中科院金屬所Corros. Sci.：通過消除貧鉻區增強鐵基非晶涂層的耐腐蝕性

【引言】

鐵基金屬玻璃作為涂層使用可以避免其延展性差等弊端，但是熱噴涂等方法制得的Fe基非晶涂層中會產生孔隙、氧化物和結晶相，導致涂層出現局部貧鉻區，是降低涂層耐腐蝕性的主要原因。目前通過優化噴涂參數仍不能完全避免孔隙和氧化物的產生，因此澄清Fe基非晶涂層中缺陷與防腐蝕性能之間的關系并找到有效的降低涂層缺陷的方法是提高其耐腐蝕性的關鍵所在。

【成果簡介】

最近，中國科學院金屬研究所王建強研究員（通訊作者）在Corrosion Science?上發表題為“Enhanced corrosion resistance in Fe-based amorphous coatings through eliminating Cr-depleted zones”的文章。研究團隊分別制備了四種Fe基非晶涂層：1. 噴涂得到的涂層（AS涂層）；2. 溶解處理得到的涂層（DT涂層）；3. 噴涂結合密封處理得到的涂層（AS-ST涂層）；4. 溶解結合密封的得到的涂層（DT-ST涂層）。利用電化學極化處理選擇性地溶解涂層中的貧鉻區。 結合動電位極化、恒電位極化和電化學阻抗譜考察了涂層在3.5% NaCl溶液中的腐蝕行為。結果表明，隨著貧鉻區的消除，Fe基非晶涂層的耐腐蝕性大大增強。

【圖文導讀】

圖1 Fe合金粉末，AS涂層和40分鐘DT涂層的XRD譜圖

Fe合金粉末是高度玻璃化的球形顆粒，原位噴涂和溶解處理得到的Fe基涂層都出現了結晶相，而溶解處理得到的Fe基涂層的晶體衍射峰較低表明結晶相的產生主要來源于熱噴涂工藝過程。

圖2 AS非晶涂層拋光表面的結構特征

(a)二次電子圖像；

(b)背散射圖像；

(c) 為(b)圖中矩形1區域放大圖；

(d) 為(b)圖中矩形2區域放大圖；

(e) (d)圖中矩形3區域放大圖及EDS線掃結果。

Fe基非晶涂層中的孔處于裂隙區域，且有兩種不同的結晶相態，在結晶區域是富含Cr的，也意味著這些結晶區的外圍可能是貧鉻的區域。

圖3 AS非晶涂層中主要元素分布

(a) B元素分布；

(b) Fe元素分布；

(c) Cr元素分布；

(d) 相同區域中Cr和Fe元素分布；

(e)Mo元素分布；

(f) Mn元素分布。

與沒有缺陷的區域相比，孔周圍的區域和裂隙區域是組成不均勻，這些區域主要是富含Mn和Fe元素而缺乏Cr元素。

圖4 3.5 wt.% NaCl 溶液中不同涂層的動電位極化曲線

Fe基非晶涂層中圖層缺陷周圍的貧鉻區易于發生局部腐蝕。

圖5 AS非晶涂層在電壓階躍極化中腐蝕演變的激光共聚焦顯微鏡圖像

(a) 在極化之前；

(b) 0.6 VSCE極化5分鐘；

(c) 1.0 VSCE極化5分鐘；

(d) 1.2 VSCE極化5分鐘；

(e) 1.2 VSCE極化20分鐘；

(f) 1.2 VSCE極化40分鐘。

Fe基非晶涂層中孔隙周圍的一些區域以及裂隙區域被溶解，而沒有孔隙或裂隙的區域幾乎保持完整。

圖6 0.6 VSCE 電壓下AS- ST涂層和40分鐘DT- ST涂層的恒電位極化曲線

與動電位極化結果相對應，40分鐘DT- ST涂層的電流密度比AS-ST涂層低。AS-ST涂層電流瞬態曲線呈現兩個線性部分，表明鈍化膜的生長是不均勻的，而40分鐘DT- ST涂層的鈍化膜是由擴散控制的。

圖7 AS- ST涂層和40分鐘DT- ST涂層的電化學阻抗行為

(a) AS- ST涂層的波特阻抗幅度曲線；

(b) AS- ST涂層的波特相角曲線；

(c) 40分鐘DT- ST涂層的波特阻抗幅度曲線；

(d) 40分鐘DT- ST涂層的波特相角曲線。

在任一暴露階段，40分鐘DT- ST涂層的整體阻抗都比AS- ST涂層要高，而且其電荷轉移過程中的第二個時間常數能夠在低頻范圍內觀測到，主要原因可能是溶解處理步驟清除了噴涂形成的氧化物層。

圖8 進行EIS數據擬合的等效電路模型

(a) AS- ST涂層和40分鐘DT- ST涂層0d EIS數據擬合的單時間常數模型；

(b) 40分鐘DT- ST涂層1-21d EIS數據擬合的雙時間常數模型；

(c) AS- ST涂層1-21d EIS數據擬合的三時間常數模型；

(d) 三時間常數等效電路模型的示意圖。

擬合結果表明，AS- ST涂層和40分鐘DT- ST涂層都展現出較好的耐腐蝕性能，并且40分鐘DT- ST涂層電荷轉移電阻和涂層電阻更高，表明40分鐘DT- ST涂層具有更好的耐腐蝕性能。

圖9 Fe基非晶涂層中溶解處理過程的示意圖

(a) 涂層中三種缺陷的示意圖；

(b) 腐蝕開始發生在貧鉻區；

(c) 選擇性地溶解貧鉻區；

(d) 環氧樹脂密封溶解后的區域。

圖10 動電位掃描中0.6 V_SCE條件下的鈍化電流密度和擊穿電壓

AS- ST涂層的鈍化電流密度比DT- ST涂層更高，而且DT- ST涂層隨著溶解電荷密度的增加，其鈍化電流密度和擊穿電壓分別線性下降和增加。可以看出，鈍化電流密度和擊穿電壓的變化可以歸因于Fe基非晶涂層中貧鉻區的溶解。

【小結】

該文章制備了四種Fe基非晶涂層并研究了它們的耐腐蝕性能，得到兩個方面的結論：1. 噴涂帶來的缺陷（如孔隙、層間區域和結晶相）會導致Fe基非晶涂層中出現局部貧鉻區，加速涂層的腐蝕。而1.2 V_SCE電壓極化能夠選擇性地溶解貧鉻區，貧鉻區消除后Fe基非晶涂層的耐腐蝕性能得到改善；2. DT-ST涂層與AS-ST涂層相比，顯示出更低的鈍化電流密度、更高的擊穿電位以及更穩定的鈍化膜。研究結果表明消除貧鉻區然后將這些區域進行密封是獲得耐腐蝕Fe基非晶涂層的重要方法。

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

本文由材料人編輯部新人組周天編輯，陳炳旭審核，點我加入材料人編輯部。

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