马普所Dierk Raabe&北科大李晓刚：新型FeCoMnNiCu合金，超强抗腐蚀抗氢脆性能！

2025-01-24 15:55:50 作者：材料设计来源：材料设计分享至：

在城市废水环境下，对既能抗环境腐蚀又能抗氢脆的金属材料需求日益增长，这带来了巨大挑战。由于污水中存在微生物和酸引发的腐蚀，以及腐蚀过程中产生的游离氢会导致氢脆，因此很难同时实现优异的抗腐蚀和抗氢脆性能。这些复杂的受力情况要求材料能够承受这两种形式的性能退化。

【成果速览】

在此，马普所Dierk Raabe院士联合北京科技大学李晓刚教授、骆鸿教授、张达威教授等人设计了一种基于多主元概念设计的FeCoMnNiCu合金，表面能形成一层保护性钝化膜，对微生物和氧化酸引发的腐蚀均具有高抗性，且其表现出卓越的抗氢脆性能，氢脆指数约为4.01%。

之所以能实现这一点，是因为该合金的氢扩散系数极低，且通过降低层错能促进了氢致孪晶。这些特性使得该新型合金有望成为用于暴露在富含氢的腐蚀性城市污水环境中部件的理想材料。

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相关成果以「A high-entropy alloy for superior resistance to biogenic sulfuric acid corrosion and hydrogen embrittlement」为题刊登在Cell Press旗舰刊Matter上。

【创新点】

新型FeCoMnNiCu合金具有卓越的抗氢脆性能。
该合金形成稳定的钝化膜，增强了对微生物腐蚀和酸腐蚀的抗性。
低氢扩散率能降低氢脆现象，并提升机械完整性。
氢致纳米孪晶通过均匀氢分布来减轻氢脆。

【数据概况】

图1. 在氩气环境中850℃下，等原子比的FeCoMnNiCu高熵合金再结晶10min后的微观结构。

图2. 在25℃不同条件下，在、等原子比FeCoMnNiCu高熵合金上培养3天后的金黄色葡萄球菌和大肠杆菌图像，及其杀菌性能。

图3. 等原子比FeCoMnNiCu高熵合金在0.5M硫酸溶液中的电化学腐蚀行为及钝化膜表征。

图4. 断口附近的力学行为与微观变形结构。

图5. 充氢和未充氢高熵合金拉伸试验后的断口表面。

图6. 各种合金在氢条件下，总伸长率损失与极限强度损失的汇总。

【结论展望】

综上所述，等原子比的FeCoMnNiCu高熵合金对生物成因硫酸腐蚀和氢脆具有高抗性，主要原因如下：

1. 所形成具有面心立方（fcc）结构的单相固溶体，这使得氢的有效扩散系数（Deff）较低，且不存在因异相存在而引发的电偶腐蚀效应。该微观结构确保氢均匀分布，避免出现可能激活氢致解理断裂（HEDE）的局部氢浓度积聚，同时促进如氢增强塑性（HELP）和氢增强应力诱导空位（HESIV）等由塑性介导的机制。

2. 与现有的多种金属体系相比，在稀硫酸环境中，该合金能够在表面形成具有较低载流子密度的稳定钝化膜。这种稳定的钝化膜不仅能阻止氢原子的吸附或扩散，还能阻碍基体材料的进一步腐蚀。

3. 表面钝化膜中铜离子的存在增强了对微生物腐蚀的抗性。

4. 层错能（SFE）处于一个范围，氢会使其略有降低，从而促进纳米孪晶的形成和局部应变硬化，抑制裂纹扩展。此外，平面变形带和纳米孪晶通过实现局部塑性变形和细化晶粒结构，有助于防止氢脆。纳米孪晶可以通过阻碍携带氢的位错运动来缓解氢脆，实现更均匀的氢分布，从而抑制氢致解理断裂机制的激活。

总体而言，该工作设计并测试了一类金属合金，其不仅能抵抗微生物和稀硫酸引起的腐蚀，还对氢脆具有很强的抗性，而在微生物、稀硫酸和氢共存的恶劣城市污水环境中，氢脆往往伴随着腐蚀发生。这一发现有可能显著减少因金属腐蚀造成的经济损失，并提高暴露于此类或类似条件下结构的安全性。

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