TC4鈦合金激光織構表面的潤濕性和耐腐蝕性研究
發布日期:2023-11-2 6:36:19
前言
鈦合金有著極其優良的耐腐蝕性能、較低的密度、較高的比強度、良好的導熱性能、無磁等特點,因而被廣泛應用于石油化工管道耐腐蝕管件、換熱器等設備[1-5]。
盡管鈦合金的耐腐蝕性能較強,但由于受到腐蝕環境和介質影響極大,包括點蝕、電偶腐蝕和縫隙腐蝕等的風險[6],鈦合金的耐蝕性能仍然需要提高。由于在鈦合金的電化學腐蝕過程中會發生離子的吸附和遷移,因此控制腐蝕介質的吸附過程可有效降低金屬的腐蝕速率。超疏水表面可有效改善材料的表面潤濕性,降低電化學腐蝕過程中離子的吸附、擴散和電遷移,進而提高材料的防污損及耐蝕能力[7]。
制備超疏水表面的方法有兩種:一種是通過在固體表面修飾低表面能物質來制備疏水表面,如表面晶體生長法[8-9]、電化學沉積法[10]等;另外一種方法則是通過直接在固體表面構造微觀結構,如光刻蝕法[11-12]、微機械加工法[13]、激光表面織構法[14,19]等。激光表面織構加工是一種高效且環保的技術。
鈦合金的激光表面微結構具有靈活性好、精度高和成本低等優點,有利于工業生產[20]。因此本文選用激光表面織構制備超疏水表面。
近年來,國內外學者通過激光表面織構獲得超疏水表面開展了大量研究。Samanta等[15]通過控制激光織構的表面化學和潤濕性從極端疏水性調整到親水性,可實現復雜的多潤濕性,完成表面結構和表面化學的適當結合。LiBaoJia等[16]利用納秒脈沖激光加工法在鈦合金表面制備織構,將硅烷改性制備出具有超親水性和超疏水性表面。
PaTil等[17]通過納秒脈沖激光器在TC4合金表面進行織構處理,得到的織構表面經過退火(在300℃下處理120min)工藝后,表面從親水性快速轉變為超疏水性。章澤斌[18]通過皮秒激光器在鎳鋁青銅合金表面獲得多種微納米復合結構,隨后用硬脂酸進行表面改性,結果使表面接觸角可以達到150°以上。
然而,關于利用激光制備織構超疏水表面及其耐蝕性研究相對較少。本文利用紫外納秒激光器制備Ti-6Al-4V鈦合金表面微織構,通過低溫熱處理制備超疏水性表面,利用一些檢測手段表征其表面浸潤性和表面化學,并采用電化學工作站對表面抗腐蝕性能及其影響因素進行研究,以期為鈦合金在海洋環境中的應用開發提供重要的基礎數據。
1、實驗過程
1.1微織構表面制備
使用紫外納秒激光器(波長1064nm)對鈦合金(Ti-6Al-4V)表面進行激光加工處理,在尺寸為60mm×60mm×2mm表面形成30mm×30mm激光微織構區域,制備周期性表面微結構。固定激光光斑直徑為40nm,可調整微織構的結構間距。結構間距為150μm鈦合金表面如圖1所示。應用紫外納秒激光加工系統控制激光束和激光織構參數。采用固定的織構參數對鈦合金表面進行處理,參數見表1。
1.2超疏水表面制備
經過激光誘導后,Ti-6Al-4V表面出現飽和Wen-zel狀態織構,表現出超親水性。對激光制備周期性表面微結構進行150℃低溫熱處理1h,微結構表面潤濕性由超親水性轉變為超疏水性,表面接觸角由0°變為155°±2.9°。
1.3電化學腐蝕實驗
采用電化學工作站進行耐腐蝕性測量,實驗使用經典三電極體系。工作電極為實驗材料(本文為未處理表面和激光織構超潤濕表面),輔助電極使用石墨電極,參比電極使用飽和甘汞電極(SCE),腐蝕介質為3.5%NaCl溶液。當測量系統達到穩定狀態后進行極化曲線測試及阻抗譜測試。極化曲線測量時掃描速率為3mV/s,掃描范圍為-1.5V~1.5V,測試后極化曲線進行Tafel擬合,獲得腐蝕電位Ecorr和腐蝕電流密度Icorr等電化學參數。
阻抗譜測試掃描頻率范圍100KHz~10MHz,掃描點數為30,擾動信號為10mV,實驗數據采用Zview軟件擬合。
2、實驗結果
2.1化學成分分析
實驗所用試樣的能譜對比如圖2所示。
圖2(c)、圖2(d)分別為圖2(a)、圖2(b)的EDS譜圖,圖2中數據為不同性質表面上各對應區域的化學成分及其相對含量,元素含量對比見表2。
由表2可知,激光處理后的鈦合金存在一定量的O元素,表明鈦合金表面處理過程中形成少量的氧化物。這是因為鈦和氧的親合力較強,故而在激光加熱的高溫條件下形成大量高硬度的氧化物TiO2和少量的Al2O3,這也是后續研究硬度較高的原因之一。處理過程中形成少量的氧化物,也正是Ti和Al的含量所占比例減少的原因[20-21]。
2.2接觸角
固體表面的潤濕性是表面被液體潤濕程度或能力的量度,一般用靜態接觸角θ表示。圖3為不同表面的接觸角示意圖。由圖3(a)可以看到,未處理表面的接觸角為銳角,測量接觸角度為64.8°±2.9°,表現為親水;由圖3(b)可以看出,激光加工表面的測量接觸角度為0°,表現為超親水;由圖3(c)可以看出,激光表面織構+低溫熱處理表面接觸角為鈍角,測量接觸角度為155°±2.9°,表現為超疏水。
