申媛媛,董耀华,,董丽华,尹衍升

21世纪，国家大力发展海洋科技，但是向海洋领域进军需要性能优异的海洋装备，这无疑对先进材料提出更高要求。铝合金凭借其高强度、高耐蚀性等优点在船舶和海洋工程装备领域得到了广泛应用[1~4]。5754铝合金为Al-Mg系的典型合金，具有突出的比强度、良好的耐蚀性和焊接性，广泛应用于船舶结构和海上设施等方面。然而，海水及海洋大气环境中存在着Cl-，会造成铝合金表面的钝化膜失稳，从而引发点蚀、晶间腐蚀、应力腐蚀以及剥蚀等局部腐蚀[5,6]，严重制约了其应用范围，局部腐蚀造成的破坏给国家造成巨大的经济损失，因此研究海洋环境中铝合金的防腐技术具有重大的现实和应用意义。

海水环境中微生物种类繁多，而且微生物容易在金属材料表面附着并形成生物膜[7~9]。生物膜具有两面性[10~14]，一方面可以促进金属材料的腐蚀，Moradi等[15]研究了假交替单胞菌(Pseudoalteromonassp.)对2205双相不锈钢腐蚀行为的影响，发现不锈钢表面形成多孔的生物膜，导致金属表面侵蚀离子的积累，从而发生局部腐蚀；另一方面又可以抑制金属的腐蚀，Mansfeld等[16]的研究表明，微生物膜作为腐蚀性介质的屏障，抑制了2024铝合金的点蚀。Jayaraman等[17]发现，微生物假单胞菌(PseudomonasfragiK) 和 短杆菌(Bacillus brevis)在Cu和Al表面形成生物膜，并且会通过消耗生物膜下的O2而抑制材料的腐蚀。以往的研究[18]表明，生物膜可以抑制腐蚀，但生物膜不稳定，对材料的保护能力较差。因此，研究更加均匀致密的生物膜来完全隔离金属材料和腐蚀介质，从而达到抑制材料腐蚀的目的成为一个新的研究领域。

生物矿化是受生物有机物质控制或影响而发生矿化的过程，在此过程中，溶液中的离子转化为无机矿物质。与普通矿化相比，生物矿化最大的区别在于有生物大分子细胞和有机基质的参与。研究[19~22]表明，许多微生物可以引发碳酸盐在材料表面的沉积。通常，微生物是带负电的吸附剂颗粒，能够吸附溶液中的金属离子，然后金属离子与微生物分泌的细胞外聚合物(EPS)进行络合，形成碳酸盐沉淀的成核位点[23,24]。随着微生物新陈代谢加速，逐渐生成一层均匀致密的生物矿化膜，可以防止溶液中的腐蚀成分到达金属表面，从而减少甚至避免材料的腐蚀[25]，是一种绿色环保的抑制金属材料海洋腐蚀的方法。

枯草芽孢杆菌(B.subtilis)是海洋环境中一种重要且常见的微生物。本工作以5754铝合金(GB/T 3191-1998)为研究对象，研究B.subtilis对5754铝合金在海水中的腐蚀行为影响。采用扫描电镜(SEM)和表面轮廓仪观察铝合金表面的腐蚀产物膜形貌及去除膜层后的腐蚀形貌，采用能谱仪(EDS)及X射线衍射仪(XRD)分析腐蚀产物膜的组成，最后利用电化学阻抗谱(EIS)进一步分析了腐蚀产物膜对合金表面的保护作用。以期进一步了解海水环境中B.subtilis对5754铝合金的腐蚀影响机制，并为利用微生物抑制金属材料的海水腐蚀提供理论参考。

