Verfolgung elementspezifischer Auflösung während Lochkorrosion: eine operando ICP‑AES–elektrochemische Studie der CoCrFeMnNi‑Cantor‑Legierung

Warum winzige Rostflecken wichtig sind

Von Brücken und Schiffen bis zu Chemieanlagen und künftigen Energiesystemen hängen viele kritische Konstruktionen von Metallen ab, die in rauen, salzigen und sauren Umgebungen bestehen müssen. Manchmal versagen diese Metalle nicht durch gleichmäßiges, langsames Rosten überall, sondern durch das Entstehen winziger, verborgener Hohlräume – sogenannter Löcher –, die plötzlich wachsen und Risse verursachen können. Diese Studie konzentriert sich darauf, zu verstehen, wie solche Löcher auf einer vielversprechenden neuen Familie starker, korrosionsbeständiger Metalle, den Hochentropie‑Legierungen, entstehen, wachsen und sich wieder reparieren. Dazu wurde eine speziell angepasste Messanordnung verwendet, die in Echtzeit beobachten kann, welche Bestandteile des Metalls in die Flüssigkeit übergehen.

Eine neue Art komplexer Metalllegierung

Hochentropie‑Legierungen sind metallische „Cocktails“, die mehrere Elemente in annähernd gleichen Anteilen mischen, statt sich auf eine Hauptkomponente wie Eisen im Stahl zu stützen. Die CoCrFeMnNi‑„Cantor‑Legierung“ ist eines der bekanntesten Beispiele. Sie ist stark, zäh und bildet eine schützende Oberflächenschicht, die sie normalerweise vor Angriffen bewahrt. Dennoch kann diese Legierung unter realen Einsatzbedingungen – etwa in marinen oder chemischen Umgebungen mit vielen Chloridionen aus Salzen – lokal korrodieren. Zu wissen, wie sich genau jedes der fünf Elemente (Kobalt, Chrom, Eisen, Mangan und Nickel) verhält, wenn ein Loch entsteht, ist entscheidend, um noch bessere, langlebigere Werkstoffe zu entwickeln.

Ein Mikroskop für auflösende Metalle

Traditionelle Korrosionsversuche können anzeigen, wie viel Strom fließt, wenn ein Metall korrodiert, aber nicht, welches Element in jedem Moment die Oberfläche verlässt. Die Forschenden überwanden diese Begrenzung, indem sie zwei leistungsfähige Techniken zu einer operando‑Plattform kombinierten. Erstens verwendeten sie eine winzige Kapillare, um Chloridionen auf einen sehr kleinen Bereich der Legierung zu injizieren, während die Spannung konstant gehalten wurde, so dass das Lochbildung kontrolliert und nicht zufällig über die Oberfläche ausgelöst wurde. Zweitens leiteten sie die umgebende saure Lösung so vorbei am Metall, dass sie direkt in ein analytisches Gerät gelangte – ein ICP‑AES –, das gelöste Metalle in Spurenmengen mit hoher Sensitivität nachweisen kann. Durch die Umwandlung dieser Signale in zeitaufgelöste Auflösungsraten konnten sie verfolgen, wie schnell jedes Element während des gesamten Lebenszyklus eines Lochs die Legierung verließ.

Die Lebensgeschichte eines Lochs verfolgen

Mit dieser Anordnung identifizierte das Team vier klare Stadien im Lebenszyklus des Lochs: Inkubation, Initiation, Ausbreitung und Repassivierung. Während der Inkubation passiert wenig – die Schutzschicht bleibt intakt, während sich lokal Chlorid anreichert. Bei der Initiation zeigen ein kurzer Strom‑ und Auflösungsausbruch, dass die Schicht bricht und ein oder mehrere Löcher plötzlich erscheinen. Während der Ausbreitung flacht der Strom auf einen quasi‑stationären Wert ab, während die Höhlung tiefer wird. Schließlich, in der Repassivierungsphase, fällt der Strom nach Stopp der Chloridzufuhr langsam ab, wenn das Loch und die Umgebung versuchen, ihre Schutzschicht wieder aufzubauen, obwohl eingeschlossenes Chlorid in den Hohlräumen die vollständige Heilung verzögert.

Jeder Bestandteil spielt eine andere Rolle

Da die Legierung fünf Elemente in annähernd gleichen Anteilen enthält, könnte man erwarten, dass sie während des gesamten Lochereignisses im gleichen Tempo aufgelöst werden. Stattdessen zeigten die Messungen subtile, aber wichtige Unterschiede. Kobalt und Eisen trugen bei der Initiation etwas stärker zur Auflösung bei, was darauf hindeutet, dass sie beim ersten Bruch der Schutzschicht bevorzugt entfernt werden. Chrom dagegen löste sich während des aktiven Lochwachstums weniger als die anderen Elemente und reicherte sich daher tendenziell in der Oberflächenschicht an. Während der Repassivierung wurde das Auflösungssignal von Chrom vergleichsweise stärker, was mit seiner zentralen Rolle beim Aufbau und Wiederaufbau der schützenden, Chrom‑reichen Oxidschicht übereinstimmt, die die Legierung vor weiterem Angriff schützt. Gleichzeitig war die insgesamt während der Heilung verbrauchte elektrische Ladung deutlich größer als für eine einfache, kompakte Schicht erwartet, was auf einen langsamen, wiederholten Zyklus von Oxidbildung und teilweiser Auflösung im Inneren des Lochs hinweist.

Was das für sicherere Bauwerke bedeutet

Für Nichtfachleute ist die Hauptbotschaft, dass das Versagen eines Metalls oft von einem empfindlichen, zeitabhängigen Kräftemessen zwischen seinen Bestandteilen und der Umgebung abhängt. Diese Arbeit zeigt, dass selbst innerhalb eines einzigen winzigen Lochs verschiedene Elemente nacheinander die Führungsrolle übernehmen: einige gehen zuerst, andere helfen beim Wiederaufbau des Schutzes. Indem die Methode direkt zeigt, welche Atome sich wann auflösen, liefert sie Ingenieuren eine detailliertere Rezeptur zur Gestaltung von Hochentropie‑Legierungen, die weniger anfällig für gefährliche Lochkorrosion sind. Außerdem liefert sie reichhaltige, quantitative Daten, die Computer‑Modelle und maschinelle Lernverfahren zur Vorhersage von Korrosionsverhalten speisen können und so langfristig helfen, sicherere und langlebigere Infrastrukturen und Geräte zu bauen.

Zitation: Hou, Y., Gharbi, O., Xie, C. et al. Tracking element-specific dissolution during pitting corrosion: an operando ICP-AES–electrochemical study of the CoCrFeMnNi Cantor alloy. npj Mater Degrad 10, 33 (2026). https://doi.org/10.1038/s41529-026-00747-2

Schlüsselwörter: Lochkorrosion, Hochentropie‑Legierungen, lokalisierte Auflösung, Chrom‑Passivierung, operando ICP‑AES