粟志偉，周艷文，郭 誠，張開策，武俊生，徐 帥，王 鼎

(1. 遼寧科技大學材料與冶金學院，遼寧 鞍山 114051；2. 鞍鋼建設集團有限公司，遼寧 鞍山 114000)

0 前 言

隨著陸地資源愈發(fā)短缺、枯竭，海洋資源的開發(fā)利用必要且迫切。海洋中蘊含了大量的油氣、礦物和生物資源，是未來資源開發(fā)的重點[1,2]。但海洋環(huán)境極其復雜，對材料的性能要求苛刻。海水是一種高鹽溶液，高的氯離子濃度使得很多常規(guī)材料無法應用于海洋環(huán)境，奧氏體不銹鋼作為一種常見的耐蝕材料，由于在高氯離子環(huán)境下耐蝕性不佳而在海洋環(huán)境中使用受限[3]。新材料的應用為海洋材料提供了新的方向。鈦合金是一種比強度高的輕合金材料，是海洋材料中的新秀[4]。其具有優(yōu)異的耐蝕能力，能在海洋環(huán)境中長期服役。鈦合金還具有優(yōu)良的生物相容性，這使得鈦合金在醫(yī)學方面應用亦十分廣泛[5]。但在海洋環(huán)境中，鈦合金的生物相容性卻成為了限制其應用的一大弊端，生物污損會破壞鈦合金表面的鈍化層，加速鈦合金的腐蝕[6]。海洋中生活著大量的生物，部分海洋生物會吸附在海洋材料表面生存繁衍，對海洋材料造成了極大的影響。生物吸附在海洋結構材料上會造成海洋設備的質量增加，生物代謝產生的有機酸亦會加速材料的腐蝕，造成海洋材料的過早失效。生物若吸附在艦船表面，會增加艦船的油耗和維護成本[7]。

當下主流的抗生物附著的方法是刷涂一層具有生物毒性的有機漆料，常用的是含有銅或氧化亞銅的有機漆，通過離子的溢出殺死生物，達到抑制生物生長的作用[8]。但有機漆料普遍存在耐久性較差、易剝落的缺點，需要定期補漆，維護；且有機漆料破損失效后，在海水中分解為微塑料，剝落的涂層顆粒相比普通塑料危害性更大，且已占到微塑料來源的35%，嚴重破壞了海洋生態(tài)環(huán)境[9]。近年提出的超疏水涂層，通過激光表面改性或制備一層具有高疏水性的涂層起到抑制生物吸附的作用，在實驗條件下具有一定效果，但尚不能全面應用于實際環(huán)境[10]。生物吸附過程中，有機物或者油膜的加入可能會降低超疏水涂層的性能，且大部分超疏水涂層仍以有機漆料為本體或黏合劑，對海洋環(huán)境存在潛在的危害[11-14]。近年來新興的在金屬表面通過磁控濺射技術制備金屬及金屬-陶瓷保護涂層的技術為防治海洋生物污損提供了新的方案。金屬防護涂層與基體金屬之間的結合力優(yōu)異，可在材料表面制備一層耐生物附著涂層，并在涂層中摻入一定量的抑菌元素，以達到改善基材的使用性能。Ag作為抑菌元素常被用來改善涂層的抗生物附著性能。Cai等[15]研究發(fā)現摻入銀的CrN涂層對枯草芽孢桿菌有良好的抑制效果。類金剛石(DLC)涂層是一種碳質膜，除了具有優(yōu)秀的減摩性能外，化學性質穩(wěn)定也是其一大優(yōu)勢。吳耀佳等[16]通過在DLC中摻雜銀等金屬元素，在降低涂層的內應力的同時使涂層具備抗菌性能，改善了硬質涂層在海洋環(huán)境中的使用性能。磁控濺射技術是一種優(yōu)秀的防生物污損涂層制備技術，但磁控濺射需要材料表面潔凈無油污，無雜質顆粒，同時需要一定的真空環(huán)境，通常為0.1～8.0 Pa[17]，如此嚴苛的涂層制備過程很難在大型海洋設備上實施，故艦船、潛航器等大型海洋設備無法整體應用該技術?？紤]到實際應用的限制，需要一種能適應船廠制造環(huán)境的涂層制備技術。冷噴涂技術也可以制備金屬 - 金屬涂層，其原理是通過高壓氣體將金屬粉末噴涂至基材表面，在極大的動能下，噴涂材料發(fā)生絕熱剪切失穩(wěn)現象，在基材表面發(fā)生嚴重的塑性變形，形成涂層[18]。這是一種簡單可靠的涂層制備技術，對基材表面要求低，噴涂工藝實施過程簡單可控。最重要的是，冷噴涂技術可大面積制備防護涂層，這使得在艦船、潛航器等大型海洋設備表面整體制備防護涂層成為可能。主流的冷噴涂金屬抗污涂層主要為Al、Ni、Cu基涂層[19]。王琳等[20]在Q235基體上制備了Al - 銀納米線復合涂層，復合涂層的設計在沒有犧牲涂層耐蝕性的前提下，提升了材料的防污性能。丁銳等[21]通過冷噴涂制備Cu - Cu2O抗生物污損涂層，通過離子滲出率及海洋掛片測試，表明冷噴涂制備銅基抗污損涂層具有抑制生物污損效果。若通過冷噴涂技術在海洋材料表面制備一層含有抑菌金屬的金屬涂層，使得涂層具有機漆的殺菌能力的同時，噴涂制備的金屬涂層與基體之間亦具有良好的結合力，耐久性能可進一步提升。本工作將通過冷噴涂技術在TB10鈦合金表面制備銅(Cu)、銅 - 銀(Cu - Ag)涂層，并測試其耐硫酸鹽還原菌(Sulfate reducing bacteria, SRB)生物污損能力及耐腐蝕性能，通過生物浸泡和電化學試驗探究了涂層的保護作用并分析其影響機制。

