上海交通大学Materials Today：14 秒电流活化烧结实现高强耐磨耐腐蚀的均匀纳米晶中熵合金包层

1. 背景纳米晶金属因晶粒尺寸通常处于 10-50 nm 范围能够通过晶界强化获得接近甚至超过传统结构材料的高强度但长期应用受到两类关键瓶颈限制一是制备形态多局限于粉末、薄膜或微米级表层难以形成可承载的宏观体积二是高密度晶界带来较高界面能纳米晶在热暴露或塑性变形中容易长大从而削弱强度与服役可靠性。因此如何在毫米级尺度上获得致密、均匀、热稳定且可承受磨损和腐蚀环境的纳米晶金属覆层是推动纳米晶金属走向工程应用的核心问题。2. 论文概要本研究中上海交通大学王浩伟教授团队提出快速电流活化烧结 RECAS 策略将球磨得到的 CoCrNi 中熵合金纳米晶粉末置于基底表面在低电压、高电流和约 25 MPa 压力协同作用下通过局域焦耳热在约 14 s 内形成厚度超过 1 mm、长度 56 mm、宽度 8.2 mm 的致密纳米晶覆层。所得覆层平均晶粒约 37 nm并借助多主元固溶、中间隙氧稳定晶界以及快速非平衡烧结过程实现高达约 3 GPa 的屈服强度、约 40% 压缩塑性、1273 K 高温下的晶粒稳定性以及优异的耐磨、耐腐蚀和抗空蚀性能。这项工作的重要意义在于把纳米晶金属从“高强但难放大、难稳定”的材料形态推进到可作为厚覆层服务于工程表面的结构功能材料。3. 图文解读图 1 | RECAS 快速制备毫米级纳米晶 CoCrNi 覆层图 1 展示了 RECAS 的核心工艺逻辑电极轮、金属箔、纳米晶粉末和基底形成局域电流通路在压力和电流共同作用下发生焦耳热致密化并在约 14 s 内形成纳米晶覆层。截面图和宏观照片证明覆层厚度超过 1 mm尺寸达到 56 mm × 8.2 mm三维晶粒结构和 HRTEM 表明从球磨粉末到最终覆层材料仍保持均匀纳米晶结构和 fcc 晶体特征并可观察到堆垛层错等缺陷为后续强度与塑性提供结构基础。图 2 | 纳米晶粒在高同源温度下保持稳定图 2 对比了不同纳米晶金属在同源温度下的晶粒长大行为本文 CoCrNi 纳米晶覆层在接近 0.84Tm 的高温区间仍能维持约 37 nm 晶粒尺度显著优于多类传统纳米晶金属。原位高温 XRD 从室温升至 1273 K 后衍射峰仍保持稳定说明晶体结构和晶粒尺度未发生剧烈失稳作者将这一异常热稳定性归因于多主元合金的慢扩散特征以及均匀分布的中间隙氧对晶界迁移的溶质拖曳作用。图 3 | 高强度与塑性变形机制并存图 3 显示 NC CoCrNi 覆层微柱压缩屈服强度接近 3 GPa并可变形至约 40% 而未出现明显开裂说明其并非单纯“高强低塑”的纳米晶材料。与其他 fcc 纳米晶金属微柱相比该材料位于高强度区域HRTEM 进一步揭示塑性主要由部分位错主导并伴随 L-C 锁、纳米孪晶、hcp 层和 9R 相等结构演化。这说明多主元固溶强化、纳米晶晶界强化和丰富的位错/相变塑性机制共同支撑了高强-塑性组合。图 4 | 耐磨、耐腐蚀与抗空蚀性能验证工程服役潜力图 4 将 NC CoCrNi 覆层放入更接近实际表面防护的场景中检验硬度-磨损率图显示其磨损率显著低于铝合金基底并优于多种高熵合金覆层磨痕截面和变形层分析表明纳米晶结构可在摩擦过程中形成梯度变形层以耗散损伤。空蚀和腐蚀相关图谱进一步说明NC CoCrNi 覆层兼具较低材料损失速率和较好的耐腐蚀能力空蚀后仍可观察到位错、孪晶和堆垛层错等塑性调节结构体现其作为厚防护覆层的综合服役韧性。4. 总结展望这项研究的突破点在于把 RECAS 快速焦耳热致密化、多主元中熵合金设计和中间隙氧晶界稳定策略结合起来解决了纳米晶金属长期存在的尺寸受限、热稳定性不足和服役可靠性不足等问题使毫米级厚覆层同时具备高强度、高温晶粒稳定性和耐磨/耐腐蚀/抗空蚀能力。后续若要进一步走向工程应用还需要系统评估更大面积和复杂曲面覆层的一致性、界面残余应力、疲劳寿命、多种基体材料兼容性以及 RECAS 工艺窗口对成分体系的普适性但从材料制备范式看该工作已经为纳米晶金属从实验室结构样品走向可用表面工程材料提供了清晰路径。参考论文Dechao Zhao et al., Rapid electrical-current-activated sintering achieves robust cladding with uniform nanocrystalline grains, Materials Today, 85 (2025) 17-26.