原位TiC增强AlCoCrFeNi高熵合金的微观结构演变、力学性能及腐蚀行为

研究人员成功制备了具有高密度比强度和优异耐腐蚀性的新型(AlCoCrFeNi)100–x(TiC)x（x=0、2、4、6和8）高熵合金(HEAs)。微观结构分析表明，未添加TiC的AlCoCrFeNi HEA由体心立方(BCC)相和B2相组成，呈现粗大等轴晶组织。引入Ti和C后，高温反应过程中形成原位TiC相，合金微观结构变为BCC、B2、TiC和σ相的混合组织。随着Ti和C含量的增加，合金密度降低，强度提升，且塑性未出现显著下降。合金的比屈服强度(SYS)从237.62 MPa·cm3·g–1显著提升至296.26 MPa·cm3·g–1。同时，腐蚀电位从–266 mV升高至–222 mV，腐蚀电流密度从1×10–1μA·cm–2降低至3.16×10–2μA·cm–2，有效提升了合金的耐腐蚀性。这主要归因于形成了更稳定、更具保护性的钝化膜，有效抑制了钝化膜的击穿。该发现为开发兼具高强度与优异耐腐蚀性的高性能HEAs结构材料提供了新思路。

该研究针对工业领域对轻质、高强度且耐蚀结构材料的迫切需求，聚焦于AlCoCrFeNi体系高熵合金(HEAs)的性能优化瓶颈。传统AlCoCrFeNi HEAs虽具良好铸造性和综合性能，但其密度较高，且在含Cl^–环境中因枝晶(DR)与枝晶间(ID)区成分偏析易引发微电偶腐蚀，限制其工程应用。现有研究表明，添加陶瓷相（如TiC）可提升强度与耐磨性，但关于TiC相对HEAs腐蚀行为的系统研究尚显不足，尤其是其对钝化膜稳定性的影响机制尚不明确。为此，研究人员通过真空电弧熔炼技术制备了(AlCoCrFeNi)_100–x(TiC)_x（x=0、2、4、6、8）系列合金，旨在利用Ti与C的协同效应，同步提升合金的比强度与耐腐蚀性，为开发新一代高性能结构材料提供理论与实验依据。该研究成果发表于《Journal of Materials Research and Technology》。

研究人员主要采用真空电弧熔炼法制备合金铸锭，并通过电磁搅拌确保成分均匀。关键技术方法包括：采用阿基米德原理测量合金密度；利用X射线衍射(XRD)分析物相组成；通过光学显微镜(OM)与扫描电子显微镜(SEM)结合能谱(EDS)表征微观结构与元素分布；采用透射电子显微镜(TEM)与选区电子衍射(SAED)解析精细结构；使用Instron万能试验机进行室温压缩性能测试；借助电化学工作站，通过动电位极化、电化学阻抗谱(EIS)及X射线光电子能谱(XPS)系统评价合金在3.5 wt% NaCl溶液中的腐蚀行为与钝化膜特性。

研究结果如下：

3.1 XRD分析显示，基体TiC0由BCC与B2相构成。随Ti、C添加，主衍射峰左移，晶格常数增大，源于Ti原子半径大引起的晶格畸变。TiC2至TiC8合金中，除BCC、B2外，析出σ相，其衍射峰强度随x增加而增强。由于Ti与C混合焓为负值(–109 kJ/mol)，反应生成原位TiC相，在x=8时XRD信号明显。

3.2 微观结构观察表明，TiC0为粗大等轴晶，内部存在DR与ID区。添加TiC后，合金呈现典型树枝晶形貌，且随含量增加晶粒细化。SEM-EDS分析证实，DR区富集Al、Ni；ID区复杂，包含多边形状TiC颗粒（尺寸约5 μm，富Ti、C）、条带状富Cr、Fe的σ相及立方体状纳米B2相。TEM进一步验证了DR区的调幅分解BCC+B2结构及ID区的σ相与B2相。

3.3 压缩性能测试结果表明，TiC添加显著提高了屈服强度，TiC8达到1886 MPa，较基体提升47%，而断裂应变仅从23.34%降至13.60%，未出现剧烈脆化。同时，合金密度从7.09 g·cm^–3降至6.37 g·cm^–3。比屈服强度(SYS)从180.60 MPa·cm³·g^–1增至296.26 MPa·cm³·g^–1，优于多数共晶高熵合金(EHEAs)与难熔高熵合金(RHEAs)。

3.4 电化学腐蚀研究显示，随TiC增加，腐蚀电位正移，腐蚀电流密度下降，点蚀电位升高，耐蚀性增强。EIS谱显示钝化膜阻抗增大，拟合电阻R₁从2.372×10⁴Ω cm²升至1.604×10⁵Ω cm²。XPS分析表明钝化膜由TiO₂、Al₂O₃、Cr₂O₃、Cr(OH)₃、FeO、Fe₂O₃、CoO、Co(OH)₂及NiOOH组成。腐蚀形貌显示，基体发生严重点蚀（孔径约6 μm），而含TiC合金点蚀孔径减小至2–4 μm，且优先发生于TiC颗粒周围。

讨论部分指出，腐蚀初期Cl^–吸附于钝化膜缺陷处，Al作为阳极优先溶解，与富Cr阴极区构成微电偶加速腐蚀。Ti的加入通过形成致密稳定的TiO₂钝化膜，有效抑制了膜层击穿与点缺陷迁移。尽管σ相通常损害耐蚀性，但原位TiC的形成及其诱导的微观结构异质性（如TiC与基体的电位差）抵消了这一负面影响，最终提升了整体耐蚀性。

结论部分总结：研究人员成功制备了原位TiC增强AlCoCrFeNi HEAs。(1) 基体为BCC+B2粗大等轴晶；添加TiC后形成BCC、B2、TiC及σ相，呈树枝晶结构，DR区为编织状BCC+B2，ID区为TiC、σ相与B2相混合。(2) TiC添加在仅小幅牺牲塑性的前提下，显著降低了密度并提升了强度，比屈服强度最高达296.26 MPa·cm³·g^–1。(3) TiC显著提升了耐蚀性，尤其抗点蚀能力。EIS与XPS证实钝化膜更稳定，归因于Ti形成的保护性TiO₂及微观结构异质性的协同作用。(4) (AlCoCrFeNi)₉₂(TiC)₈合金兼具优异的比强度与耐腐蚀性，在工业结构材料领域具有重要应用潜力。