设计具有致密相干纳米沉淀结构的高熵合金，使其具备高强度、优异的延展性和耐腐蚀性

《Journal of Materials Science & Technology》：Designing strong, ductile, and corrosion-resistant high-entropy alloys with dense coherent nanoprecipitation

通过调控Cr含量在5-20 at.%，成功开发了具有FCC+L1?双相结构的耐腐蚀纳米强化高熵合金（NiCo）90-xCrxAl55。研究表明，Cr含量≥10 at.%时合金兼具高强度（屈服强度1016 MPa）、高韧性（延伸率>30%）和优异耐蚀性（腐蚀电流密度显著降低），其机制源于Cr促进形成连续致密的Cr?O?/Al?O?-TiO?双层钝化膜及Ni富集中间层。

　　
该研究聚焦于通过调控高熵合金（HEA）中铬（Cr）含量，协同优化其机械性能与抗腐蚀能力。基于计算机辅助热力学计算（CALPHAD）的指导，团队在(NiCo)90-xCr_xAl5Ti5合金体系中系统考察了5-20% Cr含量对材料性能的影响，成功开发出兼具高强度（屈服强度达1016 MPa）、良好延展性（均匀延伸率约30%）和优异抗腐蚀性的新型纳米强化高熵合金。

**研究背景与挑战**
传统合金设计常面临性能的取舍：高强度材料往往伴随低延展性和抗腐蚀性不足。例如，单相面心立方（FCC）多组元合金虽具备优异延展性，但强度和耐腐蚀性不足；而添加大量锰（Mn）或铝（Al）的合金虽能提升强度，却会显著降低耐腐蚀性能。研究团队提出，通过引入L1?型纳米析出相与适量Cr协同作用，可能突破这一性能矛盾。

**创新性解决方案**
研究突破在于：
1. **精准成分设计**：采用Ni-Co为主基体（占比90%），通过调控Cr含量（5-20%）平衡强化相与耐蚀相的需求。Al-Ti固定为5%以稳定形成L1?纳米颗粒，避免传统高熵合金中易出现的脆性相（如σ相、六方密堆积相）。
2. **双相结构优化**：通过热力学计算确保合金在FCC基体与L1?纳米析出相的双相结构稳定区内进行成分设计。实验证实，所有试样的微观结构均保持纯双相状态，未出现有害脆性相。
3. **梯度强化机制**：Cr含量梯度变化导致纳米析出相的尺寸、分布和类型变化。X射线光电子能谱（XPS）和原子探针层析术（APT）揭示，Cr含量超过10%时，合金表面形成由Cr?O?内层与Al?O?/TiO?外层构成的双层钝化膜，有效阻隔腐蚀介质渗透。

**关键性能突破**
1. **机械性能优化**：
- 屈服强度随Cr含量增加呈线性上升（5% Cr时874 MPa，20% Cr时1016 MPa），归因于Cr固溶强化及纳米析出相的共强化效应。
- 断裂延伸率保持在30%左右，表明材料兼具高强与良好塑性。
2. **抗腐蚀性能飞跃**：
- 在3.5% NaCl溶液中，Cr含量≥10%的合金表现出显著提升的抗点蚀能力，其起始点蚀电位（pitting potential）较传统合金提高约0.5 V，腐蚀电流密度降低至10?? A/cm2量级。
- 腐蚀阻抗（Ehcorr）随Cr含量增加而增强，当Cr达15%时达到最佳平衡状态，此时合金同时满足强度（1.4 GPa抗拉强度）、塑性（30%延伸率）和耐蚀性（pitting potential>1.3 V）的协同需求。

**微观机制解析**
1. **相结构调控**：
- 热力学计算显示，在Ni-Co基体中添加5-20% Cr不会改变FCC主相，但会促进L1?相的稳定析出。X射线衍射（XRD）证实所有合金均保持FCC基体与L1?纳米析出相的双相结构，Cr含量未超过临界阈值（20%），避免形成脆性σ相或六方密堆积相。
2. **钝化膜形成动力学**：
- STEM图像显示，Cr含量≥10%的合金表面形成连续纳米级钝化膜。APT深度剖析表明，膜层由三层结构构成：
- **内层（Cr?O?）**：Cr在近表面区快速氧化，形成致密保护层。
- **中间层（Ni富集）**：Ni基体在钝化过程中优先溶解，形成金属间过渡层。
- **外层（Al?O?/TiO?）**：表面Al和Ti的氧化物共同作用，增强膜层致密性。
3. **元素协同效应**：
- Cr的加入通过两种机制提升性能：
- **固溶强化**：Cr置换Ni/Co晶格位，提高位错运动阻力。
- **纳米析出强化**：L1?相尺寸随Cr含量增加而细化（平均3-5 nm），提升位错塞积强化效率。

**工业化应用前景**
该系列合金在航空发动机部件、海洋平台结构件等严苛环境中展现出独特优势：
1. **耐蚀性提升**：Cr含量15%的合金在模拟海水环境（3.5% NaCl）中腐蚀速率较传统不锈钢低2个数量级，寿命延长至十年以上。
2. **加工窗口拓宽**：通过控制Cr含量，可在热加工（500℃）与冷加工（室温）间灵活调整，满足不同成型工艺需求。
3. **环境友好性**：相比传统Cr不锈钢，其Cr利用率提高60%以上，废料处理难度降低。

**方法论创新**
研究提出"成分-结构-性能"三级调控策略：
1. **计算先行**：采用Thermo-Calc软件模拟相图，锁定FCC+L1?双相稳定区（Cr含量5-20%）。
2. **工艺协同**：通过定向凝固控制L1?纳米相的均匀分布，避免传统合金制备中易出现的析出相团聚问题。
3. **多尺度表征**：结合XPS（原子级成分分析）、STEM（纳米尺度相分布观察）和APT（亚纳米级成分深度剖析），建立Cr含量与性能的定量关系模型。

**学术价值与工业意义**
本研究为高熵合金设计提供了新范式：
- **理论层面**：揭示Cr含量对FCC基体与L1?析出相的协同强化机制，阐明钝化膜多层结构形成的临界Cr浓度（10 at.%）。
- **技术层面**：建立基于CALPHAD的计算-制备-表征闭环研发体系，使新型合金开发周期缩短40%。
- **应用层面**：成功突破"强度-塑性-耐蚀性"铁三角困境，为核电压力容器、深海装备等关键部件提供新型材料解决方案。

**未来研究方向**
1. 探索Cr含量与L1?相尺寸的定量关系，建立纳米析出相的"尺寸-分布-性能"数据库。
2. 开发Cr基原位合金化技术，进一步提升复杂环境下的长期稳定性。
3. 研究该钝化膜在高温（>400℃）氧化环境中的退化机制，拓展应用温度窗口。

该研究标志着高熵合金从实验室材料向工程化应用的重要跨越，其"成分梯度设计+多尺度表征"方法论对先进金属材料开发具有普适性指导价值。