研究簡(jiǎn)介:本研究主要聚焦于高強(qiáng)7075鋁合金在海洋大氣薄電解質(zhì)層（Thin Electrolyte Layer,TEL）條件下的磨蝕（tribocorrosion）行為。傳統(tǒng)研究多基于體相溶液（Bulk Solution,BS）環(huán)境，難以準(zhǔn)確反映實(shí)際海洋大氣中TEL條件下材料的損傷機(jī)制。作者通過(guò)構(gòu)建模擬海洋大氣的3.5 wt%NaCl TEL環(huán)境（厚度約170μm），系統(tǒng)比較了7075鋁合金在TEL與BS中的電化學(xué)、摩擦學(xué)及耦合損傷特性。研究發(fā)現(xiàn)，在TEL環(huán)境中，由于氧氣擴(kuò)散路徑極短、溶解氧濃度高，合金表面再鈍化能力顯著增強(qiáng)，迅速形成致密氧化膜（主要為Al?O?）。然而，這一“強(qiáng)鈍化”并未提升抗磨蝕性能，反而因反復(fù)摩擦剪切作用使脆性Al?O?膜破裂，轉(zhuǎn)化為高硬度磨粒，加劇三體磨損；同時(shí)，破損區(qū)與完整鈍化區(qū)之間形成嚴(yán)重電偶腐蝕，進(jìn)一步促進(jìn)材料損失。結(jié)果表明，TEL環(huán)境下摩擦系數(shù)（COF）和磨損率分別提升超10%和17%，且磨損機(jī)制由BS中的“腐蝕抑制磨損”轉(zhuǎn)變?yōu)門(mén)EL中的“腐蝕加速磨損”。通過(guò)XPS、LEIS、EBSD和微區(qū)XRD等手段，作者揭示了腐蝕產(chǎn)物組成（TEL中Al?O?為主，BS中Al(OH)?為主）、位錯(cuò)密度及塑性變形深度的差異，并定量分析了磨損-腐蝕協(xié)同效應(yīng)。該研究顛覆了“強(qiáng)鈍化即高防護(hù)”的傳統(tǒng)認(rèn)知，闡明了TEL環(huán)境中再鈍化加速材料退化的反常機(jī)制，為高強(qiáng)鋁合金在海洋環(huán)境中的防護(hù)涂層設(shè)計(jì)提供了關(guān)鍵理論依據(jù)。


Unisense微電極系統(tǒng)的應(yīng)用


Unisense微電極（具體型號(hào)為OX-25氧氣微傳感器）被用于測(cè)量薄電解質(zhì)層（TEL）與體相溶液（BS）中溶解氧的濃度分布，以揭示不同電解質(zhì)厚度對(duì)氧傳輸能力的影響，從而解釋7075鋁合金在海洋大氣模擬環(huán)境中表現(xiàn)出的異常磨蝕行為。首先將Unisense OX-25微電極安裝在微操縱器上，使其探針從空氣中垂直逐步插入至電解液中，步長(zhǎng)為10μm，從而獲取沿液層厚度方向的溶解氧濃度梯度數(shù)據(jù)。


實(shí)驗(yàn)結(jié)論


在模擬海洋大氣的薄電解質(zhì)層（TEL）環(huán)境中，7075鋁合金表現(xiàn)出“增強(qiáng)再鈍化反而加速磨損”的反直覺(jué)現(xiàn)象。在體相溶液（BS）中，腐蝕產(chǎn)物以潤(rùn)滑性的Al(OH)?為主，且氧擴(kuò)散受限，再鈍化能力弱，磨損-腐蝕協(xié)同效應(yīng)被抑制。而在TEL中，高溶解氧濃度促進(jìn)快速形成致密但脆性的Al?O?鈍化膜，該膜在摩擦剪切作用下易破裂并轉(zhuǎn)化為硬質(zhì)磨粒，加劇三體磨損。磨損區(qū)域（未完全鈍化）與周?chē)暾g化區(qū)之間形成顯著微電偶對(duì)，引發(fā)局部嚴(yán)重電偶腐蝕，進(jìn)一步加速材料退化。相比BS環(huán)境，TEL條件下摩擦系數(shù)（COF）和磨損率分別升高超過(guò)10%和17%，且隨著間歇滑動(dòng)中靜態(tài)腐蝕時(shí)間延長(zhǎng)，損傷持續(xù)累積。

圖1.實(shí)驗(yàn)裝置示意圖。(a)薄電解質(zhì)層（TEL）厚度測(cè)量原理：通過(guò)鉑針與萬(wàn)用表連接，控制TEL厚度為170±5μm（模擬海洋大氣中最嚴(yán)酷的腐蝕條件）。(b)TEL環(huán)境下的摩擦腐蝕實(shí)驗(yàn)裝置：采用三電極體系（工作電極為7075鋁合金，對(duì)電極為鉑片，參比電極為Ag/AgCl飽和電極），摩擦頻率1 Hz，載荷5 N。(c)摩擦腐蝕程序：包括連續(xù)滑動(dòng)模式（如BS-ocp、TEL-ocp）和間歇滑動(dòng)模式（如BS-52、TEL-32），用于研究合金的再鈍化能力。

