冯浩1,李花兵,1,路鹏冲1,杨纯田2,姜周华1,武晓雷3

近年来，由多个等摩尔比或近等摩尔比组元组成的高熵合金引起了人们的广泛关注[1]。由于其优异的强度和韧性[2]，以及高耐磨性[3]、良好的热稳定性[4]，高熵合金得到了快速的发展。CrCoNi是一种仅含有3种元素的等摩尔比中熵合金，具有较低的摩尔熵(?Sconf=1.10R，其中R=8.314 J/(K·mol)，为气体常数)[5]；同时，它是一种单相fcc结构固溶体，具有超过大多数高熵合金和多相合金的强度和韧性[6,7,8,9,10]。前期研究[5]发现，CrCoNi中熵合金在NaCl溶液中具有良好的耐腐蚀性能，与2205双相不锈钢相当。因此，可以将CrCoNi中熵合金作为基础合金，发展性能更加优异的工程合金[11]。

微生物腐蚀是由微生物附着在材料表面并形成生物被膜引起的[12]，它的腐蚀成本大约占所有金属和建筑等材料腐蚀成本的20%[13]。据2016年美国腐蚀工程师协会公布的全球腐蚀调研结果，全球腐蚀成本大约占国民生产总值的3.4%[14]，估算达2.5万亿美元，其中海洋环境中腐蚀造成的经济损失约占总腐蚀成本的30%。在海洋环境中，由于存在多种微生物，暴露的金属表面容易形成海洋微生物被膜，提高了发生微生物腐蚀的可能性，给许多行业带来了巨大的经济损失[15]。Xu等[12,16]认为，生物被膜的形成是造成点蚀的主要原因。生物被膜除了能够影响金属表面电化学腐蚀的阳极或阴极反应，还可以改变腐蚀反应的类型，形成生物被膜内腐蚀环境。此外，微生物新陈代谢过程中产生的侵蚀性物质会改变金属表面的膜电阻，微生物生长和繁殖所建立的屏障层还会形成金属表面的浓差电池等[17,18,19]。

铜绿假单胞菌(pseudomonas aeruginosa)是一种海洋中常见的好氧型杆状细菌，并且广泛分布于土壤、沼泽等环境，它在代谢过程中会排出有机酸、CO2和SO42-。同时，铜绿假单胞菌也是能够形成生物被膜的典型菌种，研究[20,21,22]表明，它能加速碳钢、不锈钢等多种材料的腐蚀。Zhou等[23]研究了铜绿假单胞菌对不锈钢微生物腐蚀行为的影响，发现铜绿假单胞菌生物被膜及其代谢产物的形成导致合金元素的氧化和溶解，破坏了钝化膜，加速了点蚀的发生。铜绿假单胞菌还会催化生成可溶性络合物CrO3[22,23,24]，不利于钝化膜的形成。但是，目前中/高熵合金的微生物腐蚀行为尚未见报道，铜绿假单胞菌对其微生物腐蚀行为的影响机制有待深入研究。

本工作利用电化学手段结合表面分析方法，研究了模拟海洋环境中铜绿假单胞菌对CrCoNi中熵合金微生物腐蚀行为的影响规律，探讨了在该微生物环境中的腐蚀机制，以期为CrCoNi中熵合金在海洋等领域的实际应用提供理论依据和参考。

1实验方法

1.1材料与实验介质

实验所用材料为CrCoNi中熵合金和316L不锈钢，其化学成分如表1所示。从CrCoNi中熵合金和316L不锈钢上切取尺寸为10 mm×10 mm×5 mm的试样，分别经1150 ℃、2 h和1050 ℃、1 h固溶处理后，水冷至室温。将试样去除氧化皮并用1000号砂纸打磨后，用蒸馏水、无水乙醇清洗后烘干，然后用紫外灯灭菌30 min。

表1CrCoNi中熵合金及316L不锈钢的化学成分 (mass fraction / %)

