AlCrFeCoNi高熵合金与CrFeCoNi/CrCoNi中熵合金的微观结构及腐蚀特性对比研究

推荐：本研究针对多主元合金(MPEAs)在极端环境下的腐蚀问题，系统比较了AlCrFeCoNi高熵合金(HEA)与CrFeCoNi/CrCoNi中熵合金(MEAs)的微观结构及腐蚀行为。通过电化学测试和U型弯曲应力腐蚀实验，发现CrCoNi具有最低腐蚀电流密度(0.056 μA·cm?2)和最高钝化膜电阻(1.246×106 Ω·cm2)，其单相FCC结构和低(111)织构占比(10.4%)显著提升了耐蚀性。该研究为工程合金设计提供了重要理论依据。

　　

在材料科学领域，多主元合金（Multi-principal element alloys, MPEAs）因其突破传统合金"强度-塑性相互制约"的特性而备受关注。这类由三种以上主元以近等原子比混合的合金，通过高熵效应、缓慢扩散效应、晶格畸变效应和"鸡尾酒"效应展现出卓越性能。其中高熵合金(High-entropy alloys, HEAs)含5种以上主元，中熵合金(Medium-entropy alloys, MEAs)含3-4种主元。然而，尽管AlCrFeCoNi、CrFeCoNi和CrCoNi等合金具有优异的力学性能，其腐蚀敏感性却可能引发重大安全隐患。特别是在含Cl^-环境中，合金的局部腐蚀行为可能造成关键部件失效。因此，系统研究这些合金的微观结构特征与腐蚀机制的关联性，对开发新型耐蚀工程材料具有重要意义。

为深入探究这一问题，Wenjing Xu等人在《Materials Advances》发表研究，采用真空悬浮熔炼法制备等摩尔比的三种合金，通过扫描电镜(SEM)、电子背散射衍射(EBSD)分析微观结构，结合电化学测试和U型弯曲应力腐蚀实验评价性能。研究团队特别关注了合金在3.5 wt% NaCl溶液中的电化学行为，并通过X射线光电子能谱(XPS)分析钝化膜成分。

在微观结构表征方面，研究揭示了关键差异：AlCrFeCoNi呈现双相结构，包含66%体心立方(BCC)相和33.6%面心立方(FCC)相，形成岛状FCC与树枝状BCC的混合组织。而CrFeCoNi和CrCoNi则表现为单相FCC结构，纯度分别达99.1%和99.8%。EBSD分析显示AlCrFeCoNi具有最高的(111)织构强度(19.5%)和高角度晶界比例，这与其较差的耐蚀性相关。

电化学腐蚀行为研究获得突破性发现：在3.5 wt% NaCl溶液中，CrCoNi展现出最优异的耐蚀性能，其腐蚀电流密度(I_corr)最低(0.056 μA·cm^?2)，极化电阻(R_p)最高(146.1 Ω·cm²)，钝化膜电阻(R_f)达到惊人的1.246×10⁶ Ω·cm²。等效电路拟合结果表明，CrCoNi表面形成的钝化膜更为致密稳定。相比之下，AlCrFeCoNi由于双相结构导致的电偶腐蚀，在Cl^-作用下发生选择性溶解，腐蚀电流密度高达0.248 μA·cm^?2。

应力腐蚀实验从动力学角度验证了上述结论。通过建立腐蚀深度与时间的经验方程x=ktⁿ，研究发现CrCoNi在整个温度范围内保持最高的表观活化能(80°C时达41.1 kJ/mol)，证实其腐蚀反应需要克服更高的热力学能垒。而AlCrFeCoNi的低混合焓(ΔH_mix=-12.32 kJ/mol)和价电子浓度(VEC=7.2)导致其腐蚀速率随温度升高逐渐降低的特殊现象。

讨论部分深入分析了腐蚀机制差异的根源。对于AlCrFeCoNi，其BCC相(富Al-Ni)与FCC相(富Cr-Fe)之间的电位差引发电偶腐蚀，Cl^-优先攻击电化学活性较高的BCC相，导致渐进性点蚀。而CrCoNi的优异表现源于三方面：单相FCC结构减少微观电偶腐蚀、较高的Cr含量促进致密钝化膜形成、较低的(111)织构比例(10.4%)和高角度晶界数量降低了腐蚀敏感性。

这项研究的重要意义在于：首次在相同实验条件下系统比较了HEA与MEAs的腐蚀行为差异，建立了微观结构参数(相组成、织构、晶界特性)与腐蚀性能的定量关系。研究提出的CrCoNi合金设计策略——通过优化主元组成获得单相FCC结构、控制织构发展和晶界特征——为开发新一代耐蚀工程合金提供了明确方向。特别是在海洋工程、化工设备等苛刻环境应用中，该研究成果具有重要的工程指导价值。