1实验方法

1.1材料与试样

实验用5754铝合金化学成分(质量分数，%)为：Cr 0.3，Mn 0.5，Zn 0.2，Ti 0.15，Mg 3.1，Cu 0.1，Si 0.4，Al余量。实验前，将5754铝合金切割为10 mm×10 mm×2 mm的试样，用SiC砂纸在有水情况下逐级打磨到800号，用无水乙醇超声清洗10 min，之后用吹风机吹干，放在干燥皿中备用。一部分切割好的试样背面用焊锡与Cu导线连接，然后用环氧树脂将焊接面和试样的其余面均封装起来，仅露出10 mm×10 mm的工作面。工作面用耐水砂纸逐级打磨到800号，然后用无水乙醇和去离子水清洗，干燥后作为电化学试样备用。另外一部分试样用于腐蚀失重分析及腐蚀形貌观测，浸泡前用AUW220D电子天平进行称重，精确到0.01 mg。所有试样在实验前，均置于紫外灯下处理20 min，保证不引入其它微生物。

1.2实验溶液

采用2216E培养基培养B.subtilis，培养基的组分为：5 g/L蛋白胨，1 g/L酵母浸粉，0.1 g/L柠檬酸铁，19.45 g/L NaCl，5.98 g/L MgCl2，3.24 g/L Na2SO4，1.8 g/L CaCl2，0.55 g/L KCl，0.16 g/L Na2CO3，0.008 g/L Na2HPO4，0.0016 g/L NH4NO3，用去离子水配置。2216E培养基为海洋微生物培养基，可作为人工海水来模拟海洋环境。实验前，先将装有培养基的锥形瓶放入高温高压灭菌锅中灭菌，温度为121 ℃，时间为15 min。冷却到室温后，向一部分培养基接种B.subtilis，其余不接种，作为对照溶液。将打磨好的试样浸泡在上述2种溶液中，然后放在37 ℃的KYC-1112B恒温摇床上培养。

1.3腐蚀速率

浸泡不同时间后，取出样品，用蒸馏水清洗，并根据ASTM G1-03将铝合金试样表面的腐蚀产物及生物膜去除。然后用无水乙醇冲洗并干燥。最后再次对试样进行称重，估算腐蚀速率。腐蚀速率计算公式如下:

${?}_{\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{r}\mathrm{r}}=\frac{\mathrm{\Delta }?}{??}$(1)

式中，Vcorr为腐蚀速率，$\mathrm{\Delta }$m为失重，S为试样表面积，t为腐蚀时间。为了保证数据的准确性，每个实验条件下的腐蚀失重均有3个平行样，取平均值。

1.4腐蚀形貌及成分

每隔一段时间取出试样，并立即浸泡在2% (质量分数，下同)戊二醛溶液中固化1 h，然后分别用25%、50%、75%和100%浓度的乙醇逐级脱水，每种浓度的乙醇中脱水处理15 min，最后取出试样干燥，用于腐蚀形貌观测。用带有EDS的JSM-7500F场发射SEM观察铝合金表面的腐蚀产物膜层及生物膜层形貌，并对膜层成分进行分析。去除表面膜层后，使用Contour GT光学轮廓仪观察铝合金表面的腐蚀形貌。

此外，通过X'Pert PRO MPD型XRD对铝合金表面腐蚀产物膜进行物相分析，采用的电压为40 kV，电流为10 mA，靶源为Cu-Kα，扫描范围为10°~90°。

1.5电化学实验

电化学实验采用传统的三电极体系，参比电极为饱和甘汞电极(SCE)，对电极为Pt片(10 mm×10 mm)，工作电极为浸泡在2种介质中不同时间的5754铝合金试样。对浸泡在2种介质中1、5、10和15 d的电化学试样进行电化学测试，测量工作电极的开路电位和EIS。测试前参比电极和对电极进行紫外灭菌处理，避免引入杂菌，且测试在室温无菌环境下进行，保证测试过程稳定。EIS的测试频率范围为10-2~104Hz，幅值是±5 mV。

2实验结果及讨论

2.1腐蚀速率

采用失重法得到的5754铝合金在含有微生物B.subtilis的人工海水中和灭菌海水中浸泡15 d后的腐蚀速率分别为12.02和75.70 mg/(dm2·d)。可见，在海水环境中，微生物B.subtilis的存在大大降低了铝合金的腐蚀速率，对抑制铝合金腐蚀起到重要作用。

