabilidad de fase de los óxidos de los elementos que están presentes en los materiales, en diferentes rangos de temperatura, composición y actividad del oxígeno. Además, determinamos las composiciones de fase para los óxidos termodinámicamente estables a 800 °C. Los resultados de la modelización termodinámica están en buen acuerdo con los hallazgos experimentales. Las aleaciones con baja resistencia a la oxidación, como CoFeNi y FeNi, forman la fase de espinela Fe3O4 que tiende a dominar el diagrama de fases para estos materiales. La presencia de Cr aumenta la resistencia al reordenamiento atómico debido a la difusión lenta en la estructura compleja de las fases de espinela que contienen Cr. Esto provoca la resistencia extremadamente alta a la oxidación de la aleación CoCrFeNi. La presencia de Mn en CoCrFeNi estabiliza la espinela de Mn3O4, lo que reduce la resistencia a la oxidación de las aleaciones debido a la alta movilidad del Mn.

Files

pdf.pdf

Files (2.6 MB)

⚠️ Please wait a few minutes before your translated files are ready ⚠️ Note: Some files might be protected thus translations might not work.
Name Size Download all
md5:a390357e6c628797ed47dccdc7c41334
2.6 MB
Preview Download

Additional details

Additional titles

Translated title (Arabic)
سلوك الأكسدة غير الخطية في النيكل النقي والسبائك الإنتروبية المحتوية على النيكل
Translated title (French)
Comportement d'oxydation non linéaire dans le Ni pur et les alliages entropiques contenant du Ni
Translated title (Spanish)
Comportamiento de oxidación no lineal en Ni puro y aleaciones entrópicas que contienen Ni

Identifiers

Other
https://openalex.org/W2891160054
DOI
10.3389/fmats.2018.00053

Is supplement to
https://openalex.org/W4381486007 (Other)
https://openalex.org/W2380393083 (Other)
https://openalex.org/W2349860102 (Other)
https://openalex.org/W2324282985 (Other)
https://openalex.org/W2147587340 (Other)
https://openalex.org/W2071052327 (Other)
https://openalex.org/W2064636222 (Other)
https://openalex.org/W2058450358 (Other)
https://openalex.org/W2040802300 (Other)
https://openalex.org/W1968155321 (Other)

GreSIS Basics Section

Is Global South Knowledge
Yes
Country
China

References

  • https://openalex.org/W1968985108
  • https://openalex.org/W1985939985
  • https://openalex.org/W1999622448
  • https://openalex.org/W2022694830
  • https://openalex.org/W2039061417
  • https://openalex.org/W2049639367
  • https://openalex.org/W2079607738
  • https://openalex.org/W2084975494
  • https://openalex.org/W2090244344
  • https://openalex.org/W2091976039
  • https://openalex.org/W2094752119
  • https://openalex.org/W2094818644
  • https://openalex.org/W2104196136
  • https://openalex.org/W2142455086
  • https://openalex.org/W2166397018
  • https://openalex.org/W2253973836
  • https://openalex.org/W2262110310
  • https://openalex.org/W2288661963
  • https://openalex.org/W2288827195
  • https://openalex.org/W2339372686
  • https://openalex.org/W237521338
  • https://openalex.org/W2479555564
  • https://openalex.org/W2481595137
  • https://openalex.org/W2549886901
  • https://openalex.org/W2565163196
  • https://openalex.org/W2566042262
  • https://openalex.org/W2567826819
  • https://openalex.org/W2568576780
  • https://openalex.org/W2599326196
  • https://openalex.org/W2624633868
  • https://openalex.org/W2731757551
  • https://openalex.org/W2737776324
  • https://openalex.org/W2750615682
  • https://openalex.org/W2753393346
  • https://openalex.org/W2782488992
  • https://openalex.org/W299884152
  • https://openalex.org/W4231655513
  • https://openalex.org/W804336101