冷喷涂Cu(Ag)涂层对TB10钛合金的生物污损防护

粟志伟，周艳文，郭 诚，张开策，武俊生，徐 帅，王 鼎

(1. 辽宁科技大学材料与冶金学院，辽宁 鞍山 114051；2. 鞍钢建设集团有限公司，辽宁 鞍山 114000)

0 前 言

随着陆地资源愈发短缺、枯竭，海洋资源的开发利用必要且迫切。海洋中蕴含了大量的油气、矿物和生物资源，是未来资源开发的重点[1,2]。但海洋环境极其复杂，对材料的性能要求苛刻。海水是一种高盐溶液，高的氯离子浓度使得很多常规材料无法应用于海洋环境，奥氏体不锈钢作为一种常见的耐蚀材料，由于在高氯离子环境下耐蚀性不佳而在海洋环境中使用受限[3]。新材料的应用为海洋材料提供了新的方向。钛合金是一种比强度高的轻合金材料，是海洋材料中的新秀[4]。其具有优异的耐蚀能力，能在海洋环境中长期服役。钛合金还具有优良的生物相容性，这使得钛合金在医学方面应用亦十分广泛[5]。但在海洋环境中，钛合金的生物相容性却成为了限制其应用的一大弊端，生物污损会破坏钛合金表面的钝化层，加速钛合金的腐蚀[6]。海洋中生活着大量的生物，部分海洋生物会吸附在海洋材料表面生存繁衍，对海洋材料造成了极大的影响。生物吸附在海洋结构材料上会造成海洋设备的质量增加，生物代谢产生的有机酸亦会加速材料的腐蚀，造成海洋材料的过早失效。生物若吸附在舰船表面，会增加舰船的油耗和维护成本[7]。

当下主流的抗生物附着的方法是刷涂一层具有生物毒性的有机漆料，常用的是含有铜或氧化亚铜的有机漆，通过离子的溢出杀死生物，达到抑制生物生长的作用[8]。但有机漆料普遍存在耐久性较差、易剥落的缺点，需要定期补漆，维护；且有机漆料破损失效后，在海水中分解为微塑料，剥落的涂层颗粒相比普通塑料危害性更大，且已占到微塑料来源的35%，严重破坏了海洋生态环境[9]。近年提出的超疏水涂层，通过激光表面改性或制备一层具有高疏水性的涂层起到抑制生物吸附的作用，在实验条件下具有一定效果，但尚不能全面应用于实际环境[10]。生物吸附过程中，有机物或者油膜的加入可能会降低超疏水涂层的性能，且大部分超疏水涂层仍以有机漆料为本体或黏合剂，对海洋环境存在潜在的危害[11-14]。近年来新兴的在金属表面通过磁控溅射技术制备金属及金属-陶瓷保护涂层的技术为防治海洋生物污损提供了新的方案。金属防护涂层与基体金属之间的结合力优异，可在材料表面制备一层耐生物附着涂层，并在涂层中掺入一定量的抑菌元素，以达到改善基材的使用性能。Ag作为抑菌元素常被用来改善涂层的抗生物附着性能。Cai等[15]研究发现掺入银的CrN涂层对枯草芽孢杆菌有良好的抑制效果。类金刚石(DLC)涂层是一种碳质膜，除了具有优秀的减摩性能外，化学性质稳定也是其一大优势。吴耀佳等[16]通过在DLC中掺杂银等金属元素，在降低涂层的内应力的同时使涂层具备抗菌性能，改善了硬质涂层在海洋环境中的使用性能。磁控溅射技术是一种优秀的防生物污损涂层制备技术，但磁控溅射需要材料表面洁净无油污，无杂质颗粒，同时需要一定的真空环境，通常为0.1～8.0 Pa[17]，如此严苛的涂层制备过程很难在大型海洋设备上实施，故舰船、潜航器等大型海洋设备无法整体应用该技术。考虑到实际应用的限制，需要一种能适应船厂制造环境的涂层制备技术。冷喷涂技术也可以制备金属 - 金属涂层，其原理是通过高压气体将金属粉末喷涂至基材表面，在极大的动能下，喷涂材料发生绝热剪切失稳现象，在基材表面发生严重的塑性变形，形成涂层[18]。这是一种简单可靠的涂层制备技术，对基材表面要求低，喷涂工艺实施过程简单可控。最重要的是，冷喷涂技术可大面积制备防护涂层，这使得在舰船、潜航器等大型海洋设备表面整体制备防护涂层成为可能。主流的冷喷涂金属抗污涂层主要为Al、Ni、Cu基涂层[19]。王琳等[20]在Q235基体上制备了Al - 银纳米线复合涂层，复合涂层的设计在没有牺牲涂层耐蚀性的前提下，提升了材料的防污性能。丁锐等[21]通过冷喷涂制备Cu - Cu2O抗生物污损涂层，通过离子渗出率及海洋挂片测试，表明冷喷涂制备铜基抗污损涂层具有抑制生物污损效果。若通过冷喷涂技术在海洋材料表面制备一层含有抑菌金属的金属涂层，使得涂层具有机漆的杀菌能力的同时，喷涂制备的金属涂层与基体之间亦具有良好的结合力，耐久性能可进一步提升。本工作将通过冷喷涂技术在TB10钛合金表面制备铜(Cu)、铜 - 银(Cu - Ag)涂层，并测试其耐硫酸盐还原菌(Sulfate reducing bacteria, SRB)生物污损能力及耐腐蚀性能，通过生物浸泡和电化学试验探究了涂层的保护作用并分析其影响机制。