Table 1Chemical compositions of CrCoNi medium-entropy alloy (MEA) and 316L stainless steel (SS) (mass fraction / %)

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实验所用的测试溶液为无菌和含铜绿假单胞菌的2216E模拟海水液体培养基，铜绿假单胞菌(MCCC 1A00099)来自中国海洋微生物菌种保藏管理中心。2216E培养基的主要成分为：每升溶液含19.45 g NaCl、5.89 g MgCl2、3.24 g Na2SO4、1.8 g CaCl2、0.55 g KCl、0.16 g Na2CO3、0.08 g KBr、0.034 g SrCl2、0.08 g SrBr2、0.022 g H3BO3、0.004 g NaSiO3、0.0024 g NaF、0.0016 g NH4NO3、0.008 g NaH2PO4、5.0 g蛋白胨、1.0 g酵母膏和0.1 g柠檬酸铁。用温度为121 ℃的高压灭菌锅对培养基灭菌20 min。接种后培养基中铜绿假单胞菌的初始浓度约为106cell/mL。

1.2电化学测试

实验采用Gamry Reference 600电化学工作站进行开路电位(OCP)、线性极化电阻(LPR)、电化学阻抗谱(EIS)、电化学频率调制(EFM)和循环极化曲线(CP)测试。电化学测试在37 ℃的2216E培养基中连续进行14 d。测试采用经典的三电极体系，辅助电极为Pt电极(15 mm×15 mm×0.4 mm)，参比电极为饱和甘汞电极(SCE，本工作所得电压值均为相对SCE)，工作电极为用环氧树脂镶嵌的CrCoNi中熵合金和316L不锈钢试样，工作面积为1 cm2。在电化学测试中，开路电位(EOCP)的检测时间为2000 s，线性极化的扫描范围为(EOCP±5) mV，扫描速率为0.125 mV/s。电化学阻抗谱的扰动电压为5 mV，频率范围为10-2~105Hz，测量结果用ZSimpWin软件进行拟合。电化学频率调制采用的基频为0.01 Hz，输入信号幅值为5 mV，扫描4圈。循环极化从EOCP以下0.3 V开始以0.3333 mV/s的速率正向扫描，在电流密度达到1 mA/cm2时反向扫描，当达到保护电位(Eprot)后停止。循环极化测试结束后，采用DSX510金相显微镜(OM)观察试样的腐蚀形貌。

1.3腐蚀形貌分析

利用Ultra Plus型场发射扫描电子显微镜(FESEM)观察在含铜绿假单胞菌的培养基中分别浸泡7和14 d后试样的生物被膜形貌。首先将浸泡后的CrCoNi中熵合金和316L不锈钢试样放入2.5% (体积分数)戊二醛溶液中浸泡8 h以固定生物被膜，然后依次用50%、60%、70%、80%、90%、95%、100% (体积分数)的乙醇溶液脱水10 min[21]。在FESEM背散射(BSE)模式下观察试样表面的细菌形貌，并在二次电子(SE)模式下观察试样的表面形貌。利用C2 Plus型激光共聚焦扫描显微镜(CLSM)观察在含铜绿假单胞菌培养基中分别浸泡7和14 d后试样表面细菌的活性[20]。用去离子水清洗试样表面，之后用染色剂(SYTO-9+PI (1∶1))对试样表面的细菌进行染色，染色后的活细胞和死细胞分别呈现绿色和红色。

