激光增材制造的高熵合金经过循环深低温处理后的耐腐蚀性

《Materials Advances》：Corrosion resistance of laser additive manufactured high-entropy alloys after cyclic deep cryogenic treatment

激光增材制造高熵合金的循环深冷处理对耐腐蚀性影响显著。通过电化学阻抗和极化测试发现，DCT10样品腐蚀电位提升至-0.295 V vs. SCE，电流密度降至0.039 μA·cm-2，源于高压缩应力(-331 MPa)和密集位错结构促进稳定钝化膜形成。

　　

袁天|卢迪|崔向城|王伟奇|卢云卓

大连交通大学材料科学与工程学院，中国大连116028

摘要

激光增材制造（LAM）部件内部积累的显著残余应力可能会显著影响其耐腐蚀性。在本研究中，我们通过电化学阻抗谱和电位动力学极化测试，研究了循环深冷处理（DCT）对LAM CrMnFeCoNi高熵合金（HEAs）耐腐蚀性的影响。与原始样品相比，DCT10样品的腐蚀电位升高，腐蚀电流密度降低，分别为-0.295 V（相对于SCE）和0.039 μA·cm^-2。经过DCT处理后，更稳定的钝化膜显著提高了耐腐蚀性。这归因于DCT10样品中的高压缩残余应力（约-331 MPa）和密集的位错（约0.54×10¹⁴ m^-2），这些因素促进了致密钝化膜的形成，有效减缓了局部腐蚀并增强了样品的耐腐蚀性。本研究提出了一种有效且无损的方法来提高LAM CrMnFeCoNi HEAs的耐腐蚀性，为提升LAM合金的应用潜力提供了重要见解。

引言

激光增材制造（LAM）技术是一种广泛应用于不同行业的新兴技术，与传统制造工艺有显著区别。它能够直接从三维数字模型逐层制造复杂零件[1]、[2]。具体而言，LAM使用高能激光束快速熔化粉末原料，然后以极快的冷却速率冷却材料，从而制造出所需的部件[3]、[4]。然而，这种逐层制造过程也会由于反复的快速加热和冷却而产生显著的热梯度，导致LAM部件内部积累大量残余应力，从而影响其耐腐蚀性[5]。已有研究表明，通过表面喷丸、涂层和轧制等变形处理或表面处理方法可以向部件中引入额外的压缩残余应力，从而有效提高合金的耐腐蚀性[6]、[7]、[8]。然而，这些方法对于复杂形状的部件应用存在局限性。因此，需要一种既不破坏工件形状又能调节残余应力的方法。

作为一种新型加工技术，循环深冷处理（DCT）能够有效引入LAM样品的压缩残余应力[9]。更重要的是，DCT也是一种出色的无损方法，可以保持LAM制造的复杂形状部件的结构完整性。Sugavaneswaran等人[10]研究了深冷处理对LAM制造的316L不锈钢的影响，结果表明深冷处理后316L不锈钢的耐磨性显著提高。Li等人[11]发现，深冷处理会在增材制造的CoCrFeMnNi样品中产生显著的压缩残余应力及晶体缺陷（如位错、层错、纳米孪晶和纳米晶粒），从而提升其综合机械性能。随后，Li等人[12]通过进一步实验验证，循环深冷处理是调节LAM部件内部残余应力的更有效方法。基于上述研究，DCT已被认为是调节LAM部件内部残余应力并优化其微观结构的便捷有效手段。然而，DCT对LAM部件耐腐蚀性的影响尚未得到深入探讨。因此，本研究重点探讨了DCT对LAM部件耐腐蚀性的影响。

高熵合金（HEAs）作为一种新型合金设计策略，因其优异的结构稳定性和有前景的机械性能而受到广泛关注[13]、[14]、[15]、[16]。本研究选择了具有优异结构稳定性和良好综合性能的CrMnFeCoNi HEAs作为模型材料[17]、[18]。通过电化学阻抗谱和电位动力学极化测试研究了DCT对LAM CrMnFeCoNi HEAs耐腐蚀性的影响，结果表明经过DCT处理的样品表现出优异的耐腐蚀性，为提升LAM合金的应用潜力提供了新见解。

实验部分

实验

所用原材料为球形或近球形的CrMnFeCoNi HEA粉末，采用氩气雾化法制备，原子比为1:1:1:1:1，粒径范围为45～105 μm。使用同轴粉末送进式增材制造工作站（LDM-8060，Raycham）制造HEA样品。样品在液氮容器（77 K）中保存。保存12小时后，将其迅速淬火至室温。

结果与讨论

图1(a)展示了原始样品、DCT4样品和DCT10样品的XRD图谱。所有图谱均显示典型的面心立方（FCC）相，表明DCT处理后原始样品的FCC结构未发生改变。如图1(b)所示，DCT4和DCT10样品的（111）峰相对于原始样品向右移动，表明2θ值增大。

结论

本研究通过DCT技术成功提高了LAM CrMnFeCoNi HEAs的耐腐蚀性。与原始样品相比，DCT样品的腐蚀电位升高，腐蚀电流密度降低。DCT10样品表现出最佳的耐腐蚀性，其腐蚀电位和电流密度分别为-0.295 V（相对于SCE）和0.039 μA·cm^-2。这归因于高压缩残余应力（约-331 MPa）和密集的

作者贡献声明

袁天：撰写初稿、数据整理、概念构思。卢迪：数据整理、概念构思。崔向城：数据整理。王伟奇：撰写、审稿与编辑。卢云卓：撰写、审稿与编辑

利益冲突声明

我们声明与可能不当影响我们工作的其他个人或组织没有财务或个人关系，对任何可能影响本文观点或“循环深冷处理后激光增材制造高熵合金的耐腐蚀性”手稿评审的产品、服务及/或公司不存在任何形式的职业或其他个人利益。

致谢

本研究得到了中国国家重点研发计划（项目编号2023YFB3408101）和中国国家自然科学基金（项目编号52271022）的支持。