1 試 驗

1.1 試驗材料

試驗材料為TB10(Ti - 5Mo - 5V - 2Cr - 3Al)鈦合金。噴涂粉體材料為商用粒徑20 μm左右的銅(Cu)、銀(Ag)樹枝晶純金屬粉末的機械混合物，質量混合比為Cu∶Ag=9∶1。試驗用菌種為實驗室采集純化的硫酸鹽還原菌(SRB)。細菌培養(yǎng)基成分為：磷酸氫二鉀(K2HPO4) 0.5 g/L；氯化銨(NH4Cl) 1.0 g/L； 硫酸鈉 (Na2SO4) 0.5 g/L；乳酸鈉 3 mL/L；酵母膏(碳源) 1.0 g/L；氯化鈣(CaCl2) 0.1 g/L；硫酸鎂(MgSO4) 2.0 g/L；抗壞血酸 0.1 g/L；硫酸亞鐵銨 0.2 g/L。

1.2 試驗過程

試驗基片由直徑30 mm的TB10鈦合金棒料經線切割制備，厚度為3 mm。切割后的試樣有切削液油污，需浸泡在丙酮中超聲清洗30 min，去除表面油污；清洗完成后，采用壓縮空氣干燥試樣表面。噴涂前，采用噴砂機對試樣表面進行打磨，達到去除表面氧化及增加界面結合面積的目的。噴涂設備為中科院金屬所研制的IMR1000型冷噴涂系統(tǒng)。噴涂時，Cu及Cu - Ag均采用相同工藝。試樣通過夾具固定，噴涂距離為40 mm，噴涂溫度為420 ℃，氣源采用脫水壓縮空氣，工作壓強為2.8 MPa，采用扁口型噴嘴，噴涂8～10道次，厚度為200～450 μm。噴涂結束后，將試樣采用線切割分割為1/4圓片，分割結束后，采用丙酮浸泡超聲清洗30 min去除切削液油污，壓縮空氣干燥，準備進行生物浸泡試驗。在進行生物浸泡前，在未制備涂層面焊接導線并采用704硅膠對試樣進行四面封裝，僅將試樣對比面暴露在試驗環(huán)境下，以便觀察其變化情況。封孔樣品在硅膠封裝完畢后，將樣品浸入光敏漆中超聲振動5 min，取出后在自然光照環(huán)境下固化60 min完成封孔。

