硫酸盐还原菌 (SRB) 是一类广泛存在于自然环境中可以利用硫酸盐类物质作为呼吸代谢电子受体的厌氧类微生物,是造成金属腐蚀破坏和设备故障的主要原因之一,已经成为一个重要的研究课题。由于微生物活动的复杂性,生物膜内SRB与金属表面的相互作用缺乏深入的研究,其诱导腐蚀机理和腐蚀过程尚不清楚,难以进行有效的腐蚀预测。基于此,本文从SRB生物膜的呼吸代谢角度介绍了其诱导金属腐蚀的研究进展。介绍了SRB的生态特征和厌氧呼吸过程,重点综述了SRB腐蚀机理,包括阴极去极化、代谢产物腐蚀、浓差电池作用和胞外电子传递等理论,最后简要介绍了微生物腐蚀 (MIC) 研究的方法与技术手段。
将水淬、空冷方式热处理的X80钢与供货状态(原始组织)X80钢相比较,用动电位极化曲线和动电位交流阻抗谱研究不同组织X80 钢在0.5 mol/L Na2CO3+1 mol/L NaHCO3高pH值土壤模拟溶液中的点蚀电化学行为。结果表明,水淬热处理后的X80钢更易钝化,点蚀敏感性低,但维钝电流较其他两种组织的都大;三种组织的X80钢极化电阻和电极表面状态常数n值随电位的变化规律基本一致,但水淬组织的n值在不同电位区间分别高于或低于其他两种组织;这些电化学行为的差异与不同组织试样表面钝化膜的非均匀性和致密程度有关;动电位极化法和动电位电化学阻抗谱法所得结论一致,腐蚀电流密度随电位的变化及电极极化电阻随电位变化都可用来反映电极的点蚀行为。
采用深海高效串型试验装置对深海环境中304不锈钢进行实海腐蚀实验,并利用SEM,EDS,EIS和XPS技术,分析了304不锈钢在1200,2000和3000 m海深下的腐蚀行为。结果表明:304不锈钢在深海中的腐蚀速率较小,在1200,2000和3000 m深度海水中暴露0.5 a的腐蚀速率分别为1.84,2.07和3.11 μm/a,腐蚀速率随着海水深度的增加略微增大;各海水环境因素对304不锈钢深海腐蚀速率的影响程度由大到小为:压力>氧含量>电导率>温度>pH值;深海环境中,304不锈钢表面局部发生缝隙腐蚀,缝隙腐蚀深度随海水深度增加而加深;深海试样腐蚀产物主要是Fe3O4和NiO。
采用动电位极化技术、慢应变速率拉伸实验 (SSRT) 以及扫描电子显微镜 (SEM) 等方法研究了硫酸盐还原菌 (SRB) 新陈代谢对2205双相不锈钢 (DSS) 在3.5% (质量分数) NaCl溶液中的应力腐蚀开裂 (SCC) 行为的影响。结果表明,与无菌溶液中相比,SRB的存在促进了2205DSS的阳极溶解过程,诱发了点蚀,为SCC萌生提供了裂纹源。2205DSS的SCC敏感性与SRB活性浓度呈正相关,在稳定生长期SRB活性浓度最大,此时2205DSS的SCC敏感性最大。2205DSS在含SRB的3.5%NaCl溶液中发生的SCC机理为阳极溶解和氢脆混合控制机制。SRB作用下,2205DSS中铁素体相表现为穿晶解理特征,奥氏体相表现为韧性撕裂的特征,铁素体相具有更高的SCC敏感性。
采用响应曲面法对微弧氧化电解液体系进行了优化,并在5083铝合金表面进行了单致密微弧氧化涂层的制备。通过扫描电镜、X射线衍射仪、显微硬度计和极化曲线对铝合金微弧氧化膜的微观组织、显微硬度和耐蚀性进行了研究。结果表明:随着微弧氧化膜层厚度从30 μm增加到90 μm,烧结颗粒的尺寸从约为10 μm增加到约为50 μm,致密层由最初的20 μm增加到70 μm,陶瓷膜层中α-Al2O3的比例明显增加,涂层的硬度由900 HV提高到1500 HV。依据极化曲线和盐雾实验结果发现:随着微弧氧化时间的增加,微弧氧化膜的自腐蚀电流密度逐渐降低,钝化能力逐渐增强,膜层的耐腐蚀性能大幅度提高。
