鈦及其合金因其優(yōu)異的耐腐蝕性在海洋工程中得到廣泛應(yīng)用，純鈦雖然具有諸多優(yōu)點，但機械強度不足長期限制了其廣泛應(yīng)用，合金化是提高Ti力學性能的有效方法，TiZr合金是鈦基合金中一個較為出眾的體系，其強度比冷加工的四級鈦高40%。但對于長期在海洋環(huán)境中使用的金屬材料而言，微生物引起的腐蝕（MIC）一直是不可忽略的一個問題，在眾多微生物中，SRB引發(fā)的腐蝕風險最為典型，這是因為SRB在厭氧環(huán)境和水環(huán)境中分布廣泛，海洋和沉積物是SRB的典型生境，這些環(huán)境中有較高的硫酸鹽濃度。

在這種環(huán)境下，傳統(tǒng)鈦合金其表面生成的鈍化膜常被SRB破壞，并以破壞點作為基點誘發(fā)點蝕，隨后緩慢發(fā)展，導(dǎo)致縫隙腐蝕，再加上海洋中的靜水壓力，在應(yīng)力腐蝕的疊加作用下造成開裂的惡劣后果并且關(guān)于Ti-Zr合金在海洋工程中的應(yīng)用及其耐蝕性能的研究并不充分，為了擴大Ti-Zr合金在海洋工程中的應(yīng)用，必須提高其抗菌和抗MIC性能，探索其在海洋環(huán)境中的抗菌和抗MIC機理。

為應(yīng)對這一挑戰(zhàn)，東北大學徐大可教授和聯(lián)合中科院金屬所柏春光研究員團隊，設(shè)計并開發(fā)出一種細晶TiZrCu合金，在保障力學性能的同時，實現(xiàn)了對海洋MIC環(huán)境的優(yōu)異耐受性，聯(lián)合團隊將相關(guān)成果發(fā)表于《Journal of Materials Science & Technology》。

核心內(nèi)容

團隊的研究策略是通過合金設(shè)計與工藝優(yōu)化相結(jié)合優(yōu)化鈦基體的微觀結(jié)構(gòu)，從而改善其耐蝕性的同時能夠細化粗大的鑄態(tài)組織，從源頭抑制MIC的發(fā)生，在元素選擇方面，作者選擇了Zr和Cu元素，并系統(tǒng)研究了其對代表性海洋微生物銅綠假單胞菌的MIC和抑菌機制，確立Cu的最佳含量為5.5wt.%，制備出的細晶Ti-15Zr-5.5Cu（TZC-5.5FG）合金具有較高的耐MIC性能，腐蝕電流為5.7±0.1 nA/cm²，對銅綠單胞菌的抑菌率為91.8%。與其他的海洋金屬相比，TZC-5.5FG合金具有優(yōu)異的綜合性能，包括優(yōu)異的機械性能和抗MIC能力，使其成為海洋環(huán)境中承載應(yīng)用的潛力材料。

(a) TZC-5.5合金的工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線；(b) 與其他商用合金相比，TZC-5.5FG合金的耐MIC性能與屈服強度水平圖譜

研究方法

研究成果

① 合金組織顯著細化，界面穩(wěn)定性增強

與傳統(tǒng)純鈦或TiCu合金相比，TiZrCu合金中通過Zr固溶與Cu局部偏聚形成更均勻的細晶組織，晶粒細化提高了TZC-5.5合金的抗MIC性能，TZC-5.5CG和TZC-5.5FG合金的晶粒尺寸分別為25.5±1.7μm和3.1±0.7μm，組織穩(wěn)定性強，抑制晶界腐蝕萌生。

② SRB環(huán)境中鈍化膜穩(wěn)定性顯著提升

在模擬海洋微生物富集環(huán)境下，TiZrCu合金表面形成連續(xù)致密的Ti/Zr/Cu共摻雜鈍化膜，XPS結(jié)果顯示其表層富含TiO₂與ZrO₂，表面電位差小，腐蝕產(chǎn)物較少，顯著優(yōu)于對照組。

③ 微生物黏附行為受到顯著抑制

Cu²⁺離子的釋放、表面電位差E和ROS的生成是影響TiZrCu合金抗菌性能的三個主要因素，活體菌體觀察與熒光染色顯示，SRB在TiZrCu表面難以形成完整生物膜，附著菌數(shù)量遠少于純Ti與TiCu合金。

④ 腐蝕電化學行為穩(wěn)定，表現(xiàn)出高阻抗與低電流密度

電化學阻抗譜（EIS）與動電位極化曲線表明，TiZrCu合金在SRB環(huán)境下阻抗值達10⁵Ω·cm²以上，腐蝕電流密度控制在10^-7A/cm²數(shù)量級，具備良好的長效服役潛力。

⑤ 構(gòu)建TiZrCu合金在海洋MIC環(huán)境下的耐蝕機制圖譜

基于實驗數(shù)據(jù)，作者提出TiZrCu合金在SRB環(huán)境下耐腐蝕的協(xié)同機制：Zr強化氧化膜穩(wěn)定性，Cu抑制細菌黏附并形成協(xié)同阻抗層，雙機制共同構(gòu)建高耐蝕性能。

(a) TiZrCu合金的防腐機理和 (b) 抗菌機理

該研究以微結(jié)構(gòu)調(diào)控與元素協(xié)同摻雜為核心，系統(tǒng)構(gòu)建了新型TiZrCu細晶合金的耐MIC腐蝕策略，并在微生物作用機制、鈍化膜行為及電化學響應(yīng)層面實現(xiàn)了全流程機制揭示。成果為未來海洋結(jié)構(gòu)材料的綠色、長壽命設(shè)計提供了思路，尤其適用于海工平臺、深海觀測艙等設(shè)備的關(guān)鍵防護構(gòu)件制造。