铌与锆在CoCrFeNiNb和CoCrFeNiZr共晶多主元合金微观结构及钝化膜稳定性中的作用机制研究

为解决海洋工程材料在苛刻盐雾环境中的腐蚀问题，研究人员通过电弧熔炼制备了CoCrFeNi0.82Nb0.65和CoCrFeNi0.96Zr0.50共晶多主元合金（MPEAs），发现含铌合金因形成稳定Nb氧化物钝化膜而具有更优耐蚀性，该研究为高强耐蚀合金设计提供了新思路。

　　

随着石油煤炭资源日益枯竭，开发波浪能、深海资源等新型能源成为全球研究热点。但这类极端环境对材料提出了严苛要求——尤其是需要兼具高强度与优异耐盐雾腐蚀性能的结构材料。传统CoCrFeNi多主元合金（Multi-principal element alloys, MPEAs）虽具有良好延展性和耐蚀性，但其强度不足严重制约工程应用。如何通过微观结构调控实现"鱼与熊掌兼得"，成为材料科学家面临的重大挑战。

针对这一难题，巴西ABC联邦大学（Universidade Federal do ABC）的研究团队在《Journal of Alloys and Compounds Communications》发表重要成果。他们创新性地采用铌（Nb）和锆（Zr）作为合金化元素，通过精确控制共晶成分，成功制备出两种具有独特微观结构的MPEAs：CoCrFeNi_0.82Nb_0.65呈现层状共晶基体+先共晶相的双相结构，而CoCrFeNi_0.96Zr_0.50则形成单一层状组织。这种微观结构的差异直接影响了材料在3.5wt.% NaCl溶液中的腐蚀行为。

研究团队运用X射线衍射（XRD）、扫描电镜（SEM）解析晶体结构，通过X射线光电子能谱（XPS）和莫特-肖特基（Mott-Schottky）测试揭示钝化膜特性，并结合电化学阻抗谱（EIS）和动电位极化评估腐蚀性能。

微结构特征
光学显微分析显示，含铌合金存在明显的先共晶相（标记为A）和较粗大的层状共晶，而含锆合金仅呈现间距更小的细密层状结构。XRD证实两者均含面心立方（FCC）相，但Laves相类型不同：Nb合金为C14型，Zr合金为C15型。

腐蚀行为差异
电化学测试表明，含铌合金腐蚀电流密度（j_corr）显著更低。XPS分析发现其钝化膜富含稳定的Nb氧化物（如Nb₂O₅），而含锆合金钝化膜存在更多缺陷且富含n型掺杂剂，这解释了后者耐蚀性较差的原因。莫特-肖特基曲线进一步证实含锆合金钝化膜具有更高的载流子浓度。

讨论与展望
该研究首次系统阐明了Laves相类型对MPEAs钝化膜稳定性的影响机制：C14型Laves相（Nb合金）比C15型（Zr合金）更利于形成保护性氧化物。这一发现为设计新型耐蚀高强合金提供了重要指导——通过精确调控共晶成分获得理想的双相结构，既可保持FCC相的韧性，又能利用硬质Laves相提升强度，同时确保钝化膜稳定性。

这项工作的创新价值在于建立了"成分-微观结构-钝化膜特性-腐蚀性能"的完整关联模型，不仅解决了海洋工程材料的实际需求，更为发展下一代多主元合金提供了理论框架。研究团队特别指出，未来可通过调整Zr/Nb比例进一步优化性能，这种成分梯度设计策略有望拓展MPEAs在极端环境中的应用边界。