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钛及钛合金多弧离子镀涂层的腐蚀性能(8)

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摘要：

为进一步定量分析基体与涂层的电化学腐蚀性能，利用ZSimpWin软件的等效电路(EEC)对阻抗谱进行数据拟合。对于只有一个时间常数的基体，采用简单的等效电路Rs(QdlRct)，对于有两个时间常数的Ta- 10W涂层试样，采用典型的双时间常数等效电路Rs(Qb(Rb(QdlRct)))，所有等效电路示意图如图8所示。这两种等效电路在此前的研究中曾被提出用于拟合钛合金、钽及钽化合物涂层的含有Cl?溶液的电化学阻抗谱[11, 13?15]。拟合的数据采用实线绘于图6和图7，图中散点为实验所得数据，可以看到两组数据有很好的一致性。此两个等效电路中，Rs代表工作电极与参比电极间的溶液电阻，Qdl代表双电层的常相角元件，Rct代表了试样表面与电解溶液之间的界面发生的电化学过程的电荷转移电阻，Qb和Rb代表了阻挡层即涂层的常相角元件及电阻。在金属表面发生腐蚀时往往只有腐蚀介质与金属表面原子的传质过程，但当涂覆涂层后，腐蚀介质会经由涂层表面微孔渗入涂层与基体界面，此时就形成了涂层作为电阻，涂层与基体界面形成电容的参数Qb和Rb。由于电极表面的粗糙度、孔隙率和非均质分布引起的不均一性使得电极不可能为标准的90°相位角、阻抗模量曲线斜率为?1的纯电容，故为了更好地拟合实验数据，等效电路中的电容元件采用常相角元件(CPE)而不是理想模型电容C。常相角元件(CPE)的阻抗由公式(1)[13?15, 28]给出：

(1)式中：Q为常数；j为虚数(j2=?1)；ω为角频率；n为CPE指数，其值介于0~1之间，当n=1时，常相角元件为理想电容，当n=0时，常相角元件为一纯电阻。拟合曲线的卡方值(χ2)介于10?3~10?4之间，表明在拟合过程中使用常相角元件能够实现拟合数据与实验数据的良好一致性。拟合后的数据列于表4。图8 (a)基体和(b)涂覆Ta-10W涂层试样所用等效电路Fig.8 Equivalent electrical circuits of bare substrates (a) and Ta-10W coated samples (b)

从表4中可以看出，在双时间常数的拟合数据中，电荷转移电阻值远大于阻挡层的阻值，印证了Ta-10W涂层样品的电化学腐蚀过程是由电极表面与电解液间的界面电荷转移所主导的这一推测。在林格溶液中基体试样的电荷转移电阻与涂层试样相差很大，Ta-10W涂层使CP-Ti的Rct由4.48×105上升至2.52×107Ω·cm2，增大了两个数量级；使TC4的Rct由6.54×105上升至7.93×106Ω·cm2，增大了一个数量级，对两种基体的耐蚀性改善效果均非常显著，这与线性极化的结果相互对应。而在模拟海水溶液中，基体与Ta-10W涂层试样的电荷转移电阻相近，也与线性极化结果印证，但Ta-10W涂层仍对两种基体的Rct有近两倍的提高。Qdl是一个对溶液性质不敏感参数，故不论在林格溶液还是模拟海水溶液中，Ta-10W涂层的Qdl值均与两种基体相差非常大。Ta-10W涂层的Qdl值与CP-Ti的相比降低了两个数量级，与TC4的相比降低了一个数量级，说明其介电性远优于两种基体。综上，Ta-10W涂层因具有高的介电性能，通过降低腐蚀速率、减少极化反应、减缓基体的电荷转移来提高CP-Ti和TC4的耐腐蚀性能，且改善效果较为明显。

4 结论

1) 采用多弧离子镀技术在CP-Ti及TC4基体上成功制备了Ta-10W涂层，Ta-10W涂层表面连续、均匀、致密无明显缺陷，在CP-Ti及TC4基体上的平均厚度分别为9.55 μm和8.97 μm，与基体界面清晰、结合牢固，无明显缝隙，涂层组成相为理想的α-Ta相。

2) Ta-10W涂层在林格溶液及模拟海水溶液中均比CP-Ti和TC4基体腐蚀电位更正，腐蚀电流密度降低。其中对CP-Ti的改善效果更好，其腐蚀电流密度在不同溶液环境中均降低了一个数量级。对TC4基体的耐蚀性能也有较好改善，使得两种基体在人体及海洋坏境中均有优良的耐蚀性和表面稳定性。

3) Ta-10W涂层通过增大电荷转移电阻和双电层的介电性能可有效提高基体在不同溶液环境中的耐蚀性。在林格溶液及模拟海水溶液中Ta-10W涂层的电容性均较CP-Ti及TC4基体分别下降两个和一个数量级，高介电性能可有效保护基体不被溶解。在林格溶液中Ta-10W涂层的电荷转移电阻也较基体大一至两个数量级，表明涂层可以有效减缓基体金属离子的释放从而提高其耐腐蚀性能。

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