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扫描电子显微镜在金属腐蚀与防护研究中的应用实例

扫描电子显微镜(SEM)广泛应用于材料、医学、地质、生物、考古、石油、刑侦、造纸、纺织等研究领域。由于操作方便,制样简单,景深大,成像富有立体感,SEM已成为表面分析的一种重要手段,并可配备能谱仪(EDS)、波谱仪(WDS)、背散射电子衍射仪(EBSD)等设备,甚至可以通过升级改造,实现与其它仪器设备(如激光拉曼光谱仪)的联用,以得到更多的信息,使测试内容更加多样化。

 

现列举实例阐述我所应用扫描电镜进行金属材料腐蚀与防护研究方面的情况。

 

 

金属腐蚀研究
 
 
 

按照美国材料学会(ASM)的定义,腐蚀分为五大类:均匀腐蚀,局部腐蚀,冶金质量引起的腐蚀,环境引起的开裂,微生物引起的腐蚀等。实际的金属腐蚀行为比较复杂,往往是两种以上腐蚀综合作用的结果。通过SEM可以观察腐蚀形貌,分析腐蚀机理,评价材料性能。

 

1. 微生物腐蚀

 

以硫酸盐还原菌(SRB)对A3钢和高锰铝青铜的腐蚀为例。取回腐蚀后的样品,为了观察尽量真实的菌群形貌,将其中一个样品用戊二醛固定。其它试样用蒸馏水冲洗、干燥后直接放入电镜样品室。腐蚀形貌见图1。

 

从图1可以看出,A3钢和铝青铜的腐蚀产物形貌不同,但很明显,二者都发生了严重的点蚀。从图1a可以看出SRB呈纺锤形,长约3μm,密集地分布在腐蚀产物周围。图1b显示A3钢表面覆盖了一层致密的产物,其间分布着一个个突起的吸盘状腐蚀产物。高锰铝青铜表面的腐蚀产物比较疏松。图1c右侧产物脱落,露出直径约35μm的点蚀坑。图1d局部表现出腐蚀疖瘤,并且疖瘤互相有连接。这4张图片是铝青铜和A3钢在SRB中典型的腐蚀形貌,说明SRB对于这两种金属的腐蚀形态主要表现为点蚀。

 

2. 断口观察

 

SEM景深大的特点对于断口观察非常有利,图2是高强度钢柱在海水中长期服役发生的应力腐蚀断裂的形貌。

 

 

2a是断口的宏观形貌,表面很不平整,但整张图片很清晰,没有因高度不一而产生图像发虚、无法聚焦的地方。图2b是断口处的横切面,可以看出,腐蚀裂纹正向钢柱纵深处延伸,海水正继续往金属内部渗透。图2c是断口的中心处,表现出韧窝韧性断裂的特点。图2d表现为沿晶脆性断裂,表面有微孔,晶粒间有裂缝,说明发生了氢脆腐蚀。

 

3. 冲刷腐蚀

 

 

金属表面与流体(含多组元流体)的相互机械作用,或是受液体或固体冲击的机械作用和化学作用所引起的表面材料损伤和损失,称为冲刷腐蚀或冲蚀。我们研究的主要是舰船用金属材料的冲刷腐蚀情况。图3是四种金属在海水介质中的冲刷腐蚀形貌。

 

3a是黄铜的腐蚀形貌,表面能看出锌的脱成分腐蚀,并且显现出晶粒,出现沿晶腐蚀的特点。图3b局部有马蹄状形貌,还有迎水侧边损耗的现象,水流的流向应是从左上角往右下角。图3c水流的方向从左往右非常明显,表现出流线状条纹。图3dB30的冲刷腐蚀表面,腐蚀出现向不同方向发展的台阶。

 

金属涂镀层性能研究
 
 
 

 

1.钛基金属氧化物涂层

 

在钛基体表面加一层氧化物涂层作为阳极,用于电解海水防污,它的使用性能和寿命是最重要的考察指标,借助SEM可以研究其表面形貌与性能的关系。图4是某钛基贵金属氧化物涂层的形貌。

 

从图4a能看到涂层表面布满龟裂纹,放大后在边缘发现一些微小的颗粒状析出物,见图4b,这些析出物密集分布在裂纹边缘上。试验证明,偏析物的存在能增加电极与溶液的接触面积,从而得到高的电流效率。

 

2、锌铝涂层

 

在海洋环境中,船舶的内舱和舷外结构、平台和港工设施的潮差飞溅及大气段均存在着严重的腐蚀问题。这些部位采用常规的涂层和阴极保护技术无法满足其长效防护的要求,喷涂金属防护涂层技术是目前国际上解决海洋环境长效防护问题的重要手段。扫描电镜可以对其涂覆情况、防腐性能及使用寿命进行评价。图5是盐雾试验前后锌铝涂层的形貌。

 

5a是冷喷涂锌铝涂层的表面形貌,可见锌铝涂层紧密地平铺在基体上,表面没有孔隙。图5b是经过盐雾试验后的表面,可见表面遭到破坏,产生了疏松的Al(OH)3和长条状的Zn(OH)2

 

3、Ni

化学镀NiP合金作为一个无公害排放的表面处理工艺,曾获得绿色环保技术的美称,同时还具有高耐蚀性和高硬度的优点,成本低,操作简单。NiP镀的表面呈现出光滑点缀半球状鼓包。图6是盐雾试验前后的SEM图像。

这组图片是同一位置腐蚀前后的形貌对比。图6a是刚制出的NiP镀层,表面很光滑,有两个鼓包。盐雾试验后的形貌见图6b,左侧小包已经完全破碎,右侧的处于破碎的开始阶段。图6很直观地说明,NiP镀层在盐雾试验中的腐蚀,首先由表面的鼓包开始,由此向周围扩展。

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