考察硫脲基咪唑啉季铵盐 (IM-S1) 缓蚀剂对X80管线钢在3种不同pH的模拟油田水溶液中的缓蚀性能。采用电化学极化曲线、电化学阻抗分析、SVET、表面形貌分析等方法,研究缓蚀剂在不同pH、不同温度的模拟油田水溶液对X80管线钢的缓蚀性能。极化曲线测试显示,pH7.2环境中的腐蚀电流密度最小,其次是pH10.5,在pH3.5环境中的腐蚀电流密度最大;并随温度升高,腐蚀电流密度均有所升高。电化学阻抗的测试表明,在pH7.2模拟溶液条件下,所显示的容抗弧直径最大,且拟合结果中Rct明显高于其他两种测试条件。SVET分析显示,在pH7.2的测试条件下,管线钢表面吸附成膜性要优于其他两种测试条件;且离子电流密度随时间呈下降趋势,说明缓蚀剂粒子更适宜在此pH值条件下吸附成膜。根据SEM分析,可以明显看出,IM-S1缓蚀剂在中性条件的缓蚀效果要优于pH3.5和pH10.5条件的缓蚀作用效果。IM-S1缓蚀剂更适宜在中性条件下使用,并且在中低温 (40~60 ℃) 条件下具有良好的缓蚀效果。该类缓蚀剂在中性溶液条件的吸附成膜性要优于酸性和碱性条件的成膜性,并且吸附成膜降低离子电流密度,从而有效降低腐蚀反应速率。
在AZ91D镁合金上直接化学镀Ni-P和Ni-W-P镀层,并利用扫描电子显微镜、X射线衍射仪及电化学工作站研究后续热处理对化学镀层组织形貌、相组成及其耐蚀性的影响。结果表明,制备的Ni-P镀层为非晶态,而Ni-W-P镀层为纳米晶结构,两者在3.5%NaCl水溶液中的耐蚀性相当。热处理可以明显提高Ni-W-P镀层的耐蚀能力,但却稍微弱化Ni-P镀层的耐蚀能力,热处理后的Ni-W-P层自腐蚀电位相对于未处理的化学镀Ni-W-P或Ni-P层提高了约150 mV。
采用慢应变速率拉伸 (SSRT) 实验、SEM观察和动电位极化曲线测量等方法,研究了外加电位对X80管线钢母材及焊缝在轮南土壤模拟溶液中的应力腐蚀开裂 (SCC) 行为。结果表明,X80钢母材及焊缝在轮南土壤模拟溶液中均具有一定的应力腐蚀敏感性。在同一外加电位下,X80钢焊缝的SCC敏感性高于母材的;X80钢SCC敏感性及开裂机理受外加电位影响显著,在-500 mV外加阳极电位下,X80钢的SCC机理为裂尖阳极溶解-膜破裂机制,在-800 mV阴极电位以下 (-850,-1000和-1500 mV),氢脆作用在SCC过程中的影响明显增强,阴极析氢反应促进了钢的氢致开裂,导致X80钢SCC敏感性显著增加。
采用电位-电容法及Mott-Schottky分析技术研究了自腐蚀电位条件下304不锈钢钝化膜在酸、碱性溶液中的半导体导电行为。研究表明,304不锈钢钝化膜在不同溶液体系中表现出不同的导电特征,在5‰H2SO4溶液中,呈现两个空间电荷层,扫描电位低于0 VSCE,钝化膜呈现p型半导体导电特征。而扫描电位大于0 VSCE,钝化膜呈现n型半导体导电特征。钝化膜在5%NaOH溶液中呈现p型半导体导电特征。在不同溶液中载流子浓度随着浸泡时间的延长变化不大。