2.3電化學腐蝕實驗
一般而言,腐蝕電流密度Icorr越低、腐蝕電位Ecorr越高所對應的耐腐蝕性越好,腐蝕速率也就越低[22]。不同潤濕性表面與未處理表面的極化曲線如圖4所示。由圖4可見,與未處理鈦合金表面相比,超疏水表面的腐蝕電位發生了正向偏移,使超疏水鈦合金表面耐腐蝕性得到改善,而超親水表面的腐蝕電位均向負方向偏移,使得超親水表面的耐腐蝕性比未處理表面更差。此外,與未處理表面相比,超疏水表面的腐蝕電流密度更低,表明超疏水表面的織構作用減緩了鈦合金的腐蝕速率。
在3.5%NaCl溶液中,不同潤濕性表面樣品的腐蝕電位和腐蝕電流見表3。
由表3可知,對于超疏水激光表面織構,織構間距為150μm時的自腐蝕電流密度從未處理前的12.097μA/cm2降至0.68167μA/cm2,腐蝕電位值從-0.5710V增加到
-0.3994V。而對于超親水表面,腐蝕電流密度從未處理前的12.097μA/cm2增加到1161μA/cm2,腐蝕電位則從-0.5710V減少到-0.81179V。在不同織構間距的超疏水表面中,對比腐蝕電流,可發現織構間距為150μm的超疏水表面的腐蝕電流密度最小,表明150μm織構間距的超疏水表面耐腐蝕性最好。在不同織構間距的超親水表面則恰恰相反,150μm織構間距的超疏水表面的耐腐蝕性最差。
腐蝕防護性研究中常常使用EIS。未處理鈦合金表面以及不同織構間距的超疏水表面在3.5%NaCl溶液中的Nyquist圖、EIS等效電路圖如圖5所示。
從圖5(a)中可以看出,在不同織構間距的超疏水鈦合金表面,Nyquist環的半圓直徑均比未處理鈦合金表面Nyquist的半圓直徑大,表明激光織構制備超疏水表面能夠提高其耐腐蝕性。
可以看到,織構 距為150μm的超疏水表面的半圓直徑最大,這證實了經150μm的激光織構間距處理的超疏水表面具有最佳腐蝕抑制性能。
圖5(b)分別是未處理表面和有激光織構表面的等效電路。
等效電路中Rs為溶液電阻,Rct為電荷轉移電阻,Cc為激光織構區域的電容,Cdl為雙電層電容。擬合的EIS數據見表4。
可以看出,未處理鈦合金表面的電荷轉移電阻Rct值由未處理鈦合金表面的4.66×104Ω·cm2增加到織構間距為150μm的激光織構超疏水表面的1.60×105Ω·cm2,且這 一織構間距的超疏水表面電荷轉移電阻最大。
此外,Cdl值由1.27×10-5F/cm2降低到1.47×10-6F/cm2,且織構間距為150μm的超疏水表面雙電層電容最大。由于擁有較高Rct值和較小Cdl值,可以表明材料的腐蝕速率較小,證實了織構間距為150μm的超疏水表面為鈦合金提供了最佳的保護。
3、鈦合金經織構化處理后的腐蝕機理探討
電化學腐蝕測試后,未處理表面和超潤濕表面的微觀形態及相應的EDS能譜圖如圖6所示。
從圖6中提取的主要數據見表5。由圖6和表5可見,相對于未處理表面,超親水表面的Ti元素原子百分比從未處理前的63.48%降到44.63%。而O元素的原子百分比則從未處理前的26.27%降到16.41%。Cl元素含量從未處理前的2.61%大幅增加到18.63%,表明超親水表面發生了較為嚴重的氧化腐蝕和電化學腐蝕。而對于超疏水表面,Ti元素含量相比未處理表面略有增加,O元素含量則略有降低,最為明顯的是沒有發現Cl元素的存在。這表明超疏水表面明顯降低了鈦合金表面的Cl-腐蝕,對鈦合金基體起到了很好的保護作用。
超疏水鈦合金在NaCl溶液中的腐蝕機理如圖7所示。超疏水試樣的表面織構有效阻止了材料基體與腐蝕性液體的接觸,使得織構表面與腐蝕性液體之間存在一定量的空氣腔(圖中白色)。當試樣放在NaCl腐蝕溶液中時,織構中的空氣腔阻止了腐蝕性離子(Cl-)與基體表面的直接接觸,間接保護了基體材料。對比不同織構間距可知,織構間距為150μm的超疏水表面的耐腐蝕性更好,這主要是由于織構間距較小空氣腔的數量較多,使得腐蝕溶液中的Cl-不易接近材料表面。
因此,超疏水表面可有效改善材料的表面浸潤性,降低電化學腐蝕過程中離子的吸附、擴散和電遷移過程,進而提高材料的耐腐蝕性能。
4、結論
(1)通過激光表面加工和低溫熱處理,得到了具有微織構的TC4鈦合金表面。經測試表明,未處理表面、超親水表面和超疏水表面的接觸角分別為64.8°±2.9°、0°和155°±2.9°,分別表現為親水性、超親水性和超疏水性。
(2)電化學實驗、SEM和EDS結果表明,激光織構超疏水表面有效阻止了Cl-與基體的接觸,降低了電化學腐蝕過程中離子的吸附、擴散和電遷移過程,進而提高了材料的耐腐蝕性能。
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