SRB細菌培養(yǎng)步驟如下：(1)制取2 000 mL去離子水并配制培養(yǎng)液，調節(jié)pH值至7.2左右；(2)將培養(yǎng)基裝入錐形瓶中進行高壓蒸汽滅菌，溫度121 ℃，時間30 min；(3)將培養(yǎng)基轉移至無菌操作臺，冷卻至室溫后，添加抗壞血酸及硫酸亞鐵銨(高溫下易分解)；(4)分裝400 mL培養(yǎng)基至四口瓶作為空白對照；(5)采用移液槍吸取1 mL菌種液，滴入錐形瓶，充分搖勻，再分裝至4支四口瓶中；(6)將5支四口瓶封口，至于同一環(huán)境下，靜置培養(yǎng)，每天觀察培養(yǎng)液顏色并采集培養(yǎng)液測量溶液光密度。

在接種后第4 d觀察到培養(yǎng)液變黑，說明細菌已經開始生長繁殖。打開瓶口，有刺激性氣味，由于SRB代謝會產生有臭雞蛋氣味的H2S，故判斷SRB細菌接種成功并開始增殖[22]。將封裝好的試樣分為3組，即TB10基體、TB10 - Cu涂層組和TB10 - Cu - Ag涂層組。分別浸入3支四口瓶中，每隔24 h采集培養(yǎng)液檢測溶液吸光度。在浸泡后的第3，7，12 d各取出一枚試樣固化脫水。固化脫水流程如下：

在培養(yǎng)液中取出試樣后，先浸入2 %戊二醛溶液中，浸泡1 h；再使用25 %，50 %，75 %，100 %乙醇水溶液依次各浸泡15 min進行梯度脫水。固化完成后，自然干燥，搭配變色硅膠密封存放。

1.3 檢測方法

噴涂制備Cu及Cu - Ag涂層后，采用X’Pert Pro 型X 射線衍射儀進行X射線衍射(XRD)檢測膜層中的物相結構，掃描角度為20°～100°，掃描速度為10 (°)/min。采用Zeiss - SIGMA HD掃描電鏡(SEM)觀察固化試樣的表面形貌，以獲取包括0.5～5.0 μm大小細菌在表面的分布情況及試樣表面腐蝕情況。SEM采用二次電子模式，加速電壓為5 kV。采用安捷倫Cary 5000 型紫外 - 可見 - 近紅外分光光度計測量培養(yǎng)液光密度的方法間接表征溶液中的細菌濃度。由于培養(yǎng)液是同時配制并進行分裝，且放置在同一光照環(huán)境下密封存放，故溶液的初始情況及環(huán)境相同。不同對照組在特定波長的光密度的不同可以體現出不同四口瓶內細菌活動的差別。本試驗取在波長550 nm處的光密度值表征培養(yǎng)液中的SRB菌液濃度[22]。采用Vertex. C. EIS 型電化學工作站在模擬海洋環(huán)境下，對涂層前、后的TB10試樣進行了電化學性能測試。即選用質量分數為3.5%的氯化鈉溶液作為人工海水，將試樣浸泡30 min，待開路電位穩(wěn)定后，使用三電極電化學工作站進行極化曲線測量。測試的參比電極為飽和甘汞電極，開路電位-200～400 mV，掃描速率為1.6 mV/s。

2 結果與討論

2.1 涂層結構及形貌

圖1為Cu及Cu - Ag涂層的XRD衍射譜。由圖1可知，噴涂制備的Cu及Cu - Ag涂層中，Cu涂層的擇優(yōu)取向為(111)，Cu - Ag涂層中存在銀的(111)衍射峰，說明Ag摻入了涂層。Cu和Ag均為面心立方結構，其晶體的密排面為(111)，沿此面生長需克服的表面能最低，形成過程中的阻力最小[23]。在Cu - Ag涂層中，由于Ag的摻入量只有Cu 的1/10，因此銀的(111)峰強度較弱。XRD譜結果說明用粒徑20 μm左右樹枝晶狀的Cu、Ag粉末經過機械混合后再冷噴涂可以制備出銅銀復合涂層。