2.2表面形貌及组成

图1为5754铝合金在不同溶液中浸泡前后的形貌及表面膜层的成分分析结果。从图中可以看出，浸泡前的铝合金表面划痕清晰，此时的铝合金并无明显点蚀和缝隙腐蚀等局部腐蚀现象(图1a)。在灭菌海水中浸泡15 d后，铝合金基体表面零星分散着颗粒物质，而且基体表面的划痕清晰可见(图1b)。而在含B.subtilis的海水中浸泡15 d后，铝合金表面覆盖着一层均匀致密的膜层，观察不到基体表面的划痕(图1c)，对膜层进行局部放大后发现该膜层由细小均匀的针状物质组成，膜层表面能观察到零星分散着的微生物(图1d)。

图1

图15754铝合金在不同溶液中浸泡前后的表面形貌及成分分析

(a) original morphology of 5754 Al alloy

(b) immersed in sterilized seawater for 15 d

(c) immersed in seawater with bacteria for 15 d

(d) partial magnification of the film in Fig.1c (Inset shows the morphology of bacteria)

(e) EDS result of zone 1 in Fig.1b

(f) EDS result of zone 2 in Fig.1c

Fig.1Surface morphologies and composition analyses of 5754 Al alloy

对浸泡后的5754铝合金表面进行EDS分析，结果表明，浸泡在不含微生物的海水中15 d后，铝合金表面仍然以Al元素为主，另外还发现了大量的O元素，5754铝合金表面主要为Al的氧化物(图1e)。而浸泡在含微生物的海水中15 d后，铝合金表面并没有发现Al元素，说明材料表面覆盖着较厚的膜层(图1f)。膜层以O元素为主，质量分数为47.73%，另外，还含有大量的Ca和C元素，质量分数分别为31.46%和19.09%，除此之外，还发现了少量的Mg元素。海水中含有大量的Ca2+和Mg2+，而在5754铝合金表面的膜层中也发现了大量的Ca和Mg元素，说明海水中的Ca2+和Mg2+在5754铝合金表面发生了沉积并聚集形成均匀致密的膜层，从而阻碍了5754铝合金与海水的直接接触，抑制了5754铝合金的腐蚀。

2.3铝合金表面物相

为了进一步确定5754铝合金在2种溶液中浸泡一段时间后表面膜层的物相组成，对浸泡后的5754铝合金表面进行XRD物相分析，结果如图2所示。在含微生物的海水中，5754铝合金表面膜层的主要物相组成为CaMg(CO3)2，该结果与EDS结果相一致。而在不含微生物的海水中，5754铝合金表面物相组成以Al2O3为主，表明5754铝合金表面可能发生腐蚀，腐蚀产物以氧化物为主。通过对比，发现微生物B.subtilis对5754铝合金在海水中的腐蚀行为影响较大，有B.subtilis存在时，铝合金表面形成一层由CaMg(CO3)2组成的膜层。微生物的存在会影响矿物质在材料表面的沉积过程[26]，研究发现，变异菌株B.subtilis能分泌大量EPS[25]，而海水中含有大量的Ca2+、Mg2+，微生物新陈代谢产生的有机基质能络合无机离子，加速其在材料表面的沉积，最终形成一层以碳酸盐为主要成分的均匀致密的生物矿化膜。EDS和XRD结果证实了B.subtilis的存在加速了生物矿化膜在5754铝合金表面的形成，并将5754铝合金与海水隔开，从而降低了5754铝合金的腐蚀速率。

