Al-Co-Cr-Fe-Ni-Cux抗菌高熵合金的成分设计和海洋微生物腐蚀研究

By attaching and forming biofilms on the surface, the marine bacteria accelerate the corrosion process of metal components. To solve this problem, the given excellent antibacterial property of material is beneficial to improve the microbiologically influenced corrosion (MIC) resistance. From this point of view, according to the multi-principal compositional feature of high-entropy alloys (HEAs), in the present project, we add the broad-spectrum antibacterial Cu into the corrosion-resistant Al-Co-Cr-Fe-Ni HEAs as one of the major elements, and design the antibacterial Al-Co-Cr-Fe-Ni-Cux HEAs based on the solution forming criterions and “cluster-plus-glue-atom mode”. By investigating the microstructures, antibacterial properties, and the microbial corrosion behavior of the Al-Co-Cr-Fe-Ni-Cux HEAs, the existence form of Cu element and the corresponding antibacterial mechanism will be confirmed. The influence of Cu addition on the microstructures, the properties of biological film, the passive film, and further on the MIC behavior will be revealed. The possible mechanisms of how Al-Co-Cr-Fe-Ni-Cux HEAs prevent MIC will be stated. The relationships among compositions, microstructures and MIC behavior of Al-Co-Cr-Fe-Ni-Cux HEAs will be established. The present study lays the scientific foundation to develop the MIC-resistant HEAs as new materials, which is vital and meaningful for enriching the fundamental theory and promoting the application fields of HEAs.

海洋微生物通过附着在材料表面形成生物膜，加速金属构件的腐蚀。针对此问题，本项目从赋予材料优异抗菌特性，从而抑制生物膜的形成来提高耐微生物腐蚀性能的思路出发，根据高熵合金多主元的成分特点，提出了向Al-Co-Cr-Fe-Ni高熵合金中加入广谱抗菌Cu作为主要元素之一，基于高熵合金固溶体形成经验判据和“团簇原子稳定固溶体结构模型”设计Al-Co-Cr-Fe-Ni-Cux抗菌高熵合金。通过对高熵合金微观组织、抗菌性能、微生物腐蚀行为的研究，确定Cu元素存在形式及抗菌机制；揭示Cu含量对高熵合金微观组织、表面生物膜、钝化膜以及微生物腐蚀特征的影响；阐明Al-Co-Cr-Fe-Ni-Cux高熵合金耐微生物腐蚀机理；建立高熵合金成分、微观组织与微生物腐蚀行为之间的关系。为发展耐微生物腐蚀高熵合金新材料奠定科学基础，对丰富高熵合金的基础理论、拓展高熵合金的应用领域具有重要意义。

由海洋微生物引起的腐蚀问题严重影响了海洋工程装备设施的安全可靠性，因此，开发新型抗海洋微生物腐蚀材料是国内外海洋工程领域的研究重点。本项目针对海洋微生物引起的材料腐蚀失效问题，基于高熵合金多组元和简单固溶体结构的成分结构特点，通过抗菌Cu的添加，赋予Al0.1CoCrFeCux耐蚀高熵合金突出的抗菌特性，从而提高耐微生物腐蚀性能，获得了具有优异耐海洋微生物腐蚀性能的新型Al0.1CoCrFeNiCux高熵合金。首先，基于CALPHAD相图热力学计算方法对Al0.1CoCrFeNiCux高熵合金的相组成进行预测，并通过微观组织表征研究Cu元素添加对相组成的影响，通过成分调节对高熵合金的微观组织进行调控。其次，选取海洋环境中主要腐蚀微生物之一铜绿假单胞菌作为培养细菌，通过对Al0.1CoCrFeNiCux高熵合金抗菌性能的研究，确定Cu元素的添加对抗菌性能的影响。采用活/死细胞染色，活性氧（ROS）检测等方法，扫描电镜和荧光显微镜等检测技术，研究Al0.1CoCrFeNiCux高熵合金的抗菌机理。最后，在有菌/无菌的海水介质中分别对Al0.1CoCrFeNiCux系高熵合金样品进行动电位极化以及交流阻抗电化学测试，研究合金在有菌环境下的腐蚀行为，对细菌/生物膜存在导致的局部腐蚀行为进行分析，阐明了微生物腐蚀机制。通过研究不同程度 Cu 合金化的 Al0.1CoCrFeNiCux高熵合金微生物腐蚀特征，揭示了合金成分、微观组织对生物膜、钝化膜特性以及微生物腐蚀行为的影响，建立了Al0.1CoCrFeNiCux系高熵合金成分、微观组织结构与微生物腐蚀行为之间的关系。项目研究为发展耐微生物腐蚀高熵合金新材料提供了科学依据。研究成果将为海洋工程用合金提供新的高性能候选材料，丰富了高熵合金的基础理论、拓展了高熵合金的应用领域。