中科院金属所Corros. Sci.：通过消除贫铬区增强铁基非晶涂层的耐腐蚀性

编辑部实习生 6年前 (2018-03-25) 4789浏览

【引言】

铁基金属玻璃作为涂层使用可以避免其延展性差等弊端，但是热喷涂等方法制得的Fe基非晶涂层中会产生孔隙、氧化物和结晶相，导致涂层出现局部贫铬区，是降低涂层耐腐蚀性的主要原因。目前通过优化喷涂参数仍不能完全避免孔隙和氧化物的产生，因此澄清Fe基非晶涂层中缺陷与防腐蚀性能之间的关系并找到有效的降低涂层缺陷的方法是提高其耐腐蚀性的关键所在。

【成果简介】

最近，中国科学院金属研究所王建强研究员（通讯作者）在Corrosion Science 上发表题为“Enhanced corrosion resistance in Fe-based amorphous coatings through eliminating Cr-depleted zones”的文章。研究团队分别制备了四种Fe基非晶涂层：1. 喷涂得到的涂层（AS涂层）；2. 溶解处理得到的涂层（DT涂层）；3. 喷涂结合密封处理得到的涂层（AS-ST涂层）；4. 溶解结合密封的得到的涂层（DT-ST涂层）。利用电化学极化处理选择性地溶解涂层中的贫铬区。 结合动电位极化、恒电位极化和电化学阻抗谱考察了涂层在3.5% NaCl溶液中的腐蚀行为。结果表明，随着贫铬区的消除，Fe基非晶涂层的耐腐蚀性大大增强。

【图文导读】

图1 Fe合金粉末，AS涂层和40分钟DT涂层的XRD谱图

Fe合金粉末是高度玻璃化的球形颗粒，原位喷涂和溶解处理得到的Fe基涂层都出现了结晶相，而溶解处理得到的Fe基涂层的晶体衍射峰较低表明结晶相的产生主要来源于热喷涂工艺过程。

图2 AS非晶涂层抛光表面的结构特征

(a)二次电子图像；

(b)背散射图像；

(c) 为(b)图中矩形1区域放大图；

(d) 为(b)图中矩形2区域放大图；

(e) (d)图中矩形3区域放大图及EDS线扫结果。

Fe基非晶涂层中的孔处于裂隙区域，且有两种不同的结晶相态，在结晶区域是富含Cr的，也意味着这些结晶区的外围可能是贫铬的区域。

图3 AS非晶涂层中主要元素分布

(a) B元素分布；

(b) Fe元素分布；

(c) Cr元素分布；

(d) 相同区域中Cr和Fe元素分布；

(e)Mo元素分布；

(f) Mn元素分布。

与没有缺陷的区域相比，孔周围的区域和裂隙区域是组成不均匀，这些区域主要是富含Mn和Fe元素而缺乏Cr元素。

图4 3.5 wt.% NaCl 溶液中不同涂层的动电位极化曲线

Fe基非晶涂层中图层缺陷周围的贫铬区易于发生局部腐蚀。

图5 AS非晶涂层在电压阶跃极化中腐蚀演变的激光共聚焦显微镜图像

(a) 在极化之前；

(b) 0.6 VSCE极化5分钟；

(c) 1.0 VSCE极化5分钟；

(d) 1.2 VSCE极化5分钟；

(e) 1.2 VSCE极化20分钟；

(f) 1.2 VSCE极化40分钟。

Fe基非晶涂层中孔隙周围的一些区域以及裂隙区域被溶解，而没有孔隙或裂隙的区域几乎保持完整。

图6 0.6 VSCE 电压下AS- ST涂层和40分钟DT- ST涂层的恒电位极化曲线

与动电位极化结果相对应，40分钟DT- ST涂层的电流密度比AS-ST涂层低。AS-ST涂层电流瞬态曲线呈现两个线性部分，表明钝化膜的生长是不均匀的，而40分钟DT- ST涂层的钝化膜是由扩散控制的。

图7 AS- ST涂层和40分钟DT- ST涂层的电化学阻抗行为

(a) AS- ST涂层的波特阻抗幅度曲线；

(b) AS- ST涂层的波特相角曲线；

(c) 40分钟DT- ST涂层的波特阻抗幅度曲线；

(d) 40分钟DT- ST涂层的波特相角曲线。

在任一暴露阶段，40分钟DT- ST涂层的整体阻抗都比AS- ST涂层要高，而且其电荷转移过程中的第二个时间常数能够在低频范围内观测到，主要原因可能是溶解处理步骤清除了喷涂形成的氧化物层。

图8 进行EIS数据拟合的等效电路模型

(a) AS- ST涂层和40分钟DT- ST涂层0d EIS数据拟合的单时间常数模型；

(b) 40分钟DT- ST涂层1-21d EIS数据拟合的双时间常数模型；

(c) AS- ST涂层1-21d EIS数据拟合的三时间常数模型；

(d) 三时间常数等效电路模型的示意图。

拟合结果表明，AS- ST涂层和40分钟DT- ST涂层都展现出较好的耐腐蚀性能，并且40分钟DT- ST涂层电荷转移电阻和涂层电阻更高，表明40分钟DT- ST涂层具有更好的耐腐蚀性能。

图9 Fe基非晶涂层中溶解处理过程的示意图

(a) 涂层中三种缺陷的示意图；

(b) 腐蚀开始发生在贫铬区；

(c) 选择性地溶解贫铬区；

(d) 环氧树脂密封溶解后的区域。

图10 动电位扫描中0.6 VSCE条件下的钝化电流密度和击穿电压

AS- ST涂层的钝化电流密度比DT- ST涂层更高，而且DT- ST涂层随着溶解电荷密度的增加，其钝化电流密度和击穿电压分别线性下降和增加。可以看出，钝化电流密度和击穿电压的变化可以归因于Fe基非晶涂层中贫铬区的溶解。

【小结】

该文章制备了四种Fe基非晶涂层并研究了它们的耐腐蚀性能，得到两个方面的结论：1. 喷涂带来的缺陷（如孔隙、层间区域和结晶相）会导致Fe基非晶涂层中出现局部贫铬区，加速涂层的腐蚀。而1.2 VSCE电压极化能够选择性地溶解贫铬区，贫铬区消除后Fe基非晶涂层的耐腐蚀性能得到改善；2. DT-ST涂层与AS-ST涂层相比，显示出更低的钝化电流密度、更高的击穿电位以及更稳定的钝化膜。研究结果表明消除贫铬区然后将这些区域进行密封是获得耐腐蚀Fe基非晶涂层的重要方法。

文献链接：Enhanced corrosion resistance in Fe-based amorphous coatings through eliminating Cr-depleted zones（Corros. Sci. 2018, DOI: 10.1016/j.corsci.2018.03.005）

本文由材料人编辑部新人组周天编辑，陈炳旭审核，点我加入材料人编辑部。

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