激光粉末床熔融制备细晶CrMnFeCoNi高熵合金的高温抗氧化性能提升机制研究

为解决传统高熵合金(HEA)高温抗氧化性能不足的问题，研究人员通过激光粉末床熔融(L-PBF)技术制备细晶CrMnFeCoNi HEA，发现其氧化增重显著低于传统工艺合金(THEA)，在900-1100°C下形成连续Cr2O3保护层，内部氧化层厚度减少60%。该研究为开发高性能高温结构材料提供了新思路。

　　

在极端环境应用中，材料的高温抗氧化性能直接决定其使用寿命。传统高熵合金如CrMnFeCoNi虽具有优异的室温力学性能，但在高温下会出现强度骤降和氧化失效，其抗氧化性仅与SS410不锈钢相当，严重限制了其在航空航天、核反应堆等领域的应用。现有研究多聚焦于传统铸造或锻造工艺制备的HEA，而通过增材制造技术调控微观结构以提升性能的探索仍属空白。

韩国材料科学研究院的研究团队创新性地采用激光粉末床熔融(L-PBF)技术制备纳米氧化物强化的细晶CrMnFeCoNi HEA，系统研究了其在900-1100°C下的氧化行为。研究发现L-PBF工艺通过快速凝固形成平均晶粒尺寸15.7μm的细晶结构，同时原位生成Mn₂O₃纳米氧化物，这些特征显著提升了材料的高温抗氧化性能。相关成果发表在《Journal of Materials Research and Technology》上。

研究采用热重分析(TGA)定量测定氧化增重，结合扫描电镜(SEM)、电子背散射衍射(EBSD)和透射电镜(STEM)等多尺度表征手段，系统分析了氧化层形貌、元素分布和微观结构演变。

3.1 微观结构特征
L-PBF制备的HEA呈现单相面心立方(FCC)结构，平均晶粒尺寸仅为传统工艺合金(THEA)的1/15。独特的位错网络和沿胞界分布的Mn₂O₃纳米颗粒（尺寸20-50nm）构成双重亚结构，几何必须位错密度高达1.25×10¹⁴ m^-2。

3.2 高温氧化性能
在1100°C氧化24小时后，L-PBF合金的氧化增重(6.47mg/cm²)较THEA降低29%，抛物线速率常数降低47%。特别在1000°C时，内部氧化层厚度(~50μm)仅为THEA(~130μm)的38%。

3.3 氧化行为机制
表面分析显示900°C时形成Mn₂O₃/Cr₂O₃双层结构，1100°C时转变为(Mn,Cr)₃O₄尖晶石相。截面分析证实细晶结构促进Cr快速扩散，形成连续致密的Cr₂O₃内层，而纳米Mn₂O₃通过消耗局部氧抑制内部氧化。

4.1 氧化机制
细晶结构提供大量Cr快速扩散通道，加速保护性Cr₂O₃层形成；纳米Mn₂O₃作为"氧陷阱"降低基体氧活性，双重作用使氧化前沿推进速率降低60%。

4.2 微观结构影响
位错网络增加有效扩散路径，使Cr扩散系数提升3倍；纳米氧化物钉扎晶界抑制高温晶粒粗化，维持氧化过程中结构的稳定性。相比之下，THEA因粗晶结构导致Mn优先沿少量晶界扩散，形成不连续的氧化物层。

该研究首次揭示了L-PBF工艺通过"细晶强化+纳米氧化物协同"提升HEA抗氧化性能的机制，为设计新一代耐高温材料提供了理论依据。实际应用中，该技术可使燃气轮机叶片等关键部件在1100°C下的使用寿命延长2倍以上，具有重要的工程应用价值。研究还开创了通过调控增材制造工艺参数实现材料性能定向强化的新范式，为高熵合金的工业化应用开辟了新途径。