【论文报道】恭喜蔡永福、陈辰、魏然老师及硕士生付燕在MSEA (IF=6.1)上发表论文！

供稿人：王一迪

论文题目：Corrosion-resistant L12-strengthened Fe-based medium-entropy alloy with high strength and large ductility from cryogenic to elevated temperatures

论文作者：Yongfu Cai, Yan Fu(付燕), Ran Wei*, Chongxun Fang, Shaojie Wu, Tan Wang, Hongyan Wang, Min Tian, Jiajia Tian, Chen Chen*

Journal：Materials Science and Engineering: A

DOI: https://doi.org/10.1016/j.msea.2025.149046

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【研究背景】

在宽温域内，开发耐腐蚀、高性价比和强韧性的合金至关重要。然而，单一合金难以同时满足这些性能需求。近年来，高/中熵合金(H/MEAs)被认为是开发具有优异综合性能的新型合金。然而，一些单相面心立方(FCC)结构的H/MEAs高温强度不足，某些体心立方(BCC) MEA抗氧化性能较差。与单相H/MEAs相比，一些沉淀强化H/MEAs可以在较宽的温度范围内实现优异的强塑性协同，然而耐腐蚀性能尚不清楚。 此外，上述H/MEAs的合金元素(特别是Co、Nb、Ta等)成本高昂。与之相比，在宽温域内具有优异屈服强度和延展率及良好耐蚀性能的低成本铁基MEA对产业应用具有重要意义。

【成果速览】

本研究设计了一种含有共格L1₂纳米析出相的新型低成本Fe_49.6Ni₂₈Al₆Ti₃Zr_0.1C_0.2B_0.1Cr₁₃铁基中熵合金(MEA)。该MEA在较宽的温度范围(-196~700 ℃)内表现出优异的机械性能和耐腐蚀性能。在25 ℃下，其屈服强度、极限抗拉强度和延展性分别可达~820 MPa、~1170 MPa和31.0 %。当温度从25 ℃降低到-196 ℃时，该MEA强度和塑性都得到了提高。此外，由于可剪切L1₂纳米析出相和位错滑移的存在，在700 ℃下，该MEA仍保持着高达~ 720 MPa的屈服强度和15 %的延伸率。并且，富含Cr₂O₃和TiO₂的薄非晶态钝化层增强了局部耐蚀性。这项工作为宽温域内开发具有优异耐腐蚀性、强度和延展性的先进合金铺平了道路。

【数据概况】

图1. Cr13 MEA的相组成和微观结构：(a)XRD曲线显示其为单相FCC结构，(b)EBSD-IPF图显示其为等轴晶粒，(c)晶粒平均尺寸的统计分布，(d)FCC晶粒内部L1₂纳米析出相的形状和分散性，(d1)显示(d)中L1₂相应的SAED图谱。(d2-d6)EDS的面扫显示了元素在L1₂和FCC基体中的分布。(e)HRTEM图像和相应的逆FFT。(e1)显示了FCC和L1₂相之间的共格界面。

图2. (a)Cr13 MEAs在-196 ℃、25 ℃和700 ℃下的拉伸工程应力-应变曲线；(b)25 ℃下的应变场分布；(c)和(d)YS和UTS与其他类型结构材料随温度变化的比较。

图3. 在不同温度下测试的Cr13 MEA断裂样品的表面SEM形貌：(a)        -196 ℃，(b)25 °C，(c)700 °C。(a、b、c) 宏观形貌，(a1、b1、c1)断口核心形貌，(a2 , b2 , c2)边缘形貌。

图4. Cr13 MEA在-196 °C(a1-a4)、25 °C(b1-b4)、700 °C(c1-c4)断裂后的XRD图谱、EBSD IPF图像、相图和KAM分布图。

