铝调控AlxNiCoFeCr高熵合金在静态氧饱和铅铋共晶中的相容性提升与微观结构退化机制

为解决液态铅铋共晶(LBE)环境中传统结构材料的腐蚀失效问题，研究人员通过设计AlxNiCoFeCr高熵合金(HEAs)体系，系统探究了不同Al含量(x=0,0.1,0.3)在500℃氧饱和静态LBE中的腐蚀行为。研究发现0.1Al合金形成的(Cr,Al)2O3基氧化层能显著抑制LBE渗透，而0.3Al合金因Cr2O3/Al2O3相分离导致性能退化，为核反应堆冷却系统材料设计提供了理论依据。

　　

在核能领域，液态铅铋共晶(LBE)因其优异的热物理性能和中子产额特性，被视为加速器驱动次临界系统(ADS)和铅冷快堆(LFR)的理想冷却剂。然而，传统结构材料如T91钢和316L不锈钢在高温LBE环境中面临严峻挑战——高氧浓度下发生过度氧化，低氧浓度下则遭受严重溶解腐蚀。更棘手的是，材料表面形成的Fe₃O₄和FeCr₂O₄尖晶石氧化物不仅防护效果有限，还会诱发脆性裂纹。这种"氧化-溶解"双重腐蚀机制严重制约着先进核反应堆的发展，亟需开发新型耐腐蚀材料体系。

西安交通大学的研究团队将目光投向高熵合金(HEAs)这一突破传统设计理念的新材料。他们选择具有单相FCC结构的Al_xNiCoFeCr体系，通过精确调控铝含量(x≤0.3)，在保持基体稳定性的同时促进保护性氧化膜形成。经过1500小时500℃氧饱和静态LBE浸泡实验，研究人员发现：不含铝的0Al合金仅形成尖晶石层和Cr富集内氧化区(IOZ)；添加0.1Al后，合金表面生成致密的(Cr,Al)₂O₃基复合氧化层，腐蚀速率显著降低；但当Al含量增至0.3时，Cr₂O₃与Al₂O₃发生相分离，B2-NiAl相的出现更引发局部腐蚀恶化。这项发表于《Journal of Alloys and Compounds》的研究，首次系统揭示了低铝含量HEAs在LBE中的腐蚀演化规律。

研究团队采用真空感应熔炼制备合金，通过热轧和退火获得再结晶组织，利用SEM/EDS分析腐蚀形貌，结合热力学计算阐明氧化/溶解竞争机制。在"合金设计与初始相组成"部分，通过混合焓(ΔH_mix)和原子半径差(δ)等参数优化成分，确保单相FCC结构。在"共存腐蚀行为与热力学分析"中，基于标准吉布斯自由能(ΔG^θ)计算，证实(Cr,Al)₂O₃在500℃时热力学稳定性优于单一氧化物。

研究结论部分明确指出：适度Al含量(0.1)能促进(Cr,Al)₂O₃保护层形成，该复合氧化物可同时阻断氧阴离子和金属离子的扩散迁移；而过量Al(0.3)引发的相分离会加速LBE渗透，B2-NiAl相更成为腐蚀薄弱环节。这项研究不仅建立了Al含量-氧化层特性-腐蚀抗性的构效关系，更创新性提出"氧化/溶解占有率"量化模型，为核用HEAs的成分设计提供了精确调控依据。

该成果的突破性在于：首次阐明低铝HEAs在LBE中的腐蚀动力学规律，解决了传统材料在"氧化-溶解"双机制下的失效难题。通过铝元素的梯度调控，实现了氧化防护与基体稳定的最佳平衡，这对开发下一代铅冷快堆结构材料具有重要指导意义。研究揭示的(Cr,Al)₂O₃协同防护机制，更为新型耐腐蚀材料体系的设计开辟了新思路。