通过冷轧+退火处理，CoCrFeNiMnNb（一种高熵合金）的机械性能和耐腐蚀性得到了协同提升

《Journal of Alloys and Compounds》：Synergistic strengthened mechanical properties and corrosion resistance of CoCrFeNiMnNb 0.1 high-entropy alloy by cold rolling + annealing treatment

本研究通过冷轧和不同温度退火处理，系统分析了CoCrFeNiMnNb0.1高熵合金的微观结构、力学性能及耐腐蚀性。结果表明，冷轧引入高密度位错和破碎Laves相，显著提升硬度；退火处理促进再结晶和第二相析出，实现强度与塑性的协同优化。经1000℃退火后合金具有优异的综合性能，抗拉强度达790.95 MPa，延伸率36.88%，钝化膜致密化有效抑制点蚀发生，为极端环境功能材料开发提供理论依据。

　　

吴雅楠|刘静顺|李泽|马双|赵月顺|赵二军|云慧琴

内蒙古工业大学材料科学与工程学院，中国呼和浩特市 010051

摘要

本文通过结合冷轧和不同温度下的退火处理，研究了CoCrFeNiMnNb_0.1高熵合金（HEAs）的微观结构，探讨了其力学性能和耐腐蚀性的演变，并阐明了其协同强化的作用机制。冷轧导致位错密度增加和Laves相的破碎，从而由于位错强化作用使硬度显著提高（约416 HV）。不同温度下的退火处理影响了再结晶和二次相的析出，使得多尺度异质结构的协同强化效应得以体现。在1000 ℃下退火的合金表现出优异的力学性能，其极限抗拉强度为790.95 MPa，伸长率为36.88%。这种条件还赋予了合金良好的耐腐蚀性，表现为腐蚀电位升高至0.286 V_SCE，并且形成了更致密的钝化膜，有效抑制了腐蚀点的形成。因此，具有协同强化效应的HEAs在探索高强度、高延展性和耐腐蚀性的功能性材料方面具有重要作用，特别适用于海洋和化学环境。

引言

高熵合金（HEAs）以其多主元素设计和高配位熵为特征，由于其优异的力学性能和耐腐蚀性而受到广泛关注，成为极端环境下实际应用的有希望的候选材料[1]、[2]、[3]、[4]、[5]、[6]。其中，基于CoCrFeNiMn的HEAs因其稳定的面心立方（FCC）固溶体结构和良好的加工性能而被广泛研究[7]、[8]、[9]、[10]。然而，它们相对较低的屈服强度限制了其在承重部件中的应用。最近的研究表明，添加Nb元素可以有效提升合金的整体性能。少量的Nb不仅有助于固溶强化，还能诱导形成由延展性FCC基体和硬质Nb富集的Laves相组成的共晶或亚共晶微观结构，从而提高强度和铸造性能[11]、[12]、[13]。Feng等人[14]发现，设计的亚共晶CoCrFeNiNb_x HEAs具有良好的延展性和高强度。Liu等人[15]证实，具有亚共晶结构的CoCrFeNiNb_x HEAs表面的钝化膜最厚，对合金基体的保护作用最佳。尽管在合金设计方面取得了进展，但通过冷轧和退火等后处理技术同时改善力学和电化学性能仍然是这些合金广泛应用的关键挑战。

一般来说，冷轧可以通过引入高密度位错和变形孪晶显著提高HEAs的屈服强度，尽管这种严重的塑性变形通常会导致延展性的大幅损失[16]。退火处理通过再结晶过程和二次相的析出行为改善了延展性，实现了强度和延展性的更好平衡[17]、[18]、[19]。此外，退火还可以通过均匀化微观结构、改善晶界状态等来提高耐腐蚀性[20]、[21]、[22]、[23]。Zou等人[24]证实，冷轧结合退火处理可以提升CrMnFeCoNi HEAs的力学和电化学性能。对于冷轧和退火处理的Nb合金，主要研究的是它们的力学性能。Huang等人[25]研究了铸造后退火的CrMnFeCoNi_0.8Nb_0.2 HEAs的力学性能，发现其共晶结构的异质变形诱导（HDI）强化是提高强度和保持良好延展性的主要机制。Sunkari等人[26]指出，冷轧和退火处理构建了纳米级微观结构，提高了含有复杂金属间相的CoCrFeNi_2.1Nb_x合金的强度。这种多尺度异质结构的协同效应，包括纳米沉淀物和共晶结构，为HDI强化提供了有利条件。虽然通过冷轧+退火处理可以在CoCrFeNiMnNb_x系列HEAs中获得这种强化效果，但需要在腐蚀界面处通过强钝化作用进一步明确其协同强化机制。

本研究以CoCrFeNiMnNb_0.1 HEAs为研究对象，系统研究了其在铸态、冷轧态和冷轧+退火态下的微观结构、力学性能和耐腐蚀性，并比较分析了不同处理条件下微观结构、显微硬度、纳米压痕响应、拉伸行为和电化学性能的变化。经过选择性处理的HEAs在力学性能和耐腐蚀性方面表现出协同强化效应，为化学和海洋环境中HEAs的实际应用提供了关于强度、延展性和耐腐蚀性综合设计的宝贵参考。

材料与方法

CoCrFeNiMnNb_0.1 HEAs采用高纯度元素原料（≥99.99%）按照其名义成分进行熔炼。上述合金在氩气保护下的真空电弧熔炉中合成，并至少重熔五次以确保化学均匀性。熔融合金被浇铸到尺寸为50 mm × 40 mm × 10 mm的水冷铜模中。从铸态锭材上切割出尺寸为24 mm × 20 mm × 10 mm的矩形样品，并对其进行后续处理

微观结构

图1展示了不同处理条件下CoCrFeNiMnNb_0.1 HEAs的XRD图谱。所有这些合金都显示出明显的衍射峰，分别对应于γ-Fe的（111）、（200）、（311）和（222）晶面，证实了FCC基体的存在。同时观察到属于Laves相的次要峰。与铸态合金相比，冷轧合金的衍射峰更加明显且宽化，尤其是（111）晶面

结论

本研究系统研究了冷轧+退火处理对CoCrFeNiMnNb_0.1 HEAs微观结构、力学性能和耐腐蚀性的影响，实现了协同强化效果，并阐明了其强化机制。主要结论如下：

(1)

铸态合金主要呈现亚共晶微观结构。冷轧处理使合金沿[111]方向优先取向

作者贡献声明

云慧琴：指导。 赵二军：撰写 – 审稿与编辑，指导。 赵月顺：撰写 – 审稿与编辑。 马双：撰写 – 审稿与编辑。 李泽：撰写 – 审稿与编辑，指导。 刘静顺：撰写 – 审稿与编辑，验证，指导，资金筹集。 吴雅楠：撰写 – 审稿与编辑，撰写初稿，数据整理。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究工作。

致谢

本工作得到了内蒙古自治区自然科学基金重点项目（编号2024ZD07）、内蒙古自治区“草原英才”青年领军人才项目（编号QLNJ012010）、内蒙古自治区高校创新研究团队计划（编号NMGIRT2211）、内蒙古工业大学材料科学重点学科团队项目（编号ZD202012）的财政支持