图2

图25754铝合金在2种溶液中浸泡15 d后表面的XRD谱

Fig.2XRD spectra of 5754 Al alloy after soaking for 15 d in two solutions

2.4腐蚀形貌分析

5754铝合金在2种不同海水中浸泡15 d后去掉表面腐蚀产物膜，表面的腐蚀形貌轮廓如图3所示。从图中可以看出，浸泡在灭菌海水中的铝合金表面点蚀严重，点蚀坑数量较多，对点蚀坑的深度和尺寸进行统计分析，发现浸泡在灭菌海水中的铝合金表面点蚀坑平均深度为7.3 μm，平均直径为25.3 μm，点蚀坑深度最大达到8.5 μm。而浸泡在含微生物B.subtilis的海水中，铝合金表面几乎没有发现点蚀现象，经统计表明，铝合金表面点蚀坑的最大深度为3.4 μm，远小于浸泡在灭菌海水中铝合金表面的最大点蚀坑深度(8.5 μm)。通过对比发现，微生物B.subtilis的存在，可以抑制铝合金在海水中的点蚀，主要原因是海水中含有大量的Ca2+和Mg2+，微生物新陈代谢产生的胞外聚合物会络合海水中的Ca2+和Mg2+等金属离子，并最终形成由有机物和无机物共同组成的生物矿化膜[20~22]。铝合金浸泡后的表面形貌及膜层组成分析结果也证实了该结论，均匀致密的膜层阻碍了基体材料与腐蚀介质(尤其是Cl-)之间的物质交换，同时矿化膜的形成降低了O2的交换频率，对腐蚀的发生存在抑制作用，尤其抑制了铝合金的点蚀行为。

图3

图35754铝合金浸泡前后的表面腐蚀轮廓图

Color online

Fig.32D (a, c, e) and 3D (b, d, f) surface profile images of 5754 Al alloy before (a, b), and after immersion for 15 d in sterile (c, d) and inoculatedB.subtilis(e, f) seawater (Arrows show the locations of pitting)

2.5电化学结果

采用电化学工作站测试的5754铝合金在2种溶液中浸泡不同时间的EIS分别如图4和5所示。从Nyquist图(图4a)可以看出，在无菌条件下，阻抗弧半径随着浸泡时间的延长逐渐减小，说明此时间段试样的阻抗越来越小，耐蚀性逐渐降低，试样的腐蚀速率不断增加，主要是因为随着浸泡时间的增加，由于Cl-的存在，加速了阳极溶解过程[27]，而且5754铝合金中含有合金元素，导致第二相的存在，在Cl-的侵蚀下[6]，铝合金试样表面的点蚀越来越严重[28]，腐蚀产物堆积在金属基体表面，影响了阴极和阳极之间的物质交换，造成腐蚀速率不断上升。Bode图(图4b)中低频区对应的阻抗的对数也出现了逐渐降低的趋势，说明腐蚀速率不断增加，与Nyquist图的结果一致。

图4

图45754铝合金在不含微生物B.subtilis的海水中浸泡不同时间的EIS

(a) Nyquist plots

(b) Bode impedance plots

(c) Bode angle plots

Fig.4EIS of the 5754 Al alloy in seawater withoutB.subtilisfor different immersion time (Z'—real part of impedance,Z''—imaginary part of impedance,Z—impedance,f—frequency)

而在有微生物B.subtilis存在的海水中，EIS的变化规律完全不同。由图5a可以看出，随着时间增加，5754铝合金的阻抗弧半径出现了先降低后增大的趋势，试样在腐蚀浸泡的第5 d，阻抗弧半径出现明显的降低，说明在浸泡初期，5754铝合金表面的阻抗逐渐减小，腐蚀速率有所升高，主要是因为微生物的代谢过程需要时间，浸泡时间较短(1和5 d)时，5754铝合金表面没有形成保护性膜层，腐蚀性介质与5754铝合金基体直接接触，导致腐蚀加剧。随着浸泡时间的延长，微生物进入对数生长期，此时新陈代谢较为旺盛，在5754铝合金表面逐渐形成均匀致密的生物膜层，将材料基体与海水隔开。随着浸泡时间的继续延长(10 d后)，试样的阻抗弧半径增加明显，阻抗越来越大，腐蚀速率明显降低。Bode图(图5b)表明，在高频区的阻抗较为稳定，而在低频区，阻抗逐渐升高，试样在浸泡初期，阻抗大约为104.8Ω·cm，而随着时间的增加，试样的阻抗逐渐增大，浸泡15 d时甚至达到了105.5Ω·cm，表明在微生物B.subtilis存在的海水环境中，随着时间的增长，5754铝合金试样的阻抗越来越大，有效抑制了5754铝合金的腐蚀，对5754铝合金在海水中的腐蚀起到很好的保护作用。相角图(图5c)中始终存在由2个时间常数组成的较宽的波峰，低频区的时间常数可能与双电层(EDL)有关，而高频区的时间常数归因于金属表面膜层。

