放电等离子烧结 AlMnNiMoCr?高熵合金（x = 0, 0.5, 1, 1.5, 2）的力学性能与电化学腐蚀行为

《Journal of Alloys and Compounds》：Mechanical Properties and Electrochemical Corrosion Behaviors of Spark Plasma Sintered AlMnNiMoCr ? High-Entropy Alloys ( x = 0, 0.5, 1, 1.5, 2)

　　

摘要

通过行星球磨随后结合放电等离子烧结（SPS）制备了 Cr 摩尔比为 x = 0, 0.5, 1.0, 1.5 和 2.0 的 AlMnNiMoCr? 高熵合金（HEAs）。系统研究了 Cr 含量对相演化、微观结构、力学性能以及在 3.5 wt% NaCl 溶液中腐蚀行为的影响。表征结果表明，随着 Cr 含量的增加，合金经历了从有序 B2 金属间化合物结构到无序 BCC 固溶体的阶段性转变，伴随着 FCC 相的析出和逐渐消退以及富 Cr-Mo 第二相的形成，且微观结构不断细化。显微硬度和压缩强度均随 Cr 的添加单调增加；在 x = 2.0 时峰值压缩强度达到 1058.81 MPa，比无 Cr 合金高出 94.3%，这主要归因于固溶强化和 BCC 相稳定化。耐腐蚀性随 Cr 含量的增加先改善后恶化，在 x = 1.5 时达到最佳，腐蚀电流密度为 3.1×10?? A·cm?2。结合经典钝化理论和相关已发表文献，推测这种变化趋势源于在适当的 Cr 含量下形成了保护性钝化膜，而过量的 Cr (x = 2.0) 可能会通过诱导富 Cr 析出物引起微电化学腐蚀并破坏钝化膜的完整性，从而降低腐蚀性能。这项工作为 AlMnNiMo 系高熵合金的成分优化和性能调控提供了实验参考。

引言

高熵合金（HEAs）由 Yeh 等人 [1] 和 Cantor 等人 [2] 于 2004 年独立提出，颠覆了由一或两种主要元素主导的传统合金设计策略，被定义为由五种或更多主要元素组成、原子分数介于 5% 到 35% 之间的合金。得益于四个核心效应——高构型熵、严重晶格畸变、缓慢扩散和鸡尾酒效应，HEAs 倾向于形成简单的固溶体结构而不是复杂的金属间化合物，表现出高强度、显著硬度、良好的热稳定性和出色的耐腐蚀性等优异综合性能 [3], [4]。近年来，随着海洋工程、石油化工和海水淡化行业的快速发展，服役环境对结构材料的强度和耐氯离子腐蚀性能提出了越来越严格的要求。与常规不锈钢、铝合金和钛合金相比，具有可调成分和结构的 HEAs 显示出更大的性能优化潜力，并已成为先进金属材料领域的研究前沿 [5], [6]。

在各种 HEA 体系中，含 Al 体心立方（BCC）HEAs 因其低密度、高比强度和优异的耐高温性能而受到广泛关注。Al 和 Ni 元素之间强烈的负混合焓促进了具有 CsCl 型结构的有序 B2 金属间相的形成，这可以作为强化相显著提高合金强度，但也导致固有的室温脆性和较差的塑性变形能力，限制了其实际工程应用 [7], [8]。作为一种新兴的轻量化 HEA 体系，AlMnNiMo 系合金具有原料成本低和显著的固溶强化效果等优势。Mo 的添加可以进一步增强晶格畸变并提高表面钝化膜的稳定性。然而，目前关于 AlMnNiMo 系的研究仍然非常有限，相结构演化规律、微观结构特征以及随成分变化的性能调控机制尚未得到系统阐明，这限制了此类合金的进一步优化。

作为一种常见且具成本效益的合金元素，Cr 在调控 HEAs 的相结构、力学性能和耐腐蚀性方面发挥着关键的双重作用。从相稳定性的角度来看，Cr 的添加降低了合金系统的价电子浓度（VEC），这有利于稳定 BCC 固溶体结构并削弱 B2 相的长程有序性 [9]。在力学性能方面，Cr 与基体元素之间的原子半径失配导致严重的晶格畸变，产生显著的固溶强化效果，提高了合金的硬度和强度。在耐腐蚀性方面，相关研究 [10], [11] 表明，适量的 Cr 可能促进合金表面形成以 Cr?O? 为主致密稳定的钝化膜，预计能有效阻挡氯化物介质中活性 Cl? 离子的侵蚀，显著提高耐点蚀性能。然而，过量的 Cr 添加会破坏固溶平衡，诱导富 Cr 金属间化合物析出，引发第二相与基体之间的微电化学腐蚀，并破坏相界面处钝化膜的连续性，这反而降低了合金的整体耐腐蚀性 [12]。目前，AlMnNiMo 系 HEAs 中性能优化的临界 Cr 含量及其内部调控机制仍需进一步揭示。

