高熵合金晶界迁移行为与腐蚀机制：Cr元素偏析对材料耐蚀性的调控作用

本研究针对高熵合金(HEA)中凝固晶界(SGB)与迁移晶界(SGBM)的腐蚀行为差异问题，通过EPMA成分分析和SKPFM伏安电位测试，发现SGBM区域Cr含量降低导致Volta电位负移，腐蚀深度达SGB的2倍。该研究为调控HEA晶界迁移、提升材料耐蚀性提供了新理论依据。

　　

在材料科学领域，高熵合金(High Entropy Alloy, HEA)因其独特的单相固溶体结构和丰富的耐蚀元素，被誉为新一代抗腐蚀材料的明星。然而，这类合金在铸造或激光增材制造过程中，会形成凝固晶界(Solidification Grain Boundary, SGB)以及后续的晶界迁移现象(Solidification Grain Boundary Migration, SGBM)。就像城市道路网络中的脆弱节点，这些晶界往往成为材料腐蚀的"突破口"——溶质偏析、残余应力和微观结构不均等因素，使得晶界区域在腐蚀环境中首当其冲。

尽管学界对SGB的腐蚀行为已有较多研究，但对于SGBM这种"动态晶界"的腐蚀机制却知之甚少。这种认知空白就像材料性能优化道路上的一团迷雾：迁移过程中的位错重组、局部有序化转变和应变场重构等动态过程，可能从根本上改变晶界区的腐蚀敏感性。更关键的是，SGBM与SGB在化学成分和晶体学特性上的差异，可能对材料整体耐蚀性产生"蝴蝶效应"。

为拨开这团迷雾，Chunyang Li团队在《Journal of Materials Research and Technology》发表了突破性研究。他们采用真空感应悬浮熔炼法制备等摩尔比CoCrFeNi HEA，通过光学显微镜(OM)和电子探针显微分析(EPMA)揭示微观结构特征，结合原子力显微镜(AFM)的扫描开尔文探针力显微镜(SKPFM)模式测定伏安电位，并采用0.5 mol/L H₂SO₄溶液体系进行动电位极化测试，最后通过3D激光共聚焦显微镜量化腐蚀深度。

【显微组织与成分特征】

研究显示CoCrFeNi HEA由大量枝晶组成，EPMA定量分析发现SGBM区域Cr含量(25.5 at.%)显著低于SGB区域(26.4 at.%)。这种差异源于晶界迁移过程中Cr元素的快速迁移速率以及Cr团簇对其他Cr原子的排斥作用，形成局部"Cr贫化区"。

【电化学行为差异】

SKPFM测试揭示关键发现：SGB的Volta电位比SGBM更正，这意味着SGB在电化学腐蚀中更倾向于阴极行为而受到保护。与之对应，动电位极化后的3D形貌显示，SGBM区域腐蚀深度(4.02 μm)达到SGB区域(1.98 μm)的两倍，印证了电位差异导致的腐蚀敏感性分级。

【腐蚀机制阐释】

研究人员建立了"Cr含量-Volta电位-腐蚀深度"的关联模型：由于Cr的标准电极电位较正(-0.74 V_SHE)，其在SGB区域的富集导致更高Volta电位；而SGBM区域因Cr贫化形成"阳极溶解热点"。AFM观测到SGBM区域存在Cr团簇，这些团簇阻碍Cr原子短程扩散，加剧了局部Cr贫化程度。

这项研究首次系统阐释了HEA中晶界迁移行为的腐蚀机制，突破性地指出动态晶界调控对材料耐蚀性的决定性作用。不仅为理解多组元合金的腐蚀行为提供了新范式，更通过揭示"Cr偏析-电位调控"的定量关系，为开发高耐蚀HEA材料提供了精准的工艺调控靶点。该发现对能源、化工等领域关键装备的寿命预测和材料优化具有重要指导价值，犹如为材料工程师提供了一幅规避腐蚀风险的"晶界导航图"。