利用LSM 710型CLSM分别测量在无菌和含铜绿假单胞菌培养基中浸泡14 d后试样表面的点蚀坑深度。首先在超声波清洗器中依次用蒸馏水、无水乙醇对试样进行清洗，按照国家标准GB/T 4334.4-2000用HNO3和HF混合溶液去除腐蚀产物，之后用橡皮擦拭试样表面，最后再次用蒸馏水、无水乙醇清洗试样。在CLSM下观察清洗后试样表面的点蚀坑形貌，并统计点蚀坑深度。通常点蚀的发生是随机的，每种试样的点蚀坑深度并不是一个特定的值[25,26]，而是不同深度的点蚀坑随机分布在试样表面。本实验中每种试样的平均点蚀坑深度由随机选取的10个点蚀坑求平均值得到。点蚀坑深度的累积概率可利用n/(N+1)计算得到[27,28]，其中n是坑深从小到大排列的序号，N是选取的点蚀坑的总数。Meng等[26]给出了点蚀坑深度Gumbel分布的公式：

$?=\mathrm{e}\mathrm{x}\mathrm{p}\left\{-\mathrm{e}\mathrm{x}\mathrm{p}\left[-\frac{\left({?}_{\mathrm{i}}-?\right)}{?}\right]\right\}$(1)$?=\frac{?}{?+\mathrm{1}}$(2)$-\mathrm{l}\mathrm{n}\left(-\mathrm{l}\mathrm{n}?\right)=\frac{{?}_{\mathrm{i}}-?}{?}$(3)

式中，F为概率，di为点蚀坑深度，μ为中心参数，α为尺度参数。

Zhang等[29]提出点蚀坑深度的概率可以用下列双指数公式来描述：

$?=\mathrm{1}-\mathrm{e}\mathrm{x}\mathrm{p}\left\{-\mathrm{e}\mathrm{x}\mathrm{p}\left[-\frac{\left({?}_{\mathrm{i}}-\left[?+?\mathrm{l}\mathrm{n}?\right]\right)}{?}\right]\right\}$(4)${?}_{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}}=?+?\mathrm{l}\mathrm{n}?$(5)

式中，P表示点蚀坑深度的概率，S为试样的总面积，Pmax为最大点蚀坑深度的概率。本实验中试样的总面积为1 cm2，由式(1) ~ (5)可得点蚀坑概率的简化公式[21]：

$?=\mathrm{1}-\mathrm{e}\mathrm{x}\mathrm{p}\left\{-\mathrm{e}\mathrm{x}\mathrm{p}\left[-\frac{\left({?}_{\mathrm{i}}-?\right)}{?}\right]\right\}$(6)

2实验结果与分析

2.1电化学测试结果

2.1.1 OCP、LPR和EFM结果

CrCoNi中熵合金与316L不锈钢在无菌及含铜绿假单胞菌培养基中EOCP随时间的变化规律如图1a所示。在无菌培养基中，CrCoNi中熵合金的EOCP较为稳定，大约维持在-100 mV (vsSCE，下同)。在含铜绿假单胞菌培养基中，CrCoNi中熵合金和316L不锈钢的EOCP分别在前4 d和前3 d内急剧下降，其中CrCoNi中熵合金的EOCP由-126.8 mV降至-505.7 mV，316L不锈钢的EOCP由-132.3 mV降至-590.5 mV。EOCP的下降表明试样表面可能被Cl-和生物被膜的代谢产物腐蚀[22,30]。随后2种试样的EOCP在3~8 d内逐渐上升，其中CrCoNi中熵合金的EOCP升至-196.5 mV，316L不锈钢的EOCP升至-205.2 mV。最后6 d CrCoNi中熵合金的EOCP大约维持在-170 mV，而316L不锈钢的EOCP大约维持在-200 mV。

图1

图1CrCoNi中熵合金与316L不锈钢在无菌及含铜绿假单胞菌培养基中的开路电位(EOCP)、线性极化电阻的倒数(1/Rp)和腐蚀速率随时间的变化规律

Fig.1EOCP(a), 1/Rp(b) and corrosion rate (c)vsexposure time for CrCoNi MEA and 316L SS in sterile medium andpseudomonas aeruginosa(P. aeruginosa) medium (EOCP—open circuit potential,Rp—linear polarization resistance)

