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掃描電子顯微鏡在金屬腐蝕與防護研究中的應(yīng)用實例

2017-02-09 13:48:35 作者：姜麗娜等來源：海洋腐蝕與防護國防科技重點實驗室分享至：

1 引言

掃描電子顯微鏡（SEM）廣泛應(yīng)用于材料、醫(yī)學(xué)、地質(zhì)、生物、考古、石油、刑偵、造紙、紡織等研究領(lǐng)域。由于操作方便，制樣簡單，景深大，成像富有立體感，SEM已成為表面分析的一種重要手段，并可配備能譜儀（EDS）、波譜儀（WDS）、背散射電子衍射儀（EBSD）等設(shè)備，甚至可以通過升級改造，實現(xiàn)與其它儀器設(shè)備（如激光拉曼光譜儀）的聯(lián)用，以得到更多的信息，使測試內(nèi)容更加多樣化。

現(xiàn)列舉實例闡述我所應(yīng)用掃描電鏡進行金屬材料腐蝕與防護研究方面的情況。

2 金屬腐蝕研究

按照美國材料學(xué)會（ASM）的定義，腐蝕分為五大類：均勻腐蝕，局部腐蝕，冶金質(zhì)量引起的腐蝕，環(huán)境引起的開裂，微生物引起的腐蝕等。實際的金屬腐蝕行為比較復(fù)雜，往往是兩種以上腐蝕綜合作用的結(jié)果。通過SEM可以觀察腐蝕形貌，分析腐蝕機理，評價材料性能。

2.1 微生物腐蝕

以硫酸鹽還原菌（SRB）對A3鋼和高錳鋁青銅的腐蝕為例。取回腐蝕后的樣品，為了觀察盡量真實的菌群形貌，將其中一個樣品用戊二醛固定。其它試樣用蒸餾水沖洗、干燥后直接放入電鏡樣品室。腐蝕形貌見圖1。

從圖1可以看出，A3鋼和鋁青銅的腐蝕產(chǎn)物形貌不同，但很明顯，二者都發(fā)生了嚴重的點蝕。從圖1a可以看出SRB呈紡錘形，長約3μｍ，密集地分布在腐蝕產(chǎn)物周圍。圖1b顯示A3鋼表面覆蓋了一層致密的產(chǎn)物，其間分布著一個個突起的吸盤狀腐蝕產(chǎn)物。高錳鋁青銅表面的腐蝕產(chǎn)物比較疏松。圖1c右側(cè)產(chǎn)物脫落，露出直徑約35μｍ的點蝕坑。圖1d局部表現(xiàn)出腐蝕癤瘤，并且癤瘤互相有連接。這4張圖片是鋁青銅和A3鋼在SRB中典型的腐蝕形貌，說明SRB對于這兩種金屬的腐蝕形態(tài)主要表現(xiàn)為點蝕。

2.2 斷口觀察

SEM景深大的特點對于斷口觀察非常有利，圖2是高強度鋼柱在海水中長期服役發(fā)生的應(yīng)力腐蝕斷裂的形貌。

圖2a是斷口的宏觀形貌，表面很不平整，但整張圖片很清晰，沒有因高度不一而產(chǎn)生圖像發(fā)虛、無法聚焦的地方。圖2b是斷口處的橫切面，可以看出，腐蝕裂紋正向鋼柱縱深處延伸，海水正繼續(xù)往金屬內(nèi)部滲透。圖2c是斷口的中心處，表現(xiàn)出韌窩韌性斷裂的特點。圖2d表現(xiàn)為沿晶脆性斷裂，表面有微孔，晶粒間有裂縫，說明發(fā)生了氫脆腐蝕。

2.3 沖刷腐蝕

金屬表面與流體（含多組元流體）的相互機械作用，或是受液體或固體沖擊的機械作用和化學(xué)作用所引起的表面材料損傷和損失，稱為沖刷腐蝕或沖蝕。我們研究的主要是艦船用金屬材料的沖刷腐蝕情況。圖3是四種金屬在海水介質(zhì)中的沖刷腐蝕形貌。

圖3a是黃銅的腐蝕形貌，表面能看出鋅的脫成分腐蝕，并且顯現(xiàn)出晶粒，出現(xiàn)沿晶腐蝕的特點。圖3b局部有馬蹄狀形貌，還有迎水側(cè)邊損耗的現(xiàn)象，水流的流向應(yīng)是從左上角往右下角。圖3c水流的方向從左往右非常明顯，表現(xiàn)出流線狀條紋。圖3d是B30的沖刷腐蝕表面，腐蝕出現(xiàn)向不同方向發(fā)展的臺階。

3 金屬涂鍍層性能研究

3.1 鈦基金屬氧化物涂層

在鈦基體表面加一層氧化物涂層作為陽極，用于電解海水防污，它的使用性能和壽命是最重要的考察指標，借助SEM可以研究其表面形貌與性能的關(guān)系。圖４是某鈦基貴金屬氧化物涂層的形貌。

從圖4a能看到涂層表面布滿龜裂紋，放大后在邊緣發(fā)現(xiàn)一些微小的顆粒狀析出物，見圖4b，這些析出物密集分布在裂紋邊緣上。試驗證明，偏析物的存在能增加電極與溶液的接觸面積，從而得到高的電流效率。

3.2 鋅鋁涂層

在海洋環(huán)境中，船舶的內(nèi)艙和舷外結(jié)構(gòu)、平臺和港工設(shè)施的潮差飛濺及大氣段均存在著嚴重的腐蝕問題。這些部位采用常規(guī)的涂層和陰極保護技術(shù)無法滿足其長效防護的要求，噴涂金屬防護涂層技術(shù)是目前國際上解決海洋環(huán)境長效防護問題的重要手段。掃描電鏡可以對其涂覆情況、防腐性能及使用壽命進行評價。圖5是鹽霧試驗前后鋅鋁涂層的形貌。