通过选择性激光熔化制备的CoCrNi中熵合金的微观结构各向异性及其耐腐蚀性

《Journal of Materials Science & Technology》：Anisotropy of microstructure and corrosion resistance of CoCrNi medium-entropy alloy fabricated by selective laser melting

选择性激光熔化制备的CoCrNi中熵合金微观结构各向异性与腐蚀行为关系研究。通过67°层间旋转扫描策略，发现SLM诱导显著各向异性，表现为异质晶粒形态和晶体学取向依赖的织构强度。复合带结构（堆垛层错与纳米孪晶）的形成增强了钝化膜稳定性，其腐蚀性能由织构、位错网络及钝化膜协同作用决定。热循环和快速凝固导致弱织构与均匀位错分布，结合多元协同效应提升耐蚀性，为3D打印合金腐蚀设计提供理论依据。

　　在现代工业技术的快速发展背景下，对兼具优异机械性能和卓越耐腐蚀性的先进结构材料的需求日益迫切，尤其是在航空航天、能源生产和化学加工等关键应用领域。为了满足这一需求，中熵合金（Medium Entropy Alloys, MEAs）作为一种新型的多主元合金体系，因其独特的性能优化潜力而受到广泛关注。中熵合金通过精心设计的成分和微观结构，能够在多个性能维度上实现优化，从而展现出优于传统合金的综合特性。其中，CoCrNi三元合金因其出色的强度-韧性协同效应和卓越的耐腐蚀性能，成为研究的热点之一。

传统制造工艺在生产几何复杂结构部件方面虽有广泛应用，但其在材料浪费、生产周期长以及微观结构调控能力有限等方面仍存在明显短板。相比之下，选择性激光熔化（Selective Laser Melting, SLM）作为一种增材制造技术，能够实现近净成形制造，同时具备高度的设计自由度和微观结构控制能力。SLM技术通过使用高能激光束对金属粉末进行逐层熔融和凝固，能够在极短时间内形成具有复杂形态的微观结构。这种独特的热加工条件，如极端的热梯度和快速凝固速率，不仅能够诱导非平衡相的形成，还对材料的微观结构演化产生深远影响。

在研究SLM制备的CoCrNi中熵合金时，研究人员发现其微观结构呈现出显著的各向异性特征。这种各向异性主要来源于SLM过程中采用的67°层间旋转扫描策略，该策略通过改变激光扫描方向，使得不同方向上的凝固行为发生差异，从而导致微观结构的非均匀分布。在不同取向的截面上，合金的晶粒形态、晶界配置以及元素分布均表现出明显的差异。例如，在与激光扫描方向垂直的截面上，晶粒呈现出较为规则的形态，而在平行于扫描方向的截面上，晶粒则表现出更为复杂的结构特征。

进一步的研究表明，这种微观结构的各向异性不仅影响了合金的机械性能，还对耐腐蚀性能产生了重要影响。研究人员通过多尺度分析方法，揭示了SLM过程中诱导的微观结构各向异性与腐蚀行为之间的内在联系。他们发现，在SLM制备的CoCrNi合金中，存在一种独特的复合带状结构，由堆垛层错和纳米孪晶组成。这种结构的存在显著提高了合金表面被动膜的稳定性，从而增强了其耐腐蚀能力。被动膜的稳定性受到多种因素的影响，包括晶格取向、缺陷结构以及元素分布等。

值得注意的是，SLM过程中形成的微结构特征与合金的腐蚀行为之间存在复杂的相互作用。研究人员指出，腐蚀性能在很大程度上受到晶格取向的调控，而这种调控又与合金的织构、位错亚结构以及被动膜的稳定性密切相关。在某些晶格取向上，合金表现出更高的腐蚀抵抗能力，而在其他取向上则相对较低。这种现象与合金表面被动膜的形成和稳定性密切相关，因为不同的晶格取向会导致不同的元素分布和缺陷结构，从而影响被动膜的形成过程和其在腐蚀环境中的稳定性。

此外，研究还揭示了SLM工艺对合金元素分布的影响。由于SLM过程中涉及极快的凝固速率和剧烈的热循环，合金中的元素分布呈现出高度的非均匀性。这种非均匀性不仅影响了合金的宏观性能，还对其微观结构的演化产生了深远影响。在某些区域，特定元素的富集可能会形成局部的强化区，而在其他区域则可能产生脆性相。这些微观结构特征对合金的耐腐蚀性能具有重要影响，因为它们会改变合金表面的化学成分和物理性质，从而影响被动膜的形成和稳定性。

研究团队通过系统分析SLM工艺参数对合金微观结构和腐蚀行为的影响，发现某些参数的调整可以显著改善合金的耐腐蚀性能。例如，通过优化激光功率、扫描速度和扫描策略，可以调控合金的晶粒尺寸和晶界特征，从而提高其耐腐蚀能力。这些发现为设计和优化SLM制备的中熵合金提供了重要的理论依据和实践指导。

在实验方法方面，研究人员采用了多种先进的表征技术，包括扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）以及X射线衍射（XRD）等，以全面分析合金的微观结构特征。通过这些技术，他们能够观察到合金表面的微观结构变化，并进一步探讨其与腐蚀行为之间的关系。此外，电化学测试方法也被用于评估合金的耐腐蚀性能，包括极化曲线测试和电化学阻抗谱（EIS）分析等。这些测试方法为研究人员提供了定量的数据支持，使他们能够更准确地评估合金的腐蚀行为。

研究还特别关注了SLM工艺对合金表面被动膜形成的影响。被动膜的形成是中熵合金耐腐蚀性能的关键因素之一，其稳定性直接决定了合金在腐蚀环境中的表现。研究人员发现，SLM工艺能够诱导形成富含氧化物的被动膜，这种被动膜具有较高的稳定性和致密性，从而有效阻止了腐蚀介质的渗透。此外，由于SLM过程中形成的非均匀微观结构，合金表面的被动膜在不同区域表现出不同的稳定性，这种差异进一步影响了合金的整体耐腐蚀性能。

在实际应用中，这些研究结果对于开发高性能的中熵合金具有重要意义。通过理解SLM工艺对微观结构和腐蚀行为的影响，研究人员可以优化加工参数，从而获得具有理想性能的合金材料。这种优化不仅能够提高合金的耐腐蚀能力，还能够增强其在极端环境下的应用潜力。例如，在航空航天领域，材料需要在高温、高压和腐蚀性环境中长期稳定运行，而SLM制备的中熵合金因其优异的综合性能，成为这一领域的理想候选材料。

此外，这些研究成果也为其他类型的中熵合金的开发提供了参考。通过调整元素组成和加工参数，研究人员可以设计出具有特定性能的中熵合金，以满足不同应用场景的需求。例如，在能源生产领域，材料需要承受高温和腐蚀性气体的双重作用，而通过优化SLM工艺，可以提高合金在这些环境下的稳定性。在化学加工领域，材料需要在酸性或碱性环境中保持良好的性能，而SLM制备的中熵合金则可能在这些环境中表现出更强的耐腐蚀能力。

综上所述，SLM制备的CoCrNi中熵合金在微观结构和腐蚀行为方面表现出独特的特性。这些特性不仅源于SLM工艺本身的物理化学条件，还受到合金成分和加工参数的调控。通过深入研究这些特性，研究人员能够更好地理解中熵合金的性能机制，并为未来的设计和应用提供科学依据。这些发现不仅有助于提高中熵合金的耐腐蚀性能，还为开发高性能的增材制造材料提供了新的思路和方法。