激光粉末床熔融与锻造CoCrNi中熵合金的力学性能及腐蚀机制对比研究

本研究针对传统锻造CoCrNi中熵合金(MEA)强度不足的问题，通过激光粉末床熔融(L-PBF)技术制备CrCoNi MEA，发现其屈服强度(591 MPa)较锻造合金(285 MPa)提升107%，并揭示晶粒细化、低角度晶界(LAGB)和异质结构协同强化机制。同时阐明L-PBF样品在低钝化电位下腐蚀电流(2.59×10-6 A/cm2 )优于锻造样品(3.35×10-6 A/cm2 )，但高电位下晶界腐蚀敏感性增加，为极端环境材料设计提供理论依据。

　　

在材料科学领域，中熵合金(Medium Entropy Alloys, MEAs)因其独特的性能组合成为研究热点。其中钴铬镍(CoCrNi)三元合金因具备优异的低温韧性、相变诱导塑性(TRIP)效应和潜在的耐腐蚀性，被视为极端环境应用的候选材料。然而传统锻造工艺制备的CoCrNi MEA存在室温屈服强度低(仅285 MPa)、工业应用受限的瓶颈问题。与此同时，增材制造技术特别是激光粉末床熔融(Laser Powder-Bed Fusion, L-PBF)为材料微结构调控提供了新思路，但关于L-PBF制备MEAs的强化机制与腐蚀行为的研究仍存在空白。

成都先河半导体技术有限公司等机构的研究团队在《Journal of Alloys and Compounds》发表的研究，系统对比了L-PBF与锻造CoCrNi MEAs的微观结构-性能关系。研究采用电子背散射衍射(EBSD)分析晶界特征，通过电化学工作站测试钝化行为，结合不同应变速率(1×10^-3
s^-1
至1×10^-5
s^-1
)的拉伸实验揭示变形机制。关键技术包括：L-PBF工艺参数优化、硼酸缓冲溶液中的动电位极化测试、基于ISO标准的腐蚀试样制备。

微观结构特征
EBSD分析显示，锻造样品为平均粒径58.8 μm的等轴晶，低角度晶界(LAGB<15°)比例仅1.6%；而L-PBF样品呈现典型熔池结构，LAGB比例高达56%，并存在位错胞和柱状亚结构。这种差异源于L-PBF过程中10⁵
-10⁶
K/s的极高冷却速率导致的非平衡凝固。

力学性能突破
在1×10^-3
s^-1
应变速率下，L-PBF样品屈服强度达591 MPa，是锻造样品的2.07倍。当应变速率降至1×10^-5
s^-1
时，其抗拉强度进一步提升至853 MPa。研究表明，这种应变速率敏感性主要源于：低速变形时LAGB数量增加形成位错屏障；异质晶粒结构促进背应力强化；变形过程中ε-马氏体(HCP)相变产生的界面强化效应。

腐蚀行为悖论
电化学测试发现，在0.1 M硼酸缓冲溶液(pH=8.4)中，L-PBF样品在低钝化电位区(<0.4 V_SCE
)表现更优，钝化电流密度(2.59×10^-6
A/cm²
)较锻造样品(3.35×10^-6
A/cm²
)降低22.7%。但电位升至0.8 V_SCE
时，其阻抗模值下降约50%，这与L-PBF样品中高密度晶界和亚结构加速钝化膜破裂有关。

结论与展望
该研究证实L-PBF技术可突破传统CoCrNi MEA的强度瓶颈，通过多尺度结构调控实现强度-耐蚀性协同优化。Zhou Zhiping团队提出的"应变速率-LAGB密度"关联模型为MEAs性能设计提供新思路。值得注意的是，研究同时指出L-PBF样品在高电位环境的应用风险，建议后续通过热处理或成分微调改善晶界稳定性。这项工作不仅推动中熵合金在航空航天、海洋装备等领域的应用，也为多尺度结构-性能关系研究建立方法论范式。