刘宏伟副教授课题组在海洋微生物腐蚀机制研究领域取得新进展
2023-03-01 16:40:50 作者:本网整理 来源:中国腐蚀与防护学会 分享至:

 

高强铝合金(aluminium alloys,AA)因其具有高比强度、高比刚度、低密度、耐腐蚀性等优良性能,已广泛应用于航空航天、船舶工业等各个领域,腐蚀问题是限制铝合金工程装备长期安全服役的一大主要因素。在海洋大气环境中,由于温差效应极易导致铝合金装备材料表面形成大量的微小液滴,从而诱发液滴腐蚀。炎热潮湿的海洋环境有利于真菌的生长,真菌可以吸附在铝合金表面生长,同时可以从铝合金表面获得必要的金属元素。真菌在铝合金材料表面的附着和生长会导致严重的铝合金腐蚀问题,然而在微液滴环境中真菌的生物活性以及真菌是如何影响铝合金腐蚀的还缺乏系统深入的研究。基于此,刘宏伟副教授课题组在前期工作的研究基础上,自制微电极,设计了微液滴原位电化学测试装置,以海洋环境中分离得到的真菌Aspergillus terreus作为腐蚀性微生物,系统的研究了两种高强7075铝合金(AA 7075-1#和AA 7075-2#)在微液滴环境中的真菌腐蚀行为和机制,为高强铝合金的微生物腐蚀控制提供理论依据。

 


 

首先对两种7075高强铝合金即AA 7075-1#和AA 7075-2#进行了EBSD结构表征,从图1和2可以看出,AA 7075-1#和AA 7075-2#虽然在元素组分上都属于7075铝合金,但是他们的微观结构差别很大,AA 7075-1#试样晶粒尺寸更小,晶粒分布也更均匀。微观结构的差异会显著影响金属材料的腐蚀行为,从图3和图4可以看出,在相同的测试条件下,AA 7075-2#样品腐蚀更为严重,尤其是在A. Terreus存在条件下局部腐蚀得到进一步加速,17天的测试时间内局部腐蚀速率可以高达4.08mm/y。另外,还发现液滴的大小也会严重影响铝合金的腐蚀行为,在体积较大的液滴环境中,铝合金的均匀和局部腐蚀速率都增加。

 


图1. AA 7075-1#试样EBSD微观结构表征

图2. AA 7075-2#试样EBSD微观结构表征

图3. 7075 AA-1#试样在测试17天后去除腐蚀产物后的二维和三维图像:(a),(a1),(a2)和(a3)在15μL无菌液滴下的对照试样;(b),(b1),(b2)和(b3)在30μL无菌液滴下的对照试样;(c),(c1),(c2)和(c3)在含有A. terreus的15μL液滴下的试样(d),(d1),(d2)和(d3)在含有A. terreus的30μL液滴下的试样

图4. 7075 AA-2#试样在测试17天后去除腐蚀产物后的二维和三维图像:(a),(a1),(a2)和(a3)在15μL无菌液滴下的对照试样;(b),(b1),(b2)和(b3)在30μL无菌液滴下的对照试样;(c),(c1),(c2)和(c3)在含有A. terreus的15μL液滴下的试样(d),(d1),(d2)和(d3)在含有A. terreus的30μL液滴下的试样

 

进一步以7075 AA-1作为典型实验,研究了铝合金真菌腐蚀机制。从图5可以看出,在非生物条件下,表面膜呈现多孔的结构,有大量的腐蚀产物颗粒存在,腐蚀产物颗粒由片层结构组成,而液滴大小对腐蚀产物膜的结构和组分影响较小。然而在A. Terreus存在条件下,可以观察到大量的菌丝和袍子的存在,说明在微液滴下真菌A. Terreus可以良好生长和繁殖,而且液滴体积的增加可以提高A. Terreus的活性,从而为加速铝合金腐蚀奠定了基础。在上述研究结果的基础上,提出了微液滴环境下真菌A. Terreus加速铝合金点蚀机制示意图,如图6所示。真菌A. Terreus在铝合金表面的生长和繁殖导致铝合金表面钝化膜局部破裂,从而引发点蚀,真菌的存在通过氧浓差电池效应显著的加速了点蚀的生长。

 


图5. 经过17天的测试后,在含有或不含有A. terreus的海水液滴下AA试样的表面膜的SEM图像 (a) 在15μL无菌液滴下的对照试样;(b) 在30μL无菌液滴下的对照试样;(c) 在含有A. terreus的15μL液滴下的试样;(d) 在含有A. terreus的30μL液滴下的试样

图6. 海水微液滴下A. terreus对铝合金的腐蚀机理示意图

 

相关成果发表在材料腐蚀领域顶级期刊Corrosion Science上(Yuxuan Zhang, Haixian Liu, Zhengyu Jin, Huansheng Lai, Hongfang Liu, Hongwei Liu*. Fungi corrosion of high-strength aluminum alloys with different microstructures caused by marine Aspergillus terreus under seawater drop.Corrosion Science, 2023: 110960.),中山大学化学工程与技术学院为第一通讯单位,2019硕士研究生张雨轩为论文第一作者(现在留学基金委支持下于法国攻读博士),刘宏伟副教授为论文独立通讯作者,本研究得到国家自然科学基金(51901253和52271083),广东省自然科学基金面上项目(2019A1515011135)、中山大学中央高校基本科研业务费(22qntd0801)以及湖北省材料化学与服役失效湖北省重点实验室开放课题计划(2020MCF02)等项目资助。同时,感谢中山大学赖焕生副教授和华中科技大学刘宏芳教授在实验设计、微观结构表征和论文细节把握等方面提供的帮助和支持。

 

(论文链接为
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0010938X23000021)

 

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