CrCoNi中熵合金与316L不锈钢在无菌及含铜绿假单胞菌培养基中线性极化电阻的倒数随时间的变化规律如图1b所示。根据Stern-Geary公式[21,31,32,33]：

${?}_{\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{r}\mathrm{r}}=\frac{{?}_{\mathrm{a}}\times {?}_{\mathrm{c}}}{\mathrm{2.303}{?}_{\mathrm{p}}\times ({?}_{\mathrm{c}}-{?}_{\mathrm{a}})}$(7)

式中，icorr为腐蚀电流密度，Rp为极化电阻，βa和βc分别为阳极和阴极Tafel斜率。可知icorr与1/Rp成正比。由图1b可知，在无菌培养基中CrCoNi中熵合金的腐蚀电流密度基本不变。在含铜绿假单胞菌培养基中，CrCoNi中熵合金和316L不锈钢的腐蚀电流密度先升高后降低，最终逐渐稳定，并且CrCoNi中熵合金的腐蚀电流密度低于316L不锈钢，此结果与EOCP结果基本一致。利用电化学频率调制研究CrCoNi中熵合金与316L不锈钢在无菌及含铜绿假单胞菌培养基中腐蚀速率随时间的变化规律，结果如图1c所示。可以看出，在无菌培养基中CrCoNi中熵合金的腐蚀速率在14 d内波动较小，大约维持在0.0025 mm/a。在含铜绿假单胞菌培养基中CrCoNi中熵合金和316L不锈钢的腐蚀速率在浸泡前期(0~2 d)急剧上升，分别升至0.0111和0.0228 mm/a；在浸泡中期(3~8 d)分别下降至0.0027和0.0054 mm/a；在浸泡后期分别大约维持在0.0025和0.0050 mm/a，此结果与OCP、LPR测试结果基本一致。

无菌及含铜绿假单胞菌培养基的pH值随时间变化情况如图2所示。可以看出，无菌培养基的pH值在14 d内基本维持在7.4左右，而含铜绿假单胞菌培养基的pH值在前7 d逐渐上升，之后维持在8.2左右。因此，腐蚀的加速并不是由细菌代谢产生的有机酸造成的。

图2

图2无菌及含铜绿假单胞菌培养基在14 d内的pH值变化曲线

Fig.2pH value change curves of the sterile medium andP. aeruginosamedium for 14 d

2.1.2 EIS结果

图3为CrCoNi中熵合金与316L不锈钢在无菌及含铜绿假单胞菌培养基中浸泡不同时间的Nyquist图和Bode图。由Nyquist图(图3a、c和e)可以看出，铜绿假单胞菌使CrCoNi中熵合金的容抗弧半径减小，表明其耐腐蚀性能降低[23]；此外，在含铜绿假单胞菌培养基中的CrCoNi中熵合金的容抗弧半径大于316L不锈钢，表明CrCoNi中熵合金的耐微生物腐蚀性能优于316L不锈钢。

图3

图3CrCoNi中熵合金与316L不锈钢在无菌及含铜绿假单胞菌培养基中浸泡不同时间的Nyquist图和Bode图

Fig.3Nyquist (a, c, e) and Bode (b, d, f) plots of CrCoNi MEA in sterile medium (a, b) andP. aeruginosamedium (c, d), and 316L SS inP. aeruginosamedium (e, f) for different time (Z'—real part of impedance,Z"—imaginative part of impedance,f—frequency,Z—modulus impedance)