圖2為噴涂Cu和Cu - Ag涂層表面形貌。從圖2可以看出涂層表面較為粗糙，有明顯的顆粒感及形變痕跡，這與冷噴涂涂層的制備過程有關。在冷噴涂過程中，金屬粉末經高壓空氣加速，再經過特定的拉瓦爾噴嘴噴出，達到超音速狀態(tài)飛至試樣表面，在試樣表面發(fā)生碰撞產生快速且嚴重的塑性變形，進而沉積在試樣表面，故噴涂涂層的表面較為粗糙。圖2a所示的Cu層表面相比于圖2b的Cu - Ag涂層顆粒更明顯，形貌的差異與在相同溫度下Ag具有比Cu更優(yōu)異的延展性有關[24]。Ag的摻入使得涂層整體的可塑性提高，涂層表面顆粒相比純Cu涂層變形更劇烈，表面更扁平。

2.2 SRB生長周期

細菌在特定波長下會表面出吸收峰，該峰可間接體現細菌的生長趨勢。圖3為分光光度計采集的550 nm處光密度反映的細菌生長趨勢圖。由圖3可見，TB10基體、Cu和Cu - Ag涂層的吸光度具有相同的變化趨勢。在16 d的培養(yǎng)周期內，細菌的活動分3個階段：在初始的0～5 d里，吸光度曲線陡增，這時細菌初始濃度較低，營養(yǎng)物質豐富，細菌正在快速增殖。在5～13 d里，吸光度曲線不再陡增，而呈現波動狀態(tài)，這說明細菌的增殖與死亡交疊，此時細菌繁殖活性保持在較高水平的同時，其死亡比率大幅升高。在13 d之后，吸光度曲線趨于平滑，此時培養(yǎng)瓶內SRB細菌繁殖和死亡達到高度平衡，說明這個期間,培養(yǎng)液中營養(yǎng)物質耗盡，SRB菌的活度開始下降，不再有爆發(fā)式繁殖；同時也說明菌的生命力尚未減弱，死亡率不會因為菌的爆發(fā)式繁殖而升高，因此波動度減弱。

一般而言，TB10鈦合金具有生物相容性，其對菌的繁衍應具有一定促進作用。Cu和Cu - Ag涂層通常應有較強的抑菌作用，它們表面活性SRB菌相對較少。但在圖3中TB10基體的吸光度小于Cu和Cu - Ag涂層的吸光度這一現象目前較難解釋，還有待進一步深入研究。

2.3 表面形貌及成分

圖4為試樣浸泡3，7，12 d后的表面形貌。從圖4a～4c的鈦合金浸泡3，7及12 d的表面形貌可以看出，SRB菌呈現較均勻分布，固化的SRB菌尸體較完整，沒有碎化分裂形貌，說明了鈦合金的生物相容性。從鈦合金初始3 d的形貌可看出(圖4a)細菌呈脈狀分布，有一定較密的SRB菌群聚集；7 d(圖4b)和12 d(圖4c)表面相比，在SRB菌均勻分布的同時，12 d的鈦合金表面菌的密度高。與圖3的TB10曲線相對應，在SRB菌繁衍的爆發(fā)期(第3 d)，鈦合金表面菌的密度最高；在SRB菌的繁衍向下波動期(第7 d)，鈦合金表面菌的密度下降；在SRB繁殖平衡期，鈦合金表面菌的密度再次上升，再次說明了鈦合金的生物相容性，其表面與培養(yǎng)液中SRB菌的密度相一致。從圖4d～4f的Cu涂層浸泡3，7及12 d的表面形貌可以看出，SRB菌主要生長在涂層的縫隙中，且有較少的聚集現象。隨著浸泡時間的延長，試樣表面菌的密度增加，同時菌的尸體的完整性有被破壞的跡象。圖3中藍色線的吸光最高值在5～7 d，第12 d平穩(wěn)期的吸光度比最高值低，與圖4e和4f的Cu涂層表面固化菌的密度不完全匹配。主要原因為細菌更易聚集在涂層孔隙中。從圖4g～4i的Cu - Ag涂層浸泡3，7及12 d的表面形貌可以看出， 與鈦合金及Cu涂層表面菌的密度相比，Cu - Ag涂層表面SRB菌的密度最低，主要吸附在涂層凹陷處。 第3 d的試樣表面(圖4g)的菌的尸體已經發(fā)生碎裂。隨著浸泡時間的延長，菌的密度略有增加。第12 d的試樣表面(圖4i)，幾乎看不到完整的SRB菌，而是表面形成細碎的腐蝕產物。

