钛及钛合金多弧离子镀涂层的腐蚀性能(2)

表1 多弧离子镀工艺参数Table 1 Process parameters of multi-arc ion platingCathode targetBase bias/VArc spot current/AVacuum/PaGas pressure/PaTemperature/℃Time/h Ta-10W?1258×10?34×102(Ar)250?3502

利用动电位扫描法及交流阻抗法获得极化曲线及电化学阻抗谱以分析基体及涂层试样的腐蚀特性，所采用的装置为瑞士万通MUL TI AUTOLAB M204型电化学工作站。电化学腐蚀试验采用如图1所示三电极系统，分别以无涂层的基体试样、涂覆Ta-10W涂层的试样为工作电极，饱和甘汞电极(SCE)为参比电极，铂电极为辅助电极[22?23]。采用动电位扫描法测量极化曲线，扫描速率为2 mV/s，为测得强极化的塔菲尔区间，扫描区间设定为?0.6~+0.4 V。得到极化曲线后，在塔菲尔区间以塔菲尔直线外推法计算腐蚀电流密度[21?24]。腐蚀介质为蒸馏水配制的林格溶液与模拟海水溶液，其组分如表2所列[25]。

图1 电化学腐蚀三电极系统示意图Fig.1 Schematic diagram of electrochemical corrosion three-electrode system

表2 腐蚀介质组成Table 2 Composition of corrosive medium g/LComponentNaClMgCl2KClGaCl2MgSO4NaHCO3 Ringer solution9—0.120.24—— Simulated seawater —

采用Quanta 200扫描电子显微镜观测涂层表面及截面形貌。采用日本Rigaku 2550型X射线衍射仪进行物相分析，入射Ｘ射线为单色光Cu的Kα射线，扫描速度为8 (°)/min，扫描角度范围为5°~80°，使用MDI JADE6.0软件对所得XRD图谱进行分析。

2 Ta-10W涂层的表面形貌与相组成

通过多弧离子镀技术在CP-Ti及TC4基体上制备了连续均匀的Ta-10W涂层，其在扫描电镜下的形貌如图2所示。沉积Ta-10W涂层的试样表面致密、连续、均匀，无明显裂纹、孔洞、起皮、剥落等缺陷。在Ta-10W涂层轻微起伏的表面观察到细小的颗粒及凹坑的出现，通过EDS元素分析可知此处Ta:W元素比约为9:1，基本与靶材Ta-10W的成分组成吻合，所以推测这些颗粒及凹坑是在离子溅射过程中由温度过高靶材熔化的熔滴附着或剥落所形成。在多弧离子镀的腔室中，溅射的离子会对样品的位置产生扰动，使样品偏离固定的位置，因此产生了多弧离子镀所特有的起伏形貌。Ta-10W涂层的截面形貌如图3所示，可以看到涂层整体厚度均匀，其在CP-Ti、TC4基体上的平均厚度分别为9.55 μm、8.97 μm，均在8~10 μm之间。通过XRD对不同基体的Ta-10W涂层试样进行定性的物相分析(如图4)，在2θ为39°、56°、79°的位置分别观察到了取向为(110)、(200)、(211)晶面的衍射峰，但并无W峰出现，说明在CP-Ti及TC4基体上制备的Ta-10W涂层为理想的体心立方α-Ta相，W元素固溶于α-Ta的晶格中[26]。

图2 Ta-10W涂层表面SEM形貌Fig.2 Surface SEM morphologies of Ta-10W coatings

图3 Ta-10W涂层截面SEM形貌Fig.3 Cross-section SEM images of Ta-10W coating

图4 Ta-10W涂层相组成XRD谱Fig.4 XRD patterns of Ta-10W coatings

3 Ta-10W涂层的电化学腐蚀性能

3.1 动电位极化

图5为以CP-Ti及TC4为基体，涂覆及未涂覆Ta-10W涂层试样在林格溶液及模拟海水溶液中的动电位极化曲线。在腐蚀电位附近的强极化区，由塔菲尔直线外推法计算所得各试样的腐蚀电位(Ecorr)和腐蚀电流密度(Icorr)如表3所列。图5中所有试样的极化曲线均表现出相似的趋势，都分为左右两个阴极还原和阳极氧化的分支，并在腐蚀电位右侧的阳极溶解过后进入一个稳定的钝化区间。腐蚀电位反应了电极的腐蚀倾向，由表3可以看出涂覆Ta-10W涂层后，两种基体的腐蚀电位均有不同程度的正向偏移，表明基体的腐蚀倾向下降。随电位正移，电极表面先经过一定的阳极溶解，随后进入钝化区溶解?钝化维持动态平衡，此时腐蚀电流密度维持在一定值内且有小幅波动，并可以看到在此区域Ta-10W涂层的腐蚀电流密度均不同程度地低于基体。在林格溶液中，图5(a)所示的CP-Ti基试样，在涂层试样的阳极分支曲线区域出现了代表点蚀发生的一系列小幅度的波动，但相较于CP-Ti基体阳极分支曲线出现的代表过钝化倾向的跃迁现象，涂层表面仍相对较稳定。同样地，在图5(b)中，TC4基体试样的极化曲线中也观察到了阳极分支曲线的跃迁，表明其具有相同的过钝化倾向，即金属表面不再维持溶解?钝化平衡进而发生了大幅的溶解，这种现象表明Ta-10W涂层在林格溶液中的耐蚀性、稳定性均优于两种基体。在模拟海水溶液中，Ta-10W对TC4基体的改性不如对CP-Ti基体的明显，甚至在图5(d)中电位为0~0.4 V的范围中电流密度有所升高，表明在此阶段涂层对TC4起到的表面改性作用并不理想，但其产生原因有待进一步研究。关于金属在腐蚀液中的钝化现象，比较成熟的理论是成相膜理论与吸附理论。成相膜理论是指金属与腐蚀介质作用形成一层极薄(1~10 nm)、致密的固态产物独立相，一般可由XRD、SEM检测出[24]。本文所得电化学腐蚀试样基本组成相仍为α-Ta相，并未检测出与基体及涂层不同的新相。吸附理论是指金属最外侧原子即Ti、Ta原子在吸附了氧原子之后，其化学结合力饱和且由氧偶极子形成的双电层使其离化能力降低，从而使金属溶解速率降低，故本文中的金属Ti、TC4及涂层Ta-10W的钝化现象可以用吸附理论解释[24]。

文章来源：《中国表面工程》 网址: http://www.zgbmgc.cn/qikandaodu/2021/0223/460.html