综述：面心立方合金的低温热化学处理新视角：从奥氏体不锈钢到高熵合金的膨胀奥氏体

这篇综述全面探讨了低温（<500°C）热化学处理在面心立方（fcc）合金表面改性中的应用，重点分析了膨胀奥氏体（γN/γC）的形成机制及其对硬度、耐磨性、耐腐蚀性、生物相容性和磁性能的改善作用。通过系统比较奥氏体不锈钢、镍基合金、钴基合金和高熵合金的处理效果，揭示了合金元素（如Cr、Ni、Mn等）在促进间隙原子（N/C）固溶中的关键作用，为开发高性能表面工程材料提供了重要参考。

　　

低温热化学处理技术为面心立方（fcc）合金的表面工程开辟了新途径。通过在300-500°C的低温区间进行渗氮、渗碳或氮碳共渗处理，可在合金表面形成超饱和固溶的膨胀奥氏体相（γ_N或γ_C），这种独特的相结构能使材料表面硬度提升3-5倍，同时保持或增强基体的耐腐蚀性能。

膨胀奥氏体的特性

膨胀奥氏体是间隙原子（N/C）在fcc晶格中的超饱和固溶体，其晶格常数可膨胀达10%。在奥氏体不锈钢中，该相氮含量最高可达38at.%，碳含量达19at.%，远超平衡溶解度。X射线衍射分析显示（200）晶面的膨胀显著大于其他晶面，这种各向异性膨胀与残余应力分布和位错滑移密切相关。透射电镜观察发现，高氮浓度区域存在短程有序的Cr-N团簇，而表面区域可能形成长程有序的γ'-Fe₄N型结构。

合金元素的关键作用

铬（Cr）元素在膨胀奥氏体形成中扮演双重角色：既能通过强Cr-N键促进氮的固溶，又可能在高温处理时析出CrN而损害耐蚀性。锰（Mn）能显著降低层错能，促进ε_N'-马氏体形成；镍（Ni）和钴（Co）则通过稳定fcc结构延缓氮化物析出。在高熵合金中，多主元混合熵效应能抑制金属间化合物析出，使CoCrFeMnNi等合金获得更均匀的改性层。

性能提升机制

表面硬度提升源于三重机制：间隙固溶强化使硬度达12-17GPa；晶格膨胀产生2-4GPa压应力；局部塑性变形引入位错强化。在3.5%NaCl溶液中，γ_N层的腐蚀电流密度可降低1-2个数量级，这归因于N原子参与钝化膜形成并中和腐蚀微区的H⁺。生物医学测试显示，经400°C渗氮的316L不锈钢在模拟体液中血小板粘附减少40%，展现出优异的血液相容性。

工业应用前景

在航空航天领域，Inconel 718经450°C等离子渗氮后，疲劳寿命提高3倍；医疗器械中，CoCrMo合金低温渗碳层使人工关节磨损率降低80%；能源装备方面，FeCrNiSi_0.5高熵合金的氮化层在600°C仍保持结构稳定。最新研究还发现，通过掩模技术可在非磁性基体上制备磁性图案，为传感器制造提供了新思路。

未来挑战与发展

当前研究需进一步阐明：①多元合金中元素互作对间隙扩散的影响规律；②γ_N/γ_C相在极端环境（如辐照、高温）下的稳定性；③智能化处理工艺的开发。通过第一性原理计算与高通量实验相结合，有望设计出新一代兼具超硬、耐蚀和功能性表面特性的合金体系。