總之，鈦合金基體具有生物相容性，Cu和Ag具有抑菌性，且Ag比Cu的抑菌性強。與SRB的生長周期相比較，鈦合金表面的菌群分布和數量與之相符；Cu及Cu - Ag涂層表面菌群分布與培養(yǎng)液中SRB菌的生長周期不完全一致，這種現象可能是涂層表面抑菌性導致。

細菌在樣品表面的活動會產生腐蝕性代謝產物，進而破壞基體。圖5為帶有凹坑的鈦合金表面掃描電鏡形貌及元素分布圖，該圖可見明顯的凹坑，并且在凹坑處有物質吸附。對鈦合金表面凹陷區(qū)的SEM掃描及元素分布分析表明，凹陷處的硫(S)和鐵(Fe)元素均呈較高密度分布，氧(O)分布變化不明顯，說明此處有SRB的生命活動：SRB細菌在鈦合金表面生長代謝，產生H2S等酸性物質，并與培養(yǎng)基中的亞鐵離子結合，產生了鐵的硫化物沉淀[25]。凹陷區(qū)可能為SRB細菌代謝產生的酸性物質侵蝕鈦合金基體產生的。

2.4 Cu和Cu - Ag涂層的抑菌機制

圖6為試樣在SRB培養(yǎng)液中浸泡3 d后表面的SRB細菌的SEM形貌。明顯可見，在Cu、Cu - Ag涂層表面固化菌群均存在一定程度的破損細胞，而TB10表面菌的形貌完整。故判斷TB10鈦合金具有生物相容性，Cu和Cu - Ag金屬涂層對細菌具有破壞作用，會導致其破損死亡，這也是金屬涂層對生物污損起抑制作用的原因。從破損量上分析，Ag的摻入促進了SRB細菌的破損死亡，這符合以往的試驗規(guī)律，Ag離子的抑菌性強于Cu離子的[26]。在涂層試樣表面，完整細菌及破損細菌同時存在，可以判斷涂層的抗菌類附著過程為：細菌在培養(yǎng)液中接觸到試樣表面，產生吸附；細菌在試樣表面的代謝活動產生的酸性物質[27]，促進了銅銀金屬離子的析出，金屬離子與SRB細菌表面接觸，細菌表面的功能蛋白質含有羧基(-COOH)、氨基(-NH2)及巰基(-SH)等極易與銅、銀的金屬離子結合的基團，與銅銀金屬離子的結合置換了其中的功能性元素，導致蛋白質變性，使得蛋白質的功能喪失或固化進而導致細胞外壁失去對外界的隔離作用；金屬離子侵入細胞體內，與體內的蛋白酶，遺傳物質等結合，導致蛋白質異化，無法參與代謝；遺傳物質損壞，不能進行增殖；最終導致細菌死亡，裂解。以銀離子為例，金屬離子作用過程可總結為以下3步：

(1)海水環(huán)境和細菌代謝促進離子溢出：

H++Ag→Ag++H(吸附在金屬表面)

