高熵合金(HEAs)凭借独特的原子排列方式以及卓越的综合性能，打破了传统合金的设计理念，开辟了金属材料研究的新方向。尤其在耐蚀、耐磨及多功能一体化方面展现出巨大潜力。本文在具有良好相稳定性与力学性能的CoCrFeNi基高熵合金基础上，采用真空电弧熔炼工艺，制备了CoCrFeNiCu_x (x=0, 0.2, 0.5)高熵合金及CoCrFeNiCu_0.5Ti_y (y=0, 0.25, 0.5, 0.75, 1.0)高熵合金。本文重点探究了Cu及Ti含量对CoCrFeNiCu_0.5Ti_y高熵合金的微观组织、耐蚀性能及抗菌性能的影响规律及机制。建立了合金成分-微观组织-耐蚀/耐磨/抗菌性能间的内在联系。为CoCrFeNi基高熵合金的成分设计、微观结构调控、耐蚀性能及抗菌性能的优化提供了理论和实验依据。

对于未添加Cu的CoCrFeNi合金，尽管(111)晶面显示出最高的峰强度，但未观察到明显的择优取向。对于CoCrFeNiCu_0.2合金和CoCrFeNiCu_0.5合金，(111)晶面衍射峰的强度明显减弱，(100)晶面成为主导晶面，从而导致择优取向。CoCrFeNi合金和CoCrFeNiCu_0.2合金均由单一的FCC相组成。对于CoCrFeNiCu_0.5合金，Cu原子倾向于偏析到枝晶间区域。同时在枝晶区和枝晶间区均可观察到析出物。CoCrFeNiCu_x高熵合金在3.5 wt% NaCl溶液中的耐蚀性能随Cu含量的增加而降低，这是由于Cu原子添加引起的晶格畸变，以及取向变化导致表面能增加，腐蚀性介质更易附着在在合金表面。并且钝化膜中CuO含量的增加，会加剧Cl^-的侵蚀作用。CoCrFeNiCu_0.2合金和CoCrFeNiCu_0.5合金的抗菌率可分别提高到99.57%和99.99%，远高于未添加Cu的CoCrFeNi合金的51.60%的抗菌率。

随后，在CoCrFeNiCu_x高熵合金基础上添加Ti，探究添加Ti对CoCrFeNiCu_0.5Ti_y (y=0, 0.25, 0.5, 0.75, 1.0)高熵合金微观组织与磨损性能的影响。结果表明CoCrFeNiCu_0.5合金为FCC结构，添加少量Ti (y=0.25)后， CoCrFeNiCu_0.5Ti_0.25合金中出现Co₃Ti结构的有序L1₂相＋富Cu相。当Ti含量提升至y≥0.5时，合金中进一步析出Ni₃Ti、(Fe, Co)₂Ti和TiN等多种强化相。在CoCrFeNiCu_0.5Ti_0.75合金及CoCrFeNiCu_0.5Ti₁合金中，出现大颗粒或连续分布的Cu相。合金最终变成由HCP、L1₂、Laves及FCC结构组成的多相复合结构。随着Ti含量增加，合金中原有的{100}织构强度呈现先增强后减弱，最终趋于随机取向的变化趋势。由于Ni₃Ti、(Fe, Co)₂Ti及TiN等硬质相的相继形成与增多，合金的硬度、耐磨性及抗压强度均随Ti含量上升而逐步提升。因此，添加Ti可以提升合金的力学性能。

