亚稳态高熵合金由于优异的机械性能而具有广阔的应用前景。一般来说，除了良好的强-塑结合外，耐腐蚀性也是作为先进结构材料需要评估的重要指标。但目前对这些亚稳态高熵合金的研究主要集中在机械性能上，对其腐蚀行为的研究不足。由于晶界具有高电化学活性和晶体缺陷，材料的腐蚀行为受到晶粒尺寸的影响，并且以往的研究还证实晶粒细化对材料腐蚀行为的影响存在一定的争议。此外，与晶粒尺寸对腐蚀行为影响相对应的机械性能变化可能并不是单调的，这意味着耐腐蚀性和机械性能之间可能存在某种权衡。因此，研究不同晶粒尺寸对亚稳态高熵合金腐蚀行为和机械性能的协同效应至关重要，因为对它们的基本了解将有助于进一步阐明晶粒尺寸对腐蚀行为影响的机制，并开发可承受恶劣环境的亚稳态高熵合金。

基于上述论述，西南交通大学材料学院材料服役安全工程系马新凯副教授以Fe₄₀Co₂₀Cr₂₀Mn₁₀Ni₁₀亚稳态高熵合金为研究对象，通过大应变量轧制和再结晶退火制备了细晶 (2.2 µm)、中晶 (16.8 µm) 和粗晶 (30.2 µm) 样品，采用多尺度结构表征和电化学方法研究了晶粒尺寸对其腐蚀行为和机械性能的协同效应。区别于先前的研究，本工作更关注不同晶界密度引起的钝化膜特性差异及其对钝化膜溶解和点蚀形成的影响，阐明了不同晶粒尺寸亚稳态高熵合金的腐蚀机理。同时，基于耐腐蚀性和机械强度之间的关系，讨论了耐腐蚀性和强韧化协同作用机制，为制备出高强耐腐蚀材料提供了一定的参考价值。该工作得到了国家自然科学基金、中央引导地方科技发展资金以及西南交通大学大型仪器开放测试基金等的资助。论文以题为“Synergistic effects of grain sizes on the corrosion behavior and mechanical properties in a metastable high-entropy alloy”发表在材料腐蚀领域顶级期刊《Corrosion Science》上。

论文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0010938X23006303

图1. 不同晶粒尺寸的亚稳态高熵合金的初始微观结构。(a₁-c₁) 反极图，(a₂-c₂) 晶界图，(a₃-c₃) 相图，(a₄) FG样品的元素分布。其中γ指FCC相。

图2. (a) 不同晶粒尺寸的亚稳态高熵合金工程应力-应变曲线。(b) 屈服强度与平均晶粒尺寸的倒数平方根之间的关系。

图3. (a) 不同晶粒尺寸的亚稳态高熵合金在 3.5 wt.% NaCl 溶液中的动电位极化曲线。动电位极化后各样品的腐蚀形貌：(b) FG 样品，(c) MG 样品和 (d) CG 样品。

图4. (a) 不同晶粒尺寸的亚稳态高熵合金在 3.5 wt.% NaCl 溶液中浸泡 12 h 后的Mott-Schottky 曲线。(b) 钝化膜的施主密度。

图5. 不同晶粒尺寸的亚稳态高熵合金在3.5 wt.% NaCl溶液中浸泡48 h后钝化膜的阳离子分数。

图6. (a) 不同晶粒尺寸的亚稳态高熵合金在 3.5 wt.% NaCl 溶液中浸泡 9 h和 48 h后钝化膜中阳离子分数的比较。

图7. (a) 不同晶粒尺寸的亚稳态高熵合金在3.5 wt.% NaCl溶液中浸泡48 h后的腐蚀形貌。(a) FG 样品，(b) MG 样品和 (c) CG 样品。

图8. 不同晶粒尺寸的亚稳态高熵合金的腐蚀机制示意图：(a) FG样品，(b) MG样品和 (c) CG样品。其中钝化膜的主要物种以在3.5 wt.% NaCl溶液中浸泡48 h后的化学成分来表示。

图9. 不同晶粒尺寸的亚稳态高熵合金的极限拉伸强度与腐蚀电流密度的关系，显示出机械强度和耐腐蚀性之间的良好结合。

在这项工作中，详细研究了晶粒尺寸对亚稳态高熵合金腐蚀行为和机械性能的协同效应，揭示了相应的腐蚀机理，并阐明了耐腐蚀性与机械性能之间的关系。主要结论如下：

(1) 亚稳态高熵合金的耐腐蚀性随着晶粒尺寸的增大而增加，在中晶中表现出优异的耐腐蚀性能，然后随着晶粒进一步长大而恶化。这种耐腐蚀性的差异主要表现为不同程度的钝化膜溶解和点蚀的形成。

(2) 亚稳态高熵合金的腐蚀行为由不同晶界密度引起的钝化膜特性决定。晶界密度较低的粗晶形成的钝化膜较薄且富含缺陷，并诱导了钝化膜的溶解和点蚀的形成。细晶中丰富的晶界促进了钝化膜的形成，同时减轻了上述的腐蚀。然而，与细晶粒和粗晶粒相比，在中晶上形成的钝化膜显示出较低的施主密度和优异的稳定性以防止传质和点蚀的过程。

(3) 钝化膜溶解后，粗晶中富含Co、Ni物种的钝化膜引起的耐蚀性增加不足以弥补Cr、Fe、Mn物种耗尽所带来的负面影响，尤其是Cr氧化物的耗尽。而含有较高Cr₂O₃ 含量的细晶仍表现出良好的耐腐蚀性。相比之下，中晶中最高含量的Cr₂O₃和结合水对耐腐蚀性能起着至关重要的作用，其耐腐蚀性始终优于细晶和粗晶。

(4) 从机械性能来看，晶粒尺寸增大，机械强度降低，而耐腐蚀性随晶粒尺寸增大而呈现先增大后减小的趋势。因此，在匹配耐腐蚀性和机械性能方面存在强烈的权衡，而中晶具有强度和耐腐蚀性的良好组合。该工作为制备高强度、良好耐腐蚀性的亚稳态高熵合金提供了重要的参考价值。

*感谢论文作者团队对本文的大力支持。