(2)金屬離子攻擊細胞外壁：

Ag++Pr(protein)-COOH(-SH；-NH2)→Pr-COOAg(-SHAg;-NHAg)+H+

(3)金屬離子破壞細胞內部結構：

Ag++(DNA;RNA;Pr)-COOH(-SH;-NH2)→(DNA;RNA;Pr)-COOAg(-SHAg;-NHAg)+H+

2.5 腐蝕特征

圖7為Cu、Cu - Ag涂層的截面形貌。圖7a～7d為Cu涂層截面形貌，圖7b～7d為涂層的上部，中部及涂層 - 基體界面處形貌。圖7e～7g為Cu - Ag涂層的截面形貌，其中圖7e為涂層頂部形貌，圖7f為涂層界面形貌?？梢钥闯?，2種涂層整體均存在孔隙，孔隙的存在使得涂層的耐蝕性降低。鈦合金作為海洋服役材料，制備涂層后其在海水環(huán)境中的腐蝕性能測試十分必要。我們采用質量分數為3.5%的氯化鈉溶液模擬海水，對試樣進行電化學測試。圖8為TB10基體、Cu、Cu - Ag涂層及TB10 - Cu+paint、TB10 - Cu - Ag+paint試樣的極化曲線。由圖可見，TB10基體的腐蝕電位最高，為 -144.9 mV，說明活潑的鈦合金表面形成了一層致密氧化物，其自腐蝕電位較高。正因為如此，其在海洋環(huán)境下較為耐蝕，尤其是耐氯離子腐蝕[28,29]。鈦合金的極化曲線還表明，其自腐蝕電流密度也較低，為1.55×10-7A/cm2，因此其腐蝕速率較低，腐蝕發(fā)生過程將十分緩慢。與TB10鈦合金相比，帶Cu及Cu - Ag涂層的試樣腐蝕電位較低，分別為-300.0 mV和-209.1 mV，相對鈦合金更易發(fā)生腐蝕。另外，帶Cu及Cu - Ag涂層的試樣的自腐蝕電流分別為4.16×10-5A/cm2和1.81×10-5A/cm2，相比鈦合金基體高了3個數量級，腐蝕速率相對更快。在海水環(huán)境中帶有涂層的材料接觸到海水，涂層率先與海水及其中的微生物反應，在涂層表面形成高活性的殺菌金屬離子層，達到良好的抑制微生物繁殖的作用。同時，涂層的存在起到了犧牲陽極的作用，涂層較低的腐蝕電位保護鈦合金不會先發(fā)生腐蝕。

過高的腐蝕電流密度不利于涂層的耐久性。故為提升涂層的耐久性，使用清漆對涂層進行封孔處理。封孔后進行電化學測試，結果如圖8所示：封孔后，TB10 - Cu+paint試樣腐蝕電位升高，為-204.1 mV，腐蝕電流為4.912×10-7A/cm2；TB10 - Cu - Ag+paint試樣腐蝕電位無明顯變化，為-212.7 mV，腐蝕電流為6.77×10-7A/cm2。相較于未封孔試樣，2種涂層試樣的腐蝕電流密度均降低了2個數量級。有效提升了涂層的耐蝕性。且根據圖4所示，細菌多吸附在涂層縫隙處，封孔的應用可優(yōu)化涂層的抗污損性能。

3 結 論

本工作采用冷噴涂技術在TB10鈦合金表面制備了Cu及Cu - Ag涂層，通過SRB生物浸泡試驗測試涂層的抗生物污損能力。試驗表明，采用冷噴涂技術在鈦合金基體表面制備Cu及Cu - Ag涂層，與具有生物相容性的TB10鈦合金相比，Cu及Cu - Ag涂層具有抑制SRB菌的性能。Ag抑菌過程中，破壞了更多生物的結構，使其外壁呈網狀破碎，故Cu - Ag涂層呈現了比Cu涂層更強的抑菌能力。另外，涂層的腐蝕電位低于鈦合金的，起到了犧牲陽極的作用保護基體；涂層腐蝕速率高于鈦合金的，有利于在材料表面生成高活性殺菌離子層。在進行封孔處理后，涂層的腐蝕電流密度降低了2個量級，耐蝕性有效提升，這將延長涂層的使用壽命。