吸铸Fe2NiCoCr(VN)0.5高熵合金中纳米VN析出相协同增强耐腐蚀与耐磨性能研究

本研究通过多级真空冶金与动态凝固控制技术，在Fe2NiCoCr(VN)0.5高熵合金（HEAs）中实现VN析出相从微米到纳米尺度的精细化调控。5mm铸态合金表现出最优性能：腐蚀电流密度降低74%，磨损率下降81%，其机制涉及纳米析出相诱导保护膜形成与微观结构强化（GBP/IDP）的协同作用，为极端环境下的金属材料设计提供新范式。

　　

Material preparation

梯度Fe₂NiCoCr(VN)_0.5高熵合金（HEAs）棒材通过集成动态凝固控制的多级真空冶金工艺制备。初始高纯度金属组分（Fe、Ni、Co、Cr >99.99%）在WK-Ⅱ真空炉（<10^-5 Pa）中氩气保护下进行电弧熔炼，并通过预合成母合金（V:N=4:1）引入氮化钒（VN）增强相。为消除成分异质性，熔体经过五次反复熔炼，随后通过负压吸铸注入不同直径（7-4mm）的水冷铜模，实现10³-10⁵ K/s冷却速率梯度。

Microstructure and organization

通过XRD检测确定高熵合金（HEAs）的相组成与内部原子结构。结果如图1(a)所示：对比Jade 9软件PDF卡片发现，d7至d4四种合金均存在析出相衍射峰，且随直径减小，[111]晶面衍射峰强度显著变化。图1(b)局部放大图显示VN析出相衍射峰（PDF#35-0768）随冷却速率增加而宽化，表明晶粒细化与纳米化趋势。透射电镜（TEM）进一步揭示5mm合金中<100 nm的晶界纳米析出相（GBP）与晶内分散析出相（IDP）。

Discussion

本研究通过两种相互关联的机制解决极端环境下金属材料耐腐蚀与耐磨性能的平衡难题：吸铸直径调控使VN析出相从微米级细化至纳米级，形成保护膜生成与微观结构强化的协同分布模式，突破传统性能权衡局限。纳米VN析出相通过电化学钝化促进致密Cr₂O₃/V₂O₅保护膜形成，同时通过晶界钉扎效应抑制磨损过程中的裂纹扩展。第一性原理计算表明VN(100)/FCC(111)界面能降低强化了相界稳定性。

Conclusion

研究表明，调节吸铸模具直径（7-4 mm）可实现多尺度结构细化，将VN析出相从微米级转变为纳米级。5mm合金凭借晶界纳米VN相达到最佳性能：腐蚀电流密度降低74%，磨损率下降81%。关键机制包括：

1. 1.

   吸铸直径调整提升冷却速率，使VN析出相从微米级细化至纳米级（5mm合金：<100 nm）。模拟与实验证实VN在晶界优先形核；

2. 2.

   纳米析出相通过界面强化与钝化膜协同作用，同时提升腐蚀与磨损抗性；

3. 3.

   晶界纳米相（GBP）与晶内分散相（IDP）形成多级防御网络，抑制腐蚀介质渗透与磨损裂纹扩展。