由图3a可以看出，随着时间的延长，在无菌培养基中CrCoNi中熵合金的容抗弧半径逐渐增大，尤其在浸泡4 d的增加幅度较大，而浸泡7和14 d的增加幅度较小，说明随着时间的推移，钝化膜形成并逐渐变厚[23]。由图3c可以看出，除浸泡7 d外，在含铜绿假单胞菌培养基中CrCoNi中熵合金的容抗弧半径随时间的延长不断增大，表明试样表面形成钝化膜和生物被膜并逐渐变厚。浸泡7 d后，容抗弧半径的减小是由于铜绿假单胞菌形成的生物被膜诱发腐蚀，导致钝化膜受到了破坏。由图3e可以看出，在含铜绿假单胞菌培养基中316L不锈钢的容抗弧半径不断波动，这可能与Cl-和铜绿假单胞菌引起的钝化膜的破坏和再修复有关[22]。由图3b和d可以看出，在无菌和含铜绿假单胞菌培养基中CrCoNi中熵合金的Bode图没有明显差异；而由图3f可以看出，在含铜绿假单胞菌培养基中316L不锈钢的Bode图波动较大，表明随着时间的推移，316L不锈钢的极化阻抗不断波动，钝化膜不断地发生破坏和再修复，这也说明铜绿假单胞菌会显著影响316L不锈钢的耐微生物腐蚀性能。

采用ZsimpWin软件对电化学阻抗谱数据进行拟合，等效电路如图4所示[22,34]。其中Rs为溶液电阻，Rf为膜层电阻，Rct为双电层电荷转移电阻，Qf为膜层电容，Qdl为双电层电容。对于在无菌培养基中的试样，Rf为试样表面钝化膜的电阻；对于在含铜绿假单胞菌培养基中的试样，Rf为钝化膜与铜绿假单胞菌生物被膜的复合电阻。将常相位元件应用于等效电路，其阻抗(ZCPE)可由下式计算[22]：

${?}_{\mathrm{C}\mathrm{P}\mathrm{E}}={?}_{\mathrm{0}}^{-\mathrm{1}}{(??)}^{-?}$(8)

式中，Y0表示Q的大小；ω为角频率(rad/s)；n为弥散系数(0<n<1)，n越小表明弥散效应越明显，n越接近1表明体系越接近理想电容[35]。等效电路拟合结果如表2所示。可以看出，前期Rct降低，表明电子传递速率加快，铜绿假单胞菌促进了金属的阳极反应。此外，在含铜绿假单胞菌培养基中CrCoNi中熵合金的Rct小于在无菌培养基中，表明铜绿假单胞菌生物被膜具有较高的电荷传递速率，明显促进了CrCoNi中熵合金的腐蚀[21]。

图4

图4电化学阻抗谱(EIS)等效电路图

Fig.4Electrochemical impedance spectroscopy (EIS) equivalent circuit diagram (Rs—resistance of solution,Qf—capacitance of oxide film layer,Rf—resistance of oxide film layer,Qdl—capacitance of electrical double-layer,Rct—charge transfer resistance of electrical double-layer)

表2CrCoNi中熵合金与316L不锈钢在无菌及含铜绿假单胞菌培养基中EIS拟合参数

Table 2Fitting parameters for EIS of CrCoNi MEA and 316L SS in sterile medium andP. aeruginosamedium

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图10为CrCoNi中熵合金与316L不锈钢在无菌及含铜绿假单胞菌培养基中浸泡14 d后点蚀坑深度的累积概率。可以看出，在无菌培养基中CrCoNi中熵合金的点蚀坑深度在1.5~2.3 µm之间，在含铜绿假单胞菌培养基中CrCoNi中熵合金的点蚀坑深度在2.2~4.8 µm之间，而在含铜绿假单胞菌培养基中316L不锈钢的点蚀坑深度在2.8~5.8 µm之间。由此可知，铜绿假单胞菌增大了CrCoNi中熵合金的点蚀坑深度。CrCoNi中熵合金与316L不锈钢在无菌及含铜绿假单胞菌培养基中浸泡14 d后点蚀坑深度的Gumbel分布情况如图11所示，Gumbel分布的参数如表6所示。可以看出，在无菌培养基中的CrCoNi中熵合金只有1个线性区域，而在含铜绿假单胞菌培养基中的CrCoNi中熵合金和316L不锈钢有2个线性区域。这表明在无菌情况下，只存在1种腐蚀机制控制的点蚀行为，即培养基中Cl-造成的腐蚀，且此时发生的多为亚稳态点蚀；而在含铜绿假单胞菌条件下，存在2种腐蚀机制控制的点腐蚀行为[41]，即除了由于Cl-造成试样表面发生腐蚀外，还存在由于铜绿假单胞菌生物被膜覆盖而引起的微生物腐蚀，此时发生的亚稳态点蚀更容易转变为稳态点蚀[20]。