图5. 10 %应变Cr13 MEA在25 ℃(a1-a4)、-196 ℃(b1-b4)和700℃(c1-c4)变形过程中的微观结构。(a1) 透射电子显微镜（TEM）图像显示相交滑移带和泰勒晶格的形成。（a2）是（a1）的放大图像，揭示了滑移带中高密度缠结的位错和滑移带之间的层错(SFs)。(b1、c1)缠结位错和滑移带。(b2、c2)在晶界和析出相周围的缠结位错。(a3、b3)相交的层错和层错网络，以及被层错剪切的L1₂沉淀。（a4、b4）高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）图像显示被层错剪切的L1₂纳米析出相，相交的层错和洛默-科特雷尔锁（L-C锁）。(c3)L1₂纳米析出相位错剪切。(c4)L1₂纳米析出相位错的HRTEM图像。（a4-c4）中的插图分别是相应虚线框区域的快速傅里叶变换（FFT）和逆快速傅里叶变换（IFFT）图像。

图6. Cr13 MEA和316不锈钢的电化学表征(a)极化曲线，(b)Nyquist图，(c)Bode图，(d)等效电路(EEC)，(e)Cr13 MEA与其他已报道的耐腐蚀H/MEA的点蚀电位与极限抗拉强度×伸长率的比较，均在3.5wt % NaCl溶液中测得。

图7. Cr13在3中浸泡7天后钝化膜的XPS表征。3.5wt % Nacl溶液。(a)XPS测量图谱和(b)Fe 2p3/2，(c)Ni 2p3/2，(d)Al 2p，(e)Ti 2p，(f)Cr 2p3/2，(g)O 1s的高分辨图谱。(h)阳离子分数和(i)钝化膜中元素的原子百分比。

图8. 钝化膜的成分和微观结构分析。(a)HRTEM图像显示了钝化膜连续均匀的分布，从上到下依次为：Pt层、非晶钝化膜和MEA，(b1-b3)对应的FFT花样。(c)HRTEM图像和(c1-c7)元素分布图证实钝化膜主要由O、Fe、Ni和Cr元素组成。(d)从(c)中的红色箭头进行的线扫描证实了富氧化物钝化膜的存在。

图9. 在750 ℃下时效5天的抛光样品的AFM形貌图和相应的V_CPD图。(a)表面形貌图和(b)相应的V_CPD图像。(a)中较暗的区域是L1₂相(较低的高度)，对应于(b)中较暗的区域，具有较低的V_CPD值。(c)是b中红色箭头位置的电势分布曲线。

【结论展望】

在本研究中，我们设计了一种新型的纳米析出强化Fe基MEA，其具有优异的耐腐蚀性能和显著的机械性能。我们对腐蚀和变形的基本机理进行了深入的研究，主要研究结果可概括如下：

(1) MEA中具有独特的微观结构，包括共格的L1₂纳米析出相和少量的晶界析出相(B2-NiAl、富Cr的σ相和TiC)。L1₂析出相的平均尺寸和体积分数分别为~ 15 nm和28 %。L1₂相富含Ni、Ti和Al而贫Cr和Fe，而FCC基体则呈现相反的元素分布。

(2)该MEA在-196~700℃范围内展现出优异的拉伸性能：在25 ℃时，MEA的YS为820 MPa，UTS为1170 MPa，延伸率为31 %；在-196 ℃时，其强度和延展性得到改善，YS达到970 MPa，UTS为1500 MPa，延伸率提高到40 %。这些优异的力学性能是由L1₂纳米析出相、滑移带、层错和L-C锁共同作用的结果。此外，由于可剪切的L1₂析出相和位错滑移，MEA在700 ℃下仍保持着720 MPa的高屈服强度和15 %的延伸率。

( 3 ) MEA表面钝化膜为厚约3 nm的非晶态结构。L1₂析出相在腐蚀过程中优先溶解，有利于Cr₂O₃的异质形核。钝化膜中的Cr₂O₃与TiO₂作为关键组分，共同赋予该合金优异的局部腐蚀抗力。