圖2、7075鋁合金的微觀結(jié)構(gòu)。(a)光學(xué)顯微鏡（OM）圖像：顯示軋制形成的伸長(zhǎng)晶粒和部分再結(jié)晶的等軸晶。(b)SEM圖像及EDS元素分布。

圖3、電化學(xué)與摩擦學(xué)參數(shù)。(a)動(dòng)電位極化曲線：滑動(dòng)使腐蝕電位（Ecorr）負(fù)移，TEL中腐蝕電流密度（Icorr）更高。(b)Ecorr與Icorr數(shù)值：TEL中腐蝕速率顯著提升。(c)摩擦系數(shù)（COF）：TEL-ocp的COF更高，歸因于硬質(zhì)Al?O?磨粒的形成。(d)磨損率：TEL環(huán)境使磨損率增加超17%，凸顯腐蝕-磨損協(xié)同效應(yīng)。

圖4、在BS和TEL環(huán)境中溶解氧的分布情況：（a）在3.5%重量百分比的NaCl溶液中，溶解氧隨深度增加而變化；（b）平均溶解氧濃度；（c）三相腐蝕過(guò)程的示意圖。

圖5、OCP厭氧MB介質(zhì)中UNS G10180碳鋼的EIS數(shù)據(jù)：（a，b）奈奎斯特，（c，d）波特相位角（θvs.f）和（e，f）波特阻抗模量（|Z|與f）超過(guò)28天。（n=3）。反應(yīng)器攪拌器轉(zhuǎn)速為50 rpm。


結(jié)論與展望


鋁合金的磨損-腐蝕偶損在高度腐蝕的海洋環(huán)境中是常見(jiàn)問(wèn)題。然而散裝溶液（BS）中的摩擦腐蝕機(jī)制難以解決海洋大氣環(huán)境中薄電解質(zhì)層（TEL）中的磨損腐蝕問(wèn)題。本研究揭示了TEL中一種反直覺(jué)的摩擦腐蝕機(jī)制，增強(qiáng)的再鈍化反而加速而非減輕材料損失，同時(shí)增大塑性變形和更多剝落碎片。磨損-腐蝕協(xié)同分析表明，TEL的退化機(jī)制從以磨損為主導(dǎo)轉(zhuǎn)向以腐蝕為主的磨損，摩擦系數(shù)（COF）和磨損率分別增加了10%以上和17%。TEL介質(zhì)促進(jìn)快速氧氣運(yùn)輸并促進(jìn)被動(dòng)膜的形成，但保護(hù)層在滑動(dòng)過(guò)程中機(jī)械不穩(wěn)定，轉(zhuǎn)變?yōu)閳?jiān)硬的Al2O3磨料顆粒并加速磨損，且在被動(dòng)區(qū)與不完全鈍化膜之間形成嚴(yán)重的電腐蝕。相比之下，BS的協(xié)同作用因再被動(dòng)能力較差（受氧氣可用性限制）及潤(rùn)滑性Al（OH）3物種的形成而受抑制。


Unisense微電極實(shí)驗(yàn)證實(shí)，TEL極薄液層結(jié)構(gòu)極大提升了氧的傳質(zhì)速率，是驅(qū)動(dòng)快速再鈍化和高陰極反應(yīng)活性的根本原因。這項(xiàng)工作挑戰(zhàn)了傳統(tǒng)觀點(diǎn)，即強(qiáng)鈍化意味著更好的保護(hù)，并為高強(qiáng)度鋁合金在海洋大氣摩擦腐蝕期間的保護(hù)涂層設(shè)計(jì)提供了機(jī)械基礎(chǔ)。Unisense OX-25微電極在此研究中發(fā)揮了關(guān)鍵的環(huán)境參數(shù)量化作用。它提供了直接實(shí)驗(yàn)證據(jù)，證明TEL環(huán)境因幾何尺度薄而具備高效氧傳質(zhì)能力，這是理解整個(gè)磨蝕機(jī)制轉(zhuǎn)變（從BS的“腐蝕抑制磨損”到TEL的“腐蝕加速磨損”）的物理化學(xué)基礎(chǔ)。Unisense設(shè)備是連接宏觀磨蝕現(xiàn)象與微觀電化學(xué)機(jī)制的重要橋梁。本研究揭示了海洋大氣環(huán)境下高強(qiáng)鋁合金磨蝕失效的新機(jī)制，挑戰(zhàn)了傳統(tǒng)鈍化保護(hù)觀念，為未來(lái)開(kāi)發(fā)適用于TEL條件的抗磨蝕涂層或表面改性技術(shù)提供了關(guān)鍵機(jī)理依據(jù)——并非所有快速形成的鈍化膜都具有保護(hù)性，在動(dòng)態(tài)摩擦條件下可能適得其反。