成果速覽

在此，馬普所Dierk Raabe院士聯合北京科技大學李曉剛教授、駱鴻教授、張達威教授等人設計了一種基于多主元概念設計的FeCoMnNiCu合金，表面能形成一層保護性鈍化膜，對微生物和氧化酸引發的腐蝕均具有高抗性，且其表現出卓越的抗氫脆性能，氫脆指數約為4.01%。

之所以能實現這一點，是因為該合金的氫擴散系數極低，且通過降低層錯能促進了氫致孿晶。這些特性使得該新型合金有望成為用于暴露在富含氫的腐蝕性城市污水環境中部件的理想材料。

相關成果以「A high-entropy alloy for superior resistance to biogenic sulfuric acid corrosion and hydrogen embrittlement」為題刊登在Cell Press旗艦刊Matter上。

創新點

數據概況

圖1. 在氬氣環境中850℃下，等原子比的FeCoMnNiCu高熵合金再結晶10min后的微觀結構。

圖2. 在25℃不同條件下，在等原子比FeCoMnNiCu高熵合金上培養3天后的金黃色葡萄球菌和大腸桿菌圖像，及其殺菌性能。

圖3. 等原子比FeCoMnNiCu高熵合金在0.5M硫酸溶液中的電化學腐蝕行為及鈍化膜表征。

圖4. 斷口附近的力學行為與微觀變形結構。

圖5. 充氫和未充氫高熵合金拉伸試驗后的斷口表面。

圖6. 各種合金在氫條件下，總伸長率損失與極限強度損失的匯總。

結論展望

綜上所述，等原子比的FeCoMnNiCu高熵合金對生物成因硫酸腐蝕和氫脆具有高抗性，主要原因如下：

1. 所形成具有面心立方（fcc）結構的單相固溶體，這使得氫的有效擴散系數（Deff）較低，且不存在因異相存在而引發的電偶腐蝕效應。該微觀結構確保氫均勻分布，避免出現可能激活氫致解理斷裂（HEDE）的局部氫濃度積聚，同時促進如氫增強塑性（HELP）和氫增強應力誘導空位（HESIV）等由塑性介導的機制。

2. 與現有的多種金屬體系相比，在稀硫酸環境中，該合金能夠在表面形成具有較低載流子密度的穩定鈍化膜。這種穩定的鈍化膜不僅能阻止氫原子的吸附或擴散，還能阻礙基體材料的進一步腐蝕。

3. 表面鈍化膜中銅離子的存在增強了對微生物腐蝕的抗性。

4. 層錯能（SFE）處于一個范圍，氫會使其略有降低，從而促進納米孿晶的形成和局部應變硬化，抑制裂紋擴展。此外，平面變形帶和納米孿晶通過實現局部塑性變形和細化晶粒結構，有助于防止氫脆。納米孿晶可以通過阻礙攜帶氫的位錯運動來緩解氫脆，實現更均勻的氫分布，從而抑制氫致解理斷裂機制的激活。

總體而言，該工作設計并測試了一類金屬合金，其不僅能抵抗微生物和稀硫酸引起的腐蝕，還對氫脆具有很強的抗性，而在微生物、稀硫酸和氫共存的惡劣城市污水環境中，氫脆往往伴隨著腐蝕發生。這一發現有可能顯著減少因金屬腐蝕造成的經濟損失，并提高暴露于此類或類似條件下結構的安全性。