1 试 验

1.1 试验材料

试验材料为TB10(Ti - 5Mo - 5V - 2Cr - 3Al)钛合金。喷涂粉体材料为商用粒径20 μm左右的铜(Cu)、银(Ag)树枝晶纯金属粉末的机械混合物，质量混合比为Cu∶Ag=9∶1。试验用菌种为实验室采集纯化的硫酸盐还原菌(SRB)。细菌培养基成分为：磷酸氢二钾(K2HPO4) 0.5 g/L；氯化铵(NH4Cl) 1.0 g/L； 硫酸钠 (Na2SO4) 0.5 g/L；乳酸钠 3 mL/L；酵母膏(碳源) 1.0 g/L；氯化钙(CaCl2) 0.1 g/L；硫酸镁(MgSO4) 2.0 g/L；抗坏血酸 0.1 g/L；硫酸亚铁铵 0.2 g/L。

1.2 试验过程

试验基片由直径30 mm的TB10钛合金棒料经线切割制备，厚度为3 mm。切割后的试样有切削液油污，需浸泡在丙酮中超声清洗30 min，去除表面油污；清洗完成后，采用压缩空气干燥试样表面。喷涂前，采用喷砂机对试样表面进行打磨，达到去除表面氧化及增加界面结合面积的目的。喷涂设备为中科院金属所研制的IMR1000型冷喷涂系统。喷涂时，Cu及Cu - Ag均采用相同工艺。试样通过夹具固定，喷涂距离为40 mm，喷涂温度为420 ℃，气源采用脱水压缩空气，工作压强为2.8 MPa，采用扁口型喷嘴，喷涂8～10道次，厚度为200～450 μm。喷涂结束后，将试样采用线切割分割为1/4圆片，分割结束后，采用丙酮浸泡超声清洗30 min去除切削液油污，压缩空气干燥，准备进行生物浸泡试验。在进行生物浸泡前，在未制备涂层面焊接导线并采用704硅胶对试样进行四面封装，仅将试样对比面暴露在试验环境下，以便观察其变化情况。封孔样品在硅胶封装完毕后，将样品浸入光敏漆中超声振动5 min，取出后在自然光照环境下固化60 min完成封孔。

SRB细菌培养步骤如下：(1)制取2 000 mL去离子水并配制培养液，调节pH值至7.2左右；(2)将培养基装入锥形瓶中进行高压蒸汽灭菌，温度121 ℃，时间30 min；(3)将培养基转移至无菌操作台，冷却至室温后，添加抗坏血酸及硫酸亚铁铵(高温下易分解)；(4)分装400 mL培养基至四口瓶作为空白对照；(5)采用移液枪吸取1 mL菌种液，滴入锥形瓶，充分摇匀，再分装至4支四口瓶中；(6)将5支四口瓶封口，至于同一环境下，静置培养，每天观察培养液颜色并采集培养液测量溶液光密度。

在接种后第4 d观察到培养液变黑，说明细菌已经开始生长繁殖。打开瓶口，有刺激性气味，由于SRB代谢会产生有臭鸡蛋气味的H2S，故判断SRB细菌接种成功并开始增殖[22]。将封装好的试样分为3组，即TB10基体、TB10 - Cu涂层组和TB10 - Cu - Ag涂层组。分别浸入3支四口瓶中，每隔24 h采集培养液检测溶液吸光度。在浸泡后的第3，7，12 d各取出一枚试样固化脱水。固化脱水流程如下：