图10

图10CrCoNi中熵合金与316L不锈钢在无菌及含铜绿假单胞菌培养基中浸泡14 d后点蚀坑深度的累积概率

Fig.10Cumulative probability plots for the pit depth of CrCoNi MEA and 316L SS in sterile medium andP. aeruginosamedium for 14 d

图11

图11CrCoNi中熵合金与316L不锈钢在无菌及含铜绿假单胞菌培养基中浸泡14 d后点蚀坑深度的Gumbel分布

Fig.11Gumbel probability plots for the pit depth of CrCoNi MEA and 316L SS in sterile medium andP. aeruginosamedium for 14 d

表4CrCoNi中熵合金与316L不锈钢在无菌及含铜绿假单胞菌培养基中浸泡14 d的循环极化曲线参数

Table 4Parameters obtained from cyclic polarization curves for CrCoNi MEA and 316L SS in sterile medium andP. aeruginosamedium for 14 d

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表6CrCoNi中熵合金与316L不锈钢在无菌及含铜绿假单胞菌培养基中浸泡14 d后的Gumbel分布参数

Table 6Gumbel distribution parameters of CrCoNi MEA and 316L SS in sterile medium andP. aeruginosamedium for 14 d

Note:α—central parameter,μ—scale parameter

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图12为CrCoNi中熵合金与316L不锈钢在无菌及含铜绿假单胞菌培养基中浸泡14 d后形成稳态点蚀的概率分布。在无菌培养基中试样发生点蚀概率的斜率大于含铜绿假单胞菌培养基，即在无菌条件下形成较大点蚀坑的概率较小。铜绿假单胞菌导致CrCoNi中熵合金发生微生物腐蚀。在含铜绿假单胞菌培养基中CrCoNi中熵合金发生点蚀概率的斜率小于316L不锈钢，即在有菌条件下，CrCoNi中熵合金形成较大点蚀坑的概率小于316L不锈钢，表明CrCoNi中熵合金的耐微生物腐蚀性能优于316L不锈钢。

图12

图12CrCoNi中熵合金与316L不锈钢在无菌及含铜绿假单胞菌培养基中浸泡14 d后形成稳态点蚀的概率分布

Fig.12Probabilities of various pit depths of CrCoNi MEA and 316L SS in sterile medium andP. aeruginosamedium for 14 d

3结论

(1) 铜绿假单胞菌可在CrCoNi中熵合金表面生成不均匀的生物被膜。生物被膜的存在会一定程度上破坏试样表面的钝化膜，加速点蚀的发生。在含铜绿假单胞菌培养基中浸泡14 d后的CrCoNi中熵合金的最大点蚀坑深度达到了4.8 µm，远大于在无菌培养基中CrCoNi中熵合金的最大点蚀坑深度2.3 µm。

(2) 电化学测试结果表明，铜绿假单胞菌的生物催化会加速阳极反应，降低开路电位、线性极化电阻和电荷转移电阻，增加腐蚀电流密度和腐蚀速率。

(3) CrCoNi中熵合金的耐微生物腐蚀性能优于316L不锈钢。与316L不锈钢相比，CrCoNi中熵合金表面钝化膜的修复能力更强，并且在含铜绿假单胞菌培养基中的线性极化电阻更大、腐蚀电流密度更小，同时在含铜绿假单胞菌培养基中浸泡14 d后的最大点蚀坑也小于316L不锈钢(5.8 µm)。

来源--金属学报