放电等离子烧结（SPS）代表了一种先进的粉末冶金路线，其特点是超快加热速率、短的等温保持时间和相对较低的致密化温度，这使得机械合金化粉末能够完全致密化，同时极大地抑制异常晶粒粗化，从而获得均匀化的超细晶块体 HEAs [13], [14]。对于易发生高温挥发的含 Mn 轻质量多组分合金，SPS 的低短热循环有效减轻了元素蒸发损失，保证了烧结块体的设计名义成分精度。对各种 SPS 处理 HEA 体系的微观结构系统比较已验证，烧结参数和元素合金化共同控制着致密化过程中的相分解、细化和金属间化合物析出行为。尽管如此，现有文献中仍未见涵盖 SPS 制备 AlMnNiMoCr? HEAs 的相演化、力学强化和耐氯离子腐蚀性能的综合研究，这促使了本系统工作的开展。

在本工作中，通过行星球磨结合 SPS 工艺制备了 AlMnNiMoCr? HEA (x = 0, 0.5, 1.0, 1.5, 2.0) 块体。通过 XRD、SEM 和 EDS 系统表征了 Cr 含量对相演化、微观结构特征和元素分布的影响。通过显微硬度和准静态压缩试验评估了力学性能，并通过动电位极化和电化学阻抗谱研究了在 3.5 wt% NaCl 溶液中的腐蚀行为。在此基础上，揭示了 Cr 对相变、强化效应和钝化行为的调控机制，为 AlMnNiMo 系高熵合金的成分设计和性能优化提供了实验依据和理论参考。

章节摘要

高熵合金 AlMnNiMoCr? 的制备

在本研究中，使用商业纯 Al (99 wt%), Mn (99 wt%), Cr (99 wt%), Ni (99 wt%) 和 Mo (99 wt%) 粉末合成了 AlMnNiMoCr? 高熵合金（HEAs），这些粉末来源于中国广东省广东金属与冶金集团有限公司。所设计高熵合金的名义化学式根据组成元素的原子比定义。每种元素的重量百分比 (wt.%) 和原子百分比 (at.%) 汇总在表 1 和表 2 中。

该

XRD 分析

采用 X 射线衍射来表征 AlMnNiMoCr? 高熵合金的晶体结构和相组成，完整的衍射图谱展示在图 1 中。所有样品均表现出对应于两个组成相的衍射特征：一个占主导地位的体心立方（BCC）基基体（包含有序 B2 和无序 A2 变体）和一个在整个成分范围 x = 0 到 x = 2.0 持续存在的次要面心立方（FCC）相。该

相结构演化

随着 Cr 含量的增加，AlMnNiMoCr? 合金的相结构经历连续、阶段性的演化，BCC 基基体和次要 FCC 相均表现出系统性变化。在 x = 0 时，合金具有高度有序的 B2 型 BCC 结构，以 B2-AlNi 金属间化合物为基体，Mn/Mo 原子溶解在晶格中，完全符合 CsCl 型有序消光规则；在该成分下仅检测到痕量的 FCC 相。当 x < 1.0 时，

CRediT 作者贡献声明

梁立伟：软件，资源。 聂晓武：验证，监督，资金获取，形式分析，数据整理，概念化。 姜桥定：写作——审查与编辑，写作——初稿，软件，资源，项目管理，方法论，调查，形式分析，数据整理，概念化。

关于写作过程中生成式 AI 和 AI 辅助技术的声明

在本工作的准备过程中，作者使用 ChatGPT 进行语言润色和提高示意图的清晰度。

利益冲突声明

作者声明，他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢

本工作由广东海洋大学博士启动科学研究项目（项目编号：YJR22017）、阳江市合金材料与五金刀剪重点产业人才振兴专项项目（项目编号：RCZX2024018）以及广东海洋大学学生创新团队项目（项目编号：CXTD2025011）资助。

研究数据声明

重现这些发现所需的原始/处理数据目前无法共享，因为这些数据也构成了

姜桥定 | 梁立伟 | 聂晓武

中国广东省阳江市广东海洋大学阳江校区材料科学与工程学院，邮编 529500