超高屈服强度CoCrNi基中熵合金的腐蚀抗性设计与协同强化机制

为解决海洋工程等严苛环境下结构材料强度与耐蚀性难以兼顾的难题，研究人员通过热机械加工在Ni1.3CoCrAl0.1Ti0.1中熵合金(MEA)中构建双形态L12析出相与异质晶粒结构，实现2025 MPa屈服强度与0.10 μA/cm2腐蚀电流密度的优异组合，并通过第一性原理计算揭示L12相提升腐蚀抗性的电子机制，为高性能合金设计提供新范式。

　　

在深海装备、航空航天等尖端领域，结构材料如同"钢筋铁骨"般支撑着现代工业体系，但其性能短板始终是制约发展的阿喀琉斯之踵。传统合金往往陷入"强则易蚀，耐蚀则弱"的困境——提升强度的合金化手段可能引发晶界腐蚀，而优化耐蚀性的元素添加又可能削弱力学性能。这种"鱼与熊掌不可兼得"的矛盾在海洋高盐雾、高湿度环境中尤为突出，每年造成全球数千亿元的经济损失。

面对这一挑战，中国的研究团队将目光投向具有成分设计灵活性的中熵合金(Medium-entropy alloys, MEAs)。以经典CoCrNi体系为基础，通过创新性引入Al、Ti微合金化元素，设计出Ni_1.3CoCrAl_0.1Ti_0.1合金（代号AT1）。该研究采用真空感应熔炼制备合金锭，通过多道次热轧与时效处理构建异质晶粒结构，结合电化学测试、X射线光电子能谱(XPS)和第一性原理计算系统评估性能。

微观结构
XRD与TEM分析显示，AT1合金由~33.5%超细晶（<1μm）和~66.5%细晶（1-3μm）构成完全再结晶的异质结构。高密度L1₂析出相以球形（20-50nm）和立方体（100-200nm）双形态均匀分布，其有序FCC结构与基体保持共格关系，避免了传统析出相导致的电位差腐蚀风险。

力学性能
室温拉伸测试获得2025 MPa屈服强度(σ_y)、2138 MPa抗拉强度(σ_UTS)和15%延伸率(ε_TE)的卓越组合。定量分析揭示强度提升源于三重协同机制：晶界强化贡献~450 MPa，析出强化贡献~620 MPa，异质变形诱导(HDI)强化贡献~300 MPa。变形机制研究表明，位错滑移、层错、Lomer-Cottrell锁与变形孪晶的级联激活，有效延缓了颈缩发生。

腐蚀行为
在3.5wt.% NaCl溶液中，AT1的腐蚀电流密度(i_corr)较基础合金降低55%（0.10 vs 0.22 μA/cm2），腐蚀电位(E_corr)正移80mV至-0.15 V_Ag/AgCl。XPS深度剖析发现，L1₂相促进钝化膜中Cr₂O₃/Ni(OH)₂保护性组分比例提升至78%，而Cl^-吸附量减少42%。

理论机制
第一性原理计算表明，L1₂相表面具有更高功函数（4.81 vs 4.52 eV）和更低Cl^-吸附能（-1.03 vs -1.45 eV），电子结构分析显示其d带中心下移0.7eV，显著抑制了金属-电解质界面的电荷转移。

这项发表于《Journal of Alloys and Compounds》的研究，首次在原子尺度阐明了L1₂析出相对MEA腐蚀抗性的提升机制，突破了"强度-耐蚀性"此消彼长的传统认知。所提出的"析出相-异质晶粒"协同设计策略，不仅为海洋工程材料开发提供新思路，其揭示的电子结构调控规律更可推广至其他合金体系。未来通过优化Al/Ti配比与热处理制度，有望进一步突破2.5GPa强度阈值，推动极端环境用材进入新时代。