研究磁场对Fe基非晶涂层耐腐蚀性的影响：来自分形维数分析和氧空位行为的见解

《Journal of Non-Crystalline Solids》：Investigating the impact of magnetic fields on the corrosion resistance of Fe-based amorphous coatings: Insights from fractal dimension analysis and oxygen vacancy behavior

　　研究Fe??Co??Si??B??非晶涂层在3.5% NaCl溶液中受0/0.1/0.4 T磁场作用7天的电化学腐蚀行为，发现磁场通过调控表面分形维度（D值变化）和氧空位扩散系数影响腐蚀速率，结合三角函数变换的数学模型验证分形维度主导腐蚀机制，水膜存在加速离子传输。为模拟海况下磁调控蚀提供新方法。

　　

Miqi Wang|Chi He|Buxiang Li|Liyuan Li|Jing Sun|Aihui Liu|Fang Shi

中国江苏省淮安市淮阴理工学院机械与材料工程学院，邮编223003

摘要

本研究探讨了等离子喷涂制备的Fe??Co??Si??B??非晶涂层在3.5 wt.% NaCl溶液中浸泡7天时，在不同外加磁场强度（0 T、0.1 T和0.4 T）下的电化学腐蚀性能。结果表明，由于磁场的作用，Fe?O?和CoFe等二元相发生了轻微变化。分形维数（D）的计算表明，表面形貌受到磁场显著影响。基于分形维数和电化学参数的三角函数变换的标准化电化学数据分析显示，分形维数在电化学腐蚀行为中起主导作用。氧空位的扩散系数以及电化学阻抗谱（EIS）计算出的断裂频率表明，磁场改变了反应的速率限制步骤。水膜的存在通过促进离子传输增强了电化学反应。这些发现通过数学方法的合作，为理解磁场主导的腐蚀机制提供了宝贵的见解，并为在模拟海洋环境中调节耐腐蚀性提供了潜在策略。

引言

金属的耐腐蚀能力取决于其在实际环境中的表现，而这种环境通常会受到海洋环境中外加磁场的影响。先前的研究[[1], [2], [3]]表明，某些相的排列方式可能会影响磁场下的物理形态。例如，与电化学腐蚀反应的动力学过程相关的电荷分布会因磁场而改变，从而加速或减缓金属的腐蚀速率[4]。在海洋环境中，由于存在大量腐蚀性介质，这种效应会更加明显。因此，研究磁场对金属部件的影响对于为实际设备提供科学设计指导至关重要。

表面涂层技术可以在金属部件表面形成一层结构长度尺度层，有效隔离海水中的腐蚀性物质与金属表面的接触，从而显著提高金属部件在磁场下的耐腐蚀性[6]。值得注意的是，基于Fe的非晶涂层具有出色的耐腐蚀性能，能够减少腐蚀对金属部件的损害，延长其使用寿命并降低维护成本[7,8]。应进一步研究基于Fe的非晶涂层的韧性及适应性，以增强制造能力。通过模拟磁场进行的科学实验将为解决实际环境中的腐蚀问题提供关键步骤。

目前，尚未有统一的研究将外部环境磁场演变引起的经验规律与腐蚀性能相关联。例如，Costa [10]等人指出，界面边界处氧的传输有利于颗粒在磁化表面的附着，这一点通过高频域的EIS数据得到了验证。Zhang [11]等人发现，顺磁梯度力/磁流体动力学的贡献和发展使得腐蚀速率的选择性降低成为可能。还提出，磁场方向和强度的多维排列可以更好地应用于不同环境的腐蚀改进。尽管一些研究[12,13]表明，磁性层的结构配置有助于抑制金属腐蚀，但针对磁场变化环境下实际腐蚀性能的研究仍然有限。先前的研究[14,15]也证明了，在外加磁场下，金属或复合涂层的潜在工程应用可以通过热电磁流体效应得以实现。

在本研究中，采用等离子喷涂技术精确制备了Fe??Co??Si??B??非晶涂层。本研究旨在探讨该涂层在模拟海洋条件下的内在耐腐蚀性能。通过施加不同强度（0、0.1和0.4 T）的稳态磁场，利用XRD、SEM和三电极电化学测试系统全面评估了涂层浸泡7天后的腐蚀演变规律。除了进行基础实验研究外，本研究还基于分形维数和电化学参数的三角函数变换，对电化学数据进行了标准化分析。这种数学和统计研究可以为腐蚀探索的新领域提供新的见解。

原材料与涂层制备

本研究选用的基于Fe的非晶粉末的组成为Fe??Co??Si??B??（按原子百分比计）。粉末的微观结构如图1所示，颗粒具有较高的球形度，粒径分布范围为50至100 μm。该粉末具有优异的流动性，符合等离子喷涂工艺的要求。选择这种粉末的主要依据是...

喷涂后涂层的表面形貌

图3显示了喷涂后的基于Fe的非晶涂层的表面形貌及其放大图像。可以观察到，涂层表面由大量形状不规则的细小颗粒组成，呈现多面体或近似球形。颗粒之间存在明显的孔洞，这些孔洞大小不一且分布随机，表明喷涂过程中涂层可能未完全致密。整体表面较为粗糙...

结论

本研究全面探讨了Fe??Co??Si??B??非晶涂层在模拟海洋环境（不同磁场强度0 T、0.1 T和0.4 T）下的电化学腐蚀性能。研究采用了分形维数和电化学参数等多方面数学方法来阐明这些涂层的耐腐蚀性。未来的工作应包括3D可编程技术的补充应用...

数据声明

如需获取支持本研究结果的数据，可向相应作者提出合理请求。

作者贡献声明

Miqi Wang：撰写初稿、数据可视化、方法论设计、实验实施、数据分析。Chi He：撰写审查与编辑、数据可视化、方法论设计。Buxiang Li：方法论设计。Liyuan Li：研究监督、方法论设计、资金筹集、概念构思。Jing Sun：撰写审查与编辑、方法论设计、资金筹集。Aihui Liu：撰写审查与编辑、数据可视化、研究监督。Fang Shi：数据可视化、研究监督、软件应用。

利益冲突声明

我们声明与任何可能不当影响我们工作的个人或组织均无财务或个人关系，也没有任何形式的专业或其他个人利益涉及可能影响本文内容或审稿过程的产品、服务及/或公司。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（项目编号52101140）和江苏省基础研究计划（项目编号BK20241093）的财政支持。