在培养液中取出试样后，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进行梯度脱水。固化完成后，自然干燥，搭配变色硅胶密封存放。

1.3 检测方法

喷涂制备Cu及Cu - Ag涂层后，采用X’Pert Pro 型X 射线衍射仪进行X射线衍射(XRD)检测膜层中的物相结构，扫描角度为20°～100°，扫描速度为10 (°)/min。采用Zeiss - SIGMA HD扫描电镜(SEM)观察固化试样的表面形貌，以获取包括0.5～5.0 μm大小细菌在表面的分布情况及试样表面腐蚀情况。SEM采用二次电子模式，加速电压为5 kV。采用安捷伦Cary 5000 型紫外 - 可见 - 近红外分光光度计测量培养液光密度的方法间接表征溶液中的细菌浓度。由于培养液是同时配制并进行分装，且放置在同一光照环境下密封存放，故溶液的初始情况及环境相同。不同对照组在特定波长的光密度的不同可以体现出不同四口瓶内细菌活动的差别。本试验取在波长550 nm处的光密度值表征培养液中的SRB菌液浓度[22]。采用Vertex. C. EIS 型电化学工作站在模拟海洋环境下，对涂层前、后的TB10试样进行了电化学性能测试。即选用质量分数为3.5%的氯化钠溶液作为人工海水，将试样浸泡30 min，待开路电位稳定后，使用三电极电化学工作站进行极化曲线测量。测试的参比电极为饱和甘汞电极，开路电位-200～400 mV，扫描速率为1.6 mV/s。

2 结果与讨论

2.1 涂层结构及形貌

图1为Cu及Cu - Ag涂层的XRD衍射谱。由图1可知，喷涂制备的Cu及Cu - Ag涂层中，Cu涂层的择优取向为(111)，Cu - Ag涂层中存在银的(111)衍射峰，说明Ag掺入了涂层。Cu和Ag均为面心立方结构，其晶体的密排面为(111)，沿此面生长需克服的表面能最低，形成过程中的阻力最小[23]。在Cu - Ag涂层中，由于Ag的掺入量只有Cu 的1/10，因此银的(111)峰强度较弱。XRD谱结果说明用粒径20 μm左右树枝晶状的Cu、Ag粉末经过机械混合后再冷喷涂可以制备出铜银复合涂层。

图2为喷涂Cu和Cu - Ag涂层表面形貌。从图2可以看出涂层表面较为粗糙，有明显的颗粒感及形变痕迹，这与冷喷涂涂层的制备过程有关。在冷喷涂过程中，金属粉末经高压空气加速，再经过特定的拉瓦尔喷嘴喷出，达到超音速状态飞至试样表面，在试样表面发生碰撞产生快速且严重的塑性变形，进而沉积在试样表面，故喷涂涂层的表面较为粗糙。图2a所示的Cu层表面相比于图2b的Cu - Ag涂层颗粒更明显，形貌的差异与在相同温度下Ag具有比Cu更优异的延展性有关[24]。Ag的掺入使得涂层整体的可塑性提高，涂层表面颗粒相比纯Cu涂层变形更剧烈，表面更扁平。

2.2 SRB生长周期

细菌在特定波长下会表面出吸收峰，该峰可间接体现细菌的生长趋势。图3为分光光度计采集的550 nm处光密度反映的细菌生长趋势图。由图3可见，TB10基体、Cu和Cu - Ag涂层的吸光度具有相同的变化趋势。在16 d的培养周期内，细菌的活动分3个阶段：在初始的0～5 d里，吸光度曲线陡增，这时细菌初始浓度较低，营养物质丰富，细菌正在快速增殖。在5～13 d里，吸光度曲线不再陡增，而呈现波动状态，这说明细菌的增殖与死亡交叠，此时细菌繁殖活性保持在较高水平的同时，其死亡比率大幅升高。在13 d之后，吸光度曲线趋于平滑，此时培养瓶内SRB细菌繁殖和死亡达到高度平衡，说明这个期间,培养液中营养物质耗尽，SRB菌的活度开始下降，不再有爆发式繁殖；同时也说明菌的生命力尚未减弱，死亡率不会因为菌的爆发式繁殖而升高，因此波动度减弱。

