【论文报道】恭喜陈辰、魏然老师在Corrosion Science (IF=8.5)上发表论文！

供稿人：赵琛

论文题目：Cost-effective duplex Fe-Cr-Ni-Si-Al-Cu medium-entropy alloys with outstanding corrosion resistant and strength-ductility synergy

论文作者：Chen Chen, Ran Wei*, Shilin Feng, Chongxun Fang, Hongyan Wang*, Zhenhua Han, Tan Wang, Shaojie Wu, Yongfu Cai, Jinyu Zhang*

Journal：Corrosion Science 

DOI: https://doi.org/10.1016/j.corsci.2025.113253

【研究背景】

耐腐蚀性、强度、延展性和成本是合金大规模使用的重要指标，它们往往是相互排斥的，如强度-延展性/成本。近年来，高/中熵合金（H/MEAs），其中多种元素可以形成单相FCC或BCC结构的复杂浓固溶体，由于其在宽温度范围内的优异性能而引起关注。H/MEAs的发现因此被认为是设计新型合金的开创性范例，例如CoCrNi，VCoNi，Fe₃₅Co₂₉Ni₂₄Al₁₀Ta和（NiCo）₇₇ Cr₁₃Al₅Nb₅具有优异的性能，包括高耐腐蚀性和良好的强度-延展性协同作用。这些H/MEA包含大量昂贵的元素，例如Co、V和/或Nb，导致原材料成本升高。相比之下，具有低屈服强度和高延展性的成本有效的FCC Fe基MEA（Fe ≥ 50原子%）对未来的工业应用具有重要意义。

【成功速览】

本研究设计了一种新型双相Fe _67-xCr₁₆Ni₁₀Si₅Al₂Cu_x（x = 0、2和4 at%）中熵合金（MEAs），该合金中含有B2纳米沉淀增强的FCC相和富Cr BCC相，具有优异的力学性能和耐腐蚀性能，与304不锈钢和一些已报道的MEAs相当。特别地，Fe _67-xCr₁₆Ni₁₀Si₅Al₂Cu₂ MEA在298 K和77 K下分别表现出720 MPa和1175 MPa的屈服强度，伸长率分别为43%和49%。优异的低温力学性能源自诸如位错强化、晶界强化和纳米沉淀强化的协同机制，以及由Lüders带和滑移带介导的变形诱导塑性引起的延性化。第一性原理计算结果表明，Cu提高了合金的功函数，促进了Cr对氧的吸附，形成了致密的钝化膜，钝化膜中的Cu和Cu氧化物也提高了合金的耐蚀性，为设计具有上级综合性能的合金提供了新的思路。

【数据概况】

图1. Fe _67-xCr₁₆Ni₁₀Si₅Al₂Cu_x（x = 0，2，4，以下记为Cu 0，Cu 2和Cu 4）MEA在（a，B）298 K和（c，d）77 K下的工程应力-应变曲线和应变硬化率（SHR）曲线。

图1. Fe _67-xCr₁₆Ni₁₀Si₅Al₂Cu_x（x = 0，2，4，以下记为Cu 0，Cu 2和Cu 4）MEA在（a，B）298 K和（c，d）77 K下的工程应力-应变曲线和应变硬化率（SHR）曲线。

图3. Cu 0、Cu 2和Cu 4 MEA的EBSD相图：（a1-c1）初始显微结构，分别在（a2-c2）298 K和（a3-c3）77 K断裂后。

图4.（a，B）Cu 0和（c，d）Cu 2 MEA在低放大率和高放大率下的TEM图像和相应的EDS图。（a）、（c）和（d）中的插图分别是FCC、BCC和B2纳米沉淀物的选区衍射图案（SADP）。

图5. 20%应变的Cu 2 MEA在（a1-a2）298 K和（b1-b2）77 K下变形期间的TEM图像。（b1）中的插图证实存在堆垛层错（SF）。(SBs 10：滑动带）。

图6.（a）Cu 0、Cu 2、Cu 4和304 SS的质量损失和（B）腐蚀速率。

图7.（a）Cu 0、Cu 2和Cu 4 MEA在1 M H₂SO₄溶液中的典型极化曲线;（B）Nyquist图和（c）Bode图;（d）Cu 0、Cu 2和Cu 4的等效电子电路;（e）在0.5 ~ 1 M H₂SO₄溶液中，对膜电极的Icorr与其它耐蚀膜电极的Icorr进行了比较（有关数据来源的详细息见补充表S5）。

图8.（a）HRTEM图像，（B）HAADF图像和（c1-c8）含钝化膜区域Cu 2的相应EDS图谱结果（插图为箭头标记区域的FFT图像）。

图9.在硫酸溶液中钝化后，Cu 0和Cu 4 MEA中检测到的元素的XPS光谱。（a）Fe 2 p3/2，（B）Cr 2 p3/2，（c）Ni 2 p3/2，（d）Al 2 p，（e）Si 2 p，（f）Cu 2 p3/2，（g）O1s。（h）钝化膜中存在的元素原子百分比。（i）钝化膜中各种价态元素的比例构成。

图10.氧原子在（111）面上的吸附图、偏态密度图和氧原子在（111）面上扩散的能量变化图：（a1-a5）Cu 0，（b1-b5）Cu 2和（c1-c5）Cu 4。（a1-c1）中的红色数字表示与吸附原子连接的表面原子的键长。颜色编码区域表示电荷水平，黄色表示电子积累，蓝色表示电子耗尽，扩散路径为：初始态（IS），四个中间过渡态（TS），最终态（FS）。

图11.抛光态Cu 0（a，B）和Cu 4 MEA（c，d）的AFM形貌图和相应的VCPD图。（a）和（c）中较暗的区域代表BCC相（较低的高度），（B）和（d）中较暗的区域与较低的VCPD值相匹配。FCC和BCC相之间的VCPD差异表明电偶腐蚀（b1，d1）。

图12.（a1-a3）Cu 0和（b1-b3）Cu 4 MEA在H₂SO₄溶液中的腐蚀行为和机理示意图。

【结论展望】

(1)Cu的添加不仅增加了在低温下经历FCC到BCC TRIP的双相MEA中FCC相的体积分数，而且还在富Cr的BCC相中引入了更多的B2纳米沉淀物，这反过来又阻碍了本MEA的再结晶。

(2)Cu的加入显著提高了所设计的复合膜电极的整体力学性能。这些力学性能的显著协同作用主要归因于多种强化机制的作用。与大多数报道的M/HEAs相比，我们的膜电极显示出优异的成本效益和力学性能，例如Cu 2膜电极在298 K下具有720 MPa和43%的屈服强度和伸长率，在77 K时，其抗拉强度为1175 MPa，抗拉强度为49%，甚至优于304 SS的抗拉强度和抗拉强度，达到上级。

(3)Cu的加入改变了膜的组成，提高了膜的稳定性，提高了膜的耐蚀性，在膜表面形成的Cu层通过阻挡和屏蔽机制降低了阳极溶解速率，同时Cu提高了膜的功函数，促进了Cr对O的吸附，钝化膜中的Al₂O₃和SiO₂也提高了膜电极在H2SO 4中的耐蚀性，其耐蚀性优于304 SS。