利用电化学方法测量316L不锈钢在不同浓度磷酸溶液中的极化曲线、电化学阻抗、恒电位极化曲线和M-S曲线,利用XPS技术对钝化膜的成分进行表征。结果表明,316L不锈钢在空气中和磷酸溶液中形成的钝化膜均具有双层结构,内层主要含Cr2O3,在空气中形成的钝化膜外层为Fe的氧化物和氢氧化物,在磷酸溶液中形成的钝化膜外层则为Fe的氧化物和磷酸盐。当磷酸浓度小于1 mol/L时,316L不锈钢表面钝化膜受到的破坏较小,其依旧维持较好的耐腐蚀性,随着腐蚀时间的延长,钝化膜会由致密变疏松;当磷酸浓度大于1 mol/L时,表面钝化膜受到的破坏较为严重,耐腐蚀性明显降低,钝化膜变薄且疏松,但是难溶腐蚀产物的生成相对减缓了钝化膜被破坏的进程。
通过电化学方法结合浸泡腐蚀测试考察了金属Mg对MgCl2-NaCl-KCl (MNKC) 熔盐的净化和腐蚀抑制作用。结果表明,金属Mg的加入量在500 μg·g-1以上时,316H不锈钢在600 ℃ MNKC熔盐中的腐蚀电位Ecorr<-0.80 V vs NiCl2/Ni,腐蚀电流密度Icorr<25 μA/cm2,线性极化电阻Rp>800 Ω·cm2,熔盐对316H不锈钢的腐蚀得到显著抑制。并对金属Mg对MNKC熔盐的净化和腐蚀抑制机理进行了探讨。
针对TA1金属双极板,采用双辉光等离子方法制备出表面Zr改性层 (Zr-TA1),研究了改性层的微观结构和性能。结果表明,Zr改性层厚度约为3 μm且表面平整致密。在模拟PEMFC阴/阳极环境下,Zr-TA1的自腐蚀电位明显升高,腐蚀电流密度降低了1~2个数量级。Zr改性层提高了TA1的疏水性能,其接触角由TA1双极板的71o提高到Zr-TA1的94o。经改性的双极板在140 N·cm-2的装配压力下,接触电阻由117.3 mΩ·cm2降低到了15.5 mΩ·cm2,极大地提高了样品的表面导电性能。
利用双阴极等离子溅射技术在Ti-6Al-4V (TC4) 合金表面沉积Nb涂层,采用XRD、XPS和SEM研究涂层的组成及横截面形貌,并采用电化学工作站对涂层与基体的电化学性能及其钝化膜半导体特性进行研究。电化学测试均在模拟人体体液环境的Ringer's溶液中37 ℃下进行。结果表明,Nb涂层厚度约为18 μm,无孔洞、裂纹等缺陷,在 (200) 晶面呈现择优取向。涂层表面钝化膜成分主要为Nb2O5。相比TC4基体,涂层具有更高的开路电位EOCP、腐蚀电位Ecorr和更低的腐蚀电流密度Icorr;涂层与基体合金试样均表现出单一容抗弧,但涂层具有更高的阻抗和较低的有效电容值;两种试样的钝化膜均表现出n型半导体特性,在不同的成膜电位Ef下,Nb涂层的钝化膜具有更低的平带电位Efb,施主密度Nd和扩散系数D0。
采用多弧离子镀技术在TC4钛合金表面制备了厚度约40 μm的纯Al层,然后在恒流模式下对其进行不同时间的微弧氧化处理,以获得耐磨的Al2O3陶瓷膜。采用扫描电镜、X射线衍射仪、显微硬度计、摩擦磨损试验机和拉伸试验机对钛合金镀铝层微弧氧化膜的微观组织结构、显微硬度、耐磨性和结合力进行了观察和测量。结果表明:微弧氧化陶瓷层主要由γ-Al2O3和α-Al2O3以及少量的非晶相SiO2组成,膜层均匀、致密。随着微弧氧化时间的延长,Al2O3陶瓷层厚度增加,镀铝层厚度减小。微弧氧化3 h时,Al2O3膜致密层硬度达到1261 HV。氧化4 h,Al2O3陶瓷层厚达60~70 μm,镀铝层几乎全部氧化,钛合金基材亦发生轻微氧化;但是,基体钛合金的氧化反而导致Al2O3膜层内形成贯穿裂纹等缺陷,膜层硬度下降,膜层与钛合金基材的结合强度降低。Al2O3陶瓷膜的摩擦系数较钛合金基材的有所降低,磨损量明显降低。Al2O3陶瓷膜/镀铝层/钛合金体系结合强度大于40 MPa,最高可达68 MPa。