一般而言，TB10钛合金具有生物相容性，其对菌的繁衍应具有一定促进作用。Cu和Cu - Ag涂层通常应有较强的抑菌作用，它们表面活性SRB菌相对较少。但在图3中TB10基体的吸光度小于Cu和Cu - Ag涂层的吸光度这一现象目前较难解释，还有待进一步深入研究。

2.3 表面形貌及成分

图4为试样浸泡3，7，12 d后的表面形貌。从图4a～4c的钛合金浸泡3，7及12 d的表面形貌可以看出，SRB菌呈现较均匀分布，固化的SRB菌尸体较完整，没有碎化分裂形貌，说明了钛合金的生物相容性。从钛合金初始3 d的形貌可看出(图4a)细菌呈脉状分布，有一定较密的SRB菌群聚集；7 d(图4b)和12 d(图4c)表面相比，在SRB菌均匀分布的同时，12 d的钛合金表面菌的密度高。与图3的TB10曲线相对应，在SRB菌繁衍的爆发期(第3 d)，钛合金表面菌的密度最高；在SRB菌的繁衍向下波动期(第7 d)，钛合金表面菌的密度下降；在SRB繁殖平衡期，钛合金表面菌的密度再次上升，再次说明了钛合金的生物相容性，其表面与培养液中SRB菌的密度相一致。从图4d～4f的Cu涂层浸泡3，7及12 d的表面形貌可以看出，SRB菌主要生长在涂层的缝隙中，且有较少的聚集现象。随着浸泡时间的延长，试样表面菌的密度增加，同时菌的尸体的完整性有被破坏的迹象。图3中蓝色线的吸光最高值在5～7 d，第12 d平稳期的吸光度比最高值低，与图4e和4f的Cu涂层表面固化菌的密度不完全匹配。主要原因为细菌更易聚集在涂层孔隙中。从图4g～4i的Cu - Ag涂层浸泡3，7及12 d的表面形貌可以看出， 与钛合金及Cu涂层表面菌的密度相比，Cu - Ag涂层表面SRB菌的密度最低，主要吸附在涂层凹陷处。 第3 d的试样表面(图4g)的菌的尸体已经发生碎裂。随着浸泡时间的延长，菌的密度略有增加。第12 d的试样表面(图4i)，几乎看不到完整的SRB菌，而是表面形成细碎的腐蚀产物。

总之，钛合金基体具有生物相容性，Cu和Ag具有抑菌性，且Ag比Cu的抑菌性强。与SRB的生长周期相比较，钛合金表面的菌群分布和数量与之相符；Cu及Cu - Ag涂层表面菌群分布与培养液中SRB菌的生长周期不完全一致，这种现象可能是涂层表面抑菌性导致。

细菌在样品表面的活动会产生腐蚀性代谢产物，进而破坏基体。图5为带有凹坑的钛合金表面扫描电镜形貌及元素分布图，该图可见明显的凹坑，并且在凹坑处有物质吸附。对钛合金表面凹陷区的SEM扫描及元素分布分析表明，凹陷处的硫(S)和铁(Fe)元素均呈较高密度分布，氧(O)分布变化不明显，说明此处有SRB的生命活动：SRB细菌在钛合金表面生长代谢，产生H2S等酸性物质，并与培养基中的亚铁离子结合，产生了铁的硫化物沉淀[25]。凹陷区可能为SRB细菌代谢产生的酸性物质侵蚀钛合金基体产生的。

2.4 Cu和Cu - Ag涂层的抑菌机制

图6为试样在SRB培养液中浸泡3 d后表面的SRB细菌的SEM形貌。明显可见，在Cu、Cu - Ag涂层表面固化菌群均存在一定程度的破损细胞，而TB10表面菌的形貌完整。故判断TB10钛合金具有生物相容性，Cu和Cu - Ag金属涂层对细菌具有破坏作用，会导致其破损死亡，这也是金属涂层对生物污损起抑制作用的原因。从破损量上分析，Ag的掺入促进了SRB细菌的破损死亡，这符合以往的试验规律，Ag离子的抑菌性强于Cu离子的[26]。在涂层试样表面，完整细菌及破损细菌同时存在，可以判断涂层的抗菌类附着过程为：细菌在培养液中接触到试样表面，产生吸附；细菌在试样表面的代谢活动产生的酸性物质[27]，促进了铜银金属离子的析出，金属离子与SRB细菌表面接触，细菌表面的功能蛋白质含有羧基(-COOH)、氨基(-NH2)及巯基(-SH)等极易与铜、银的金属离子结合的基团，与铜银金属离子的结合置换了其中的功能性元素，导致蛋白质变性，使得蛋白质的功能丧失或固化进而导致细胞外壁失去对外界的隔离作用；金属离子侵入细胞体内，与体内的蛋白酶，遗传物质等结合，导致蛋白质异化，无法参与代谢；遗传物质损坏，不能进行增殖；最终导致细菌死亡，裂解。以银离子为例，金属离子作用过程可总结为以下3步：

