钛及钛合金多弧离子镀涂层的腐蚀性能(7)

图5 (a)CP-Ti基试样和(b)TC4基试样在林格溶液及(c)CP-Ti基试样和(d) TC4基试样在模拟海水溶液中的极化曲线Fig.5 Polarization curves of CP-Ti-based (a) and TC4-based (b) in Ringer solution and CP-Ti-based (c) and TC4-based (d) in simulated seawater solution

由表3中的腐蚀性能参数对试样的腐蚀行为进行定量分析，发现相较于两种基体，Ta-10W涂层的腐蚀电位在不同溶液环境中均有增大现象，如在林格溶液中，CP-Ti基体在涂覆Ta-10W涂层后腐蚀电位由?0.408 V上升为?0.277 V，TC4由基体的?0.335 V上升为?0.329 V，与在图5中观察到的信息一致，表明Ta-10W涂层减缓了CP-Ti与TC4基体的腐蚀倾向。相较于TC4基体，Ta-10W涂层对CP-Ti基体的改性更为明显。在林格溶液中，Ta-10W涂层的腐蚀电流密度从CP-Ti基体的18.979×10?9A/cm2下降到2.648× 10?9A/cm2，在模拟海水溶液中则由11.760×10?9A/cm2下降到2.548×10?9A/cm2，均使CP-Ti的腐蚀电流密度下降了一个数量级，与较耐蚀的TC4相当。同时，Ta-10W涂层使TC4的腐蚀电流密度大幅下降，在模拟海水溶液中由10.277×10?9A/cm2下降至8.484× 10?9A/cm2，减缓了其表面金属离子的溶解速率，这对于改善在与林格溶液相似的体液环境中TC4的生物相容性有重大意义。综上，Ta-10W涂层可整体优化CP-Ti和TC4基体在林格溶液及模拟海水溶液环境中的耐腐蚀性能，使得两种基体在不同环境下都能保持良好的表面稳定性，对于其在生物及海洋领域的应用有指导意义。

表3 由极化曲线导出的Ta-10W涂层及基体的电化学腐蚀参数Table 3 Electrochemical derived from the polarization curves of the Ta-10W coating and substratesSamplesCP-TiTi/Ta-10WTC4TC4/Ta-10W Ringer solutionEcorr/V?0.408?0.277?0.335?0.329 Jcorr/(10?9 A·cm?2) Simulated seawater solutionEcorr/V?0.286?0.241?0.286?0.203 Jcorr/(10?9 A·cm?2)11.7602..2778.484

3.2 电化学阻抗谱

电化学阻抗谱是一种被广泛应用于探究涂层在水溶液环境中的电化学腐蚀行为的强有力手段，其测量原理是给电化学系统施加一个频率不同的小振幅交流正弦电势波，测量交流电势与电流信号的比值随正弦波频率f的变化及阻抗相位角θ随f的变化[11?15, 27?28]。为进一步表征涂层的腐蚀性能与机理，对CP-Ti基体、TC4基体及涂覆Ta-10W涂层的试样在林格溶液及模拟海水中进行电化学阻抗谱试验，得到的奈奎斯特图及波特图(如图6和图7所示)。

图6中的奈奎斯特图在低、中、高频率区域内均显示出典型的电容特性，表现为图上不完整的一段电容弧，表明体系的腐蚀过程是由试样表面与电解液之间界面发生的电荷转移所主导。电容弧的半径与金属离子从金属表面溶解并经双电层传质进入电解液的传递阻力有关，即电容弧的半径反映了电荷转移电阻的大小。图6(a)、(c)中，涂覆了Ta-10W涂层的试样的其电容弧半径均大于未涂覆涂层的基体，表明涂层的电荷转移电阻更大，在电解液中能减少金属表面溶解，即更耐腐蚀。在与之相对应的波特图6(b)、(d)中，可以看到不论基体还是涂覆Ta-10W涂层的试样，其相位角的最大值均达到了近80°，且在logZ-logf图中logZ随logf线性变化，其斜率近似为?1，这些现象均表明了试样与溶液界面的电容特性，与奈奎斯特图相互对应。在高频段，所有试样的logZ相对于logf均变为近似水平的直线，且相位角在0°左右，表明工作电极和参考电极之间的溶液电阻在此频率范围内起主要作用。在CP-Ti基试样中，基体的相位角最大值只维持在1~102Hz的中频段，而Ta-10W涂层试样的相位角最大值频率范围跨越了低、中频两个频段，推测其可能是两个重叠的时间常数构成。并且Ta-10W涂层试样的logZ始终位于CP-Ti基体的上方，即涂层的阻抗模量始终大于基体，均表明涂层与CP-Ti相比有更高的介电性能。在TC4基试样的波特图中，TC4基体与涂覆Ta-10W涂层的试样表现出相似的规律，但涂层试样在低、高频段出现了两个相位角的峰，即两个时间常数。

图6 林格溶液中CP-Ti基试样的(a)奈奎斯特图和(b)波特图及TC4基试样的(c)奈奎斯特图和(d)波特图Fig.6 Nyquist (a) and Bode (b) of CP-Ti-based samples and Nyquist (c) and Bode (d) of TC4-based samples in Ringer solution

图7 模拟海水溶液中CP-Ti基试样的(a)奈奎斯特图和(b)波特图及TC4基试样的(c)奈奎斯特图和(d)波特图Fig.7 Nyquist (a) and Bode (b) of CP-Ti-based samples and Nyquist (c) and Bode (d) of TC4-based samples in simulated seawater solution

模拟海水溶液中试样的奈奎斯特图与波特图的变化趋势与林格溶液中的大致相同。可以看到在模拟海水中基体的耐蚀性也相当高，其奈奎斯特图的电容弧半径均与涂层试样相当，波特图中的相位角最大值频率范围也比Ta-10W涂层试样窄一个数量级。但涂层试样的阻抗模量仍始终处于基体上方，表明Ta-10W涂层对于CP-Ti和TC4在模拟海水坏境中的腐蚀性能仍有一定提高。

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