供稿人：邓若飞
论文题目：A novel BCC-L21-BCC hierarchical heterostructure high entropy alloy with excellent corrosion resistance and mechanical properties in as-cast state
论文作者：Shuai Hu（胡帅）, Junyang Zheng, Guangzeng Zhang, Jiakai Xing, Ran Wei, Tan Wang, Shaojie Wu, Yongfu Cai*, Shaokang Guan, Fushan Li, Chen Chen*
Journal：Journal of Materials Research and Technology
DOI: https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2024.10.174
【研究背景】
合金的广泛应用需要优异的耐蚀性和机械性能的结合。单相均质微观结构虽然有利于耐蚀性，但其机械性能通常受到强化/增韧机制的限制。多相微观结构可能因异质结构效应而具有高机械性能，但相界可能导致被动膜缺陷，增加选择性腐蚀的风险。因此，平衡卓越耐蚀性和机械性能是一个挑战。高熵合金（HEAs）作为新型高性能合金，其多组分特性能够通过调整成分和加工方法实现更可控的微观结构，有望克服耐蚀性与机械性能的权衡问题。为了减少腐蚀形核和选择性腐蚀，需要引入低能量界，增强被动膜稳定性，并减少不同相之间的功函数差异。本研究设计的CrFeNiAl0.35Ti0.1Si0.1合金旨在同时实现高机械性能和耐蚀性，预期成本较低，具有广泛的应用潜力。
【成果速览】
文章的研究成果主要围绕一种新型的CrFeNiAl0.35Ti0.1Si0.1高熵合金（HEA），对其微观结构、机械性能和耐蚀性进行了系统的研究。研究发现，这种新型HEA在铸态下具有从微米级到纳米级的BCC基体中分散良好的L21相，以及在大尺寸L21相中出现的纳米级BCC片层。该合金不仅展现出优异的耐蚀性，其在3.5 wt.% NaCl溶液中的耐蚀性接近超级不锈钢，而且还具有高的机械性能，包括1712±56 MPa的屈服强度、21.2%±0.5%的压缩塑性和约560 Hv的硬度。这些卓越的综合性能可能源于复杂的BCC-L21-BCC层级异质结构、稳定的被动膜和不同相之间低的工作函数差异。
此外，通过电化学阻抗谱（EIS）和X射线光电子能谱（XPS）等技术，研究了合金表面的被动膜形成和性质，揭示了合金的耐蚀机制。通过原子力显微镜（AFM）和开尔文探针力显微镜（KPFM）技术，研究了合金不同相之间的电化学活性差异，进一步解释了选择性腐蚀现象。通过透射电子显微镜（TEM）观察了合金的变形行为，揭示了BCC相较L21相具有更高的变形能力，以及纳米级BCC相的析出对提高大尺寸L21相的变形能力有益。
【数据概况】
图1 铸态CrFeNiAl0.35Ti0.1Si0.1的XRD图谱
图2（a）铸态CrFeNiAl0.35Ti0.1Si0.1的背散射电子图像（b）A区、（c）B区和（d）C区的详细微观结构
图3 铸态CrFeNiAl0.35Ti0.1Si0.1在同一区域的（a）相位图、（b）IPF图像和（c）背散射电子图像（IPF图像中细胞状颗粒的边界用虚线表示）
图4 铸态CrFeNiAl0.35Ti0.1Si0.1HEA的HAADF-STEM图像：（a）含有片装的微米级大块析出物和（a1）-（a6）对应的EDS映射结果；（b）纳米级析出物和（b1）-（b6）对应的EDS映射结果
图5（a）未进一步分解析出相的亮场像；（b）标记在“A”区域的析出相对应的SAED图像；（c）含有微小片层的析出相的亮场像；（d）标记在“B”区域的铸态CrFeNiAl0.35Ti0.1Si0.1HEA的片层对应的SAED图像
图6 (a)铸态HEA的典型压应力-应变曲线（屈服强度（σy）、断裂强度（σf）和塑性伸长率（εp）分别用不同颜色表示）和(b)典型电位动力极化曲线；(c)铸态CrFeNiAl0.35Ti0.1Si0.1与已知的典型铸件的屈服强度（σy）、点蚀电位（Epit）和原材料价格的比较
图7（a）典型的CrFeNiAl0.35Ti0.1Si0.1HEA断裂形态和（b）A区域内的详细凹槽结构
【结论展望】
本研究成功设计了一种新型的铸态高熵合金CrFeNiAl0.35Ti0.1Si0.1，其展现出卓越的性能，主要发现如下：
1. 该合金在铸态下形成了复杂的BCC-L21-BCC分层次异质结构，包括从微米级到纳米级尺寸的L21相和在大尺寸L21相中进一步分解形成的纳米级BCC层片。
2.与典型的铸态高熵合金/多组元合金相比，该合金展现出优异的机械性能和成本效益，具有1712±56 MPa的屈服强度、2065±67 MPa的断裂强度、21.2%±0.5%的塑性以及约560 Hv的硬度。
3.该合金在3.5 wt.% NaCl溶液中表现出卓越的耐蚀性，接近超级不锈钢，具有宽被动区域和约0.92 V（vs SCE）的高耐点蚀电位。稳定的被动膜形成可能是其高耐蚀性的主要原因，而L21相的选择性腐蚀与该相被动膜中Cr的不均匀分布密切相关。
4. BCC相较L21相具有更高的变形能力，纳米级BCC相的析出有利于提高大尺寸L21相的变形能力，这可能是通过改变L21相中的应力分布来实现的。