图5

图55754铝合金在含微生物B.subtilis的海水中浸泡不同时间的EIS

(a) Nyquist plots

(b) Bode impedance plots

(c) Bode angle plots

Fig.5EIS of the 5754 Al alloy in seawater withB.subtilisfor different immersion time

为了进一步分析EIS测试结果，采用图6中的等效电路图进行拟合，拟合结果如表1和2所示。在拟合时，通常用固定相元件(CPE)代替理想电容C来解释非平面界面和传质过程的不均匀性所造成的分散效应，CPE的阻抗(ZCPE)用式(2)来表示：

图6

图65754铝合金在2种溶液中浸泡不同时间的等效电路图

Fig.6Equivalent circuit diagrams for 5754 Al alloy immersed in seawater with and withoutB.subtilisfor 1 d (a), 5 d, 10 d and 15 d (b) (Rs—electrolyte resistance,Rf—resistance of products film or mixture film,Qf—constant phase element (CPE) of product film or mixture film,Rct—charge transfer resistance,Qdl—CPE of electron transfer reaction)

表15754铝合金在不含微生物的海水中浸泡不同时间的电化学拟合参数

Table 1Electrochemical fitting parameters of 5754 Al alloy immersed in seawater without bacteria for different time

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${?}_{\mathrm{C}\mathrm{P}\mathrm{E}}=\mathrm{1}/\left[?{(??)}^{?}\right]$(2)

式中，j为虚部，j2=-1；ω是角频率，ω=2f(其中，f为频率)；n是CPE指数(0<n<1)，n代表偏离纯电容的程度，n=1时，就是纯电容；Q表示CPE常数。在2种溶液中浸泡1 d的EIS结果采用仅含1个固定相元件的等效电路图(图6a)进行拟合，浸泡较长时间的EIS结果采用含有2个固定相元件的等效电路图(图6b)进行拟合。从EIS中确定的合金表面膜层电阻(Rf)与电荷转移电阻(Rct)之和的变化趋势如图7所示。从图中可以明显看出，浸泡在不含微生物的海水中，5754铝合金的2种电阻之和随着时间的延长逐渐降低，说明腐蚀速率逐渐升高。而浸泡在含有微生物的海水中，2种电阻之和出现了先降低后升高的趋势，说明在含有B.subtilis的海水中，5754铝合金的腐蚀速率先增大后减小。在浸泡初期，5754铝合金直接与海水接触，腐蚀速率逐渐升高，随着浸泡时间的延长，微生物在5754铝合金表面的附着越来越多，新陈代谢越来越旺盛，微生物代谢产生的有机物质络合海水中的Ca2+和Mg2+，并最终形成生物矿化膜，从而抑制了铝合金的腐蚀，降低了5754铝合金在海水中的腐蚀速率。电化学结果进一步证实了微生物B.subtilis的存在促进了5754铝合金表面生物矿化膜的形成，缓解了其在海水中的腐蚀，可以利用微生物诱导矿化这一思路来解决海水对铝合金的腐蚀问题。

图7

图75754铝合金在2种溶液中浸泡不同时间的膜层电阻与电荷转移电阻之和随时间的变化

Fig.7The sum ofRfandRctvariation of 5754 Al alloy immersed in seawater with and withoutB.subtilisfor different time

3结论

(1) 5754铝合金在灭菌的海水环境中腐蚀较快，腐蚀速率为75.70 mg/(dm2·d)。而在接种微生物B.subtilis的海水中，腐蚀速率明显降低，仅为12.02 mg/(dm2·d)，微生物的存在降低了铝合金在海水中的腐蚀速率。

(2) 浸泡在含微生物B.subtilis的海水中，铝合金试样表面逐渐形成由细小均匀的针状物质组成的膜层，该膜层的主要成分为CaMg(CO3)2。

(3) 随着浸泡时间的延长，微生物B.subtilis的新陈代谢逐渐旺盛，分泌的代谢产物逐渐与海水中的Ca2+和Mg2+络合，形成均匀致密的有机-无机混合膜层，该膜层阻碍了Cl-对铝合金的侵蚀，抑制了铝合金在海水中的点蚀现象。

来源--金属学报