最后，探究Ti含量对CoCrFeNiCu_0.5Ti_y (y=0, 0.25, 0.5, 0.75, 1.0)高熵合金在3.5 wt% NaCl溶液中的耐蚀性能以及抗菌性能的影响。结果表明，高熵合金的耐蚀性能随着Ti含量增加先增强后减弱。耐腐蚀性的初始提升归因于Ti添加促进了钝化膜中致密性保护性TiO₂的生成；而后续下降则是由较高Ti含量下钝化膜中CuO含量增加导致的，且析出相与基体间形成的电偶腐蚀效应也降低了合金的耐蚀性能。当钝化元素Ti含量过高时，高熵合金中其他元素易发生偏析，导致高熵合金钝化膜变得疏松。同时，合金的抗菌性能随Ti含量增加先减弱后增强。在低Ti含量下，抗菌性降低是由Cu元素由晶界偏聚状态转变为在基体中均匀分布，且钝化膜中释放Cu离子的CuO含量变少所致。而在高Ti含量下，合金中形成离散的纯Cu相，且钝化膜中CuO含量增加，协同提高了Cu²⁺的释放能力，从而恢复了高熵合金的抗菌性能。基于上述性能演变规律，CoCrFeNiCu_0.5Ti_0.5合金展现出最优的综合性能：其腐蚀电流密度为7.369×10^-6 A·cm^-2，屈服强度高达1058 MPa，磨损率为0.94%，抗菌率高达94.51%。该合金在力学、耐磨、耐蚀与抗菌性能之间实现了良好平衡。

本论文研究结果不仅为CoCrFeNi基高熵合金的成分设计与性能优化提供了系统的理论依据和实验支撑，也为开发面向海洋工程、生物医学等领域的新型先进高性能合金材料提供了重要的理论参考。

第1章 绪论... 1

1.1 选题背景... 1

1.2 高熵合金的定义及核心效应... 2

1.2.1 高熵合金的定义... 2

1.2.2 高熵合金的核心效应... 3

1.3 高熵合金磨损及腐蚀行为... 4

1.3.1 磨损行为... 4

1.3.2 在3.5wt%NaCl溶液中腐蚀行为的研究进展... 8

1.3.3 微生物腐蚀的研究进展... 11

1.4 论文研究思路... 13

1.4.1 选题目的及意义... 13

1.4.2 研究内容... 14

第2章 实验材料及研究方法... 16

2.1 实验材料及样品制备... 16

2.2 实验药品及设备... 16

2.3 组织分析... 18

2.3.1 金相显微镜... 18

2.3.2 X射线衍射仪... 18

2.3.3 扫描电子显微镜... 18

2.3.4 背散射电子衍射... 18

2.3.5 透射电子显微镜... 18

2.4 耐蚀性能测试... 19

2.4.1 电化学测试... 19

2.4.2 盐雾实验... 19

2.4.3 微生物腐蚀实验... 19

2.5 力学性能测试... 20

2.5.1 硬度测试... 20

2.5.2 磨损性能测试... 20

2.5.3 压缩性能测试... 21

第3章 CoCrFeNiCu_x高熵合金的微观组织、耐蚀及抗菌性能... 22

3.1 引言... 22

3.2 CoCrFeNiCu_x高熵合金的组织分析... 22

3.3 CoCrFeNiCu_x高熵合金的耐蚀性能... 28

3.3.1 钝化膜分析... 28

3.3.2 电化学行为... 31

3.4 CoCrFeNiCu_x高熵合金的抗菌性能... 33

3.5 本章小结... 35

第4章 CoCrFeNiCu_0.5Ti_y高熵合金的微观组织及力学性能... 37

4.1 引言... 37

4.2 CoCrFeNiCu_0.5Ti_y高熵合金的微观组织... 37

4.2.1 相组成、偏析行为及取向分析... 37

4.2.2 微观结构分析... 41

4.3 CoCrFeNiCu_0.5Ti_y高熵合金的力学性能... 43

4.3.1 硬度... 43

4.3.2 耐磨性能... 44

4.3.3 压缩性能... 45

4.4 本章小结... 47

第5章 CoCrFeNiCu_0.5Ti_y高熵合金的耐蚀及抗菌性能... 48

5.1 引言... 48

5.2 CoCrFeNiCu_0.5Ti_y高熵合金的耐蚀性能... 48

5.2.1 钝化膜分析... 48

5.2.2 电化学行为... 51

5.3 CoCrFeNiCu_0.5Ti_y高熵合金的抗菌性能... 53

5.4 本章小结... 56

第6章 结论与展望... 57

6.1 结论... 57

6.2 展望... 58

参考文献... 59

致谢... 70

作者简历及攻读学位期间发表的学术论文与其他相关学术成果 72