(1)海水环境和细菌代谢促进离子溢出：

H++Ag→Ag++H(吸附在金属表面)

(2)金属离子攻击细胞外壁：

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

(3)金属离子破坏细胞内部结构：

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

2.5 腐蚀特征

图7为Cu、Cu - Ag涂层的截面形貌。图7a～7d为Cu涂层截面形貌，图7b～7d为涂层的上部，中部及涂层 - 基体界面处形貌。图7e～7g为Cu - Ag涂层的截面形貌，其中图7e为涂层顶部形貌，图7f为涂层界面形貌。可以看出，2种涂层整体均存在孔隙，孔隙的存在使得涂层的耐蚀性降低。钛合金作为海洋服役材料，制备涂层后其在海水环境中的腐蚀性能测试十分必要。我们采用质量分数为3.5%的氯化钠溶液模拟海水，对试样进行电化学测试。图8为TB10基体、Cu、Cu - Ag涂层及TB10 - Cu+paint、TB10 - Cu - Ag+paint试样的极化曲线。由图可见，TB10基体的腐蚀电位最高，为 -144.9 mV，说明活泼的钛合金表面形成了一层致密氧化物，其自腐蚀电位较高。正因为如此，其在海洋环境下较为耐蚀，尤其是耐氯离子腐蚀[28,29]。钛合金的极化曲线还表明，其自腐蚀电流密度也较低，为1.55×10-7A/cm2，因此其腐蚀速率较低，腐蚀发生过程将十分缓慢。与TB10钛合金相比，带Cu及Cu - Ag涂层的试样腐蚀电位较低，分别为-300.0 mV和-209.1 mV，相对钛合金更易发生腐蚀。另外，带Cu及Cu - Ag涂层的试样的自腐蚀电流分别为4.16×10-5A/cm2和1.81×10-5A/cm2，相比钛合金基体高了3个数量级，腐蚀速率相对更快。在海水环境中带有涂层的材料接触到海水，涂层率先与海水及其中的微生物反应，在涂层表面形成高活性的杀菌金属离子层，达到良好的抑制微生物繁殖的作用。同时，涂层的存在起到了牺牲阳极的作用，涂层较低的腐蚀电位保护钛合金不会先发生腐蚀。

过高的腐蚀电流密度不利于涂层的耐久性。故为提升涂层的耐久性，使用清漆对涂层进行封孔处理。封孔后进行电化学测试，结果如图8所示：封孔后，TB10 - Cu+paint试样腐蚀电位升高，为-204.1 mV，腐蚀电流为4.912×10-7A/cm2；TB10 - Cu - Ag+paint试样腐蚀电位无明显变化，为-212.7 mV，腐蚀电流为6.77×10-7A/cm2。相较于未封孔试样，2种涂层试样的腐蚀电流密度均降低了2个数量级。有效提升了涂层的耐蚀性。且根据图4所示，细菌多吸附在涂层缝隙处，封孔的应用可优化涂层的抗污损性能。

3 结 论

本工作采用冷喷涂技术在TB10钛合金表面制备了Cu及Cu - Ag涂层，通过SRB生物浸泡试验测试涂层的抗生物污损能力。试验表明，采用冷喷涂技术在钛合金基体表面制备Cu及Cu - Ag涂层，与具有生物相容性的TB10钛合金相比，Cu及Cu - Ag涂层具有抑制SRB菌的性能。Ag抑菌过程中，破坏了更多生物的结构，使其外壁呈网状破碎，故Cu - Ag涂层呈现了比Cu涂层更强的抑菌能力。另外，涂层的腐蚀电位低于钛合金的，起到了牺牲阳极的作用保护基体；涂层腐蚀速率高于钛合金的，有利于在材料表面生成高活性杀菌离子层。在进行封孔处理后，涂层的腐蚀电流密度降低了2个量级，耐蚀性有效提升，这将延长涂层的使用寿命。