液态金属腐蚀现象的量化分析方法优化

如前所述，定量描述液态金属向固态金属中的扩散程度，是对液态金属腐蚀现象进行量化分析的关键。然而，传统的液体浸泡失重法并不能准确获取扩散深度信息。同时，镓基合金价格高昂，失重法不仅实验周期长，同时将耗费高额实验成本。因此，必须针对液态金属的腐蚀特点及实验目的，来寻找特定的液态金属低成本腐蚀量化方法。

本质上讲，液态金属腐蚀研究有两大目的［11］：①对于弱耐蚀材料（腐蚀速率大，如铝合金），需通过一定的速率量化方法来认识其腐蚀过程，并进行类似材料的腐蚀趋势对比；②对于耐蚀材料（腐蚀速率小，如铜），必须通过实验获得准确的腐蚀速率，并据此来判断材料的耐蚀程度，筛选出可用的结构材料。考虑到镓具有较高的表面张力，邓月光等［1］设计了基于液滴的腐蚀量化方法。其通过分析液态镓球逐渐渗入基底材料的过程，不仅可以方便获得不同弱耐蚀材料的腐蚀趋势对比，同时可以准确测量耐蚀材料的腐蚀速率。其实验平台如图4-5所示。

图4-5　腐蚀实验平台(www.xing528.com)

图4-5所示的实验平台分为3部分：恒温控制电路、腐蚀平台，以及图像采集系统。其中，恒温控制电路采用PID控制器对腐蚀平台温度进行负反馈闭环控制，控温精度可达±0.5℃，其组成包括XSC5型PID控制器、直流稳压稳流电源DH1720A-1、T型热电偶以及TEC1-12706半导体制冷片；腐蚀平台由半导体制冷片提供恒温环境，并采用3 mm厚铜板进行均温；图像采集系统由摄像头、笔记本电脑组成，通过编写图像采集软件实现特定频率的腐蚀图像采集，并可通过图像的对比来定量描述镓基合金对基底材料的腐蚀趋势。

整个腐蚀实验过程分为两步［1］。首先，在120℃极端温度情况下对所有待选材料进行5 h的腐蚀趋势实验。此过程中，镓球发生显著腐蚀沉降的基底材料定义为弱耐蚀材料。这部分材料被排除在液态金属散热系统结构材料之外，同时其腐蚀过程趋势可以通过采集图片的镓球沉降速率进行定量描述和分析。然后，上一过程中镓球未发生明显沉降的基底材料定义为耐蚀材料。这部分材料将在同样的平台上（恒温60℃）经过30天的长期腐蚀实验，随后被横向剖开，利用扫描电镜（SEM）观察腐蚀层形貌，并用能谱仪（EDX）分析腐蚀界面处元素的分布情况，来计算准确的腐蚀速率。

因为对于任何一种基底材料而言，无论是腐蚀过程趋势的获得（弱耐蚀材料），还是准确腐蚀速率的测量（耐蚀材料），都仅需要一微滴液态金属（＜0.5 m L）。同时，图像处理方法的采用，可以在不中断腐蚀过程的前提下对腐蚀趋势进行连续动态捕捉和分析，极大地节约了腐蚀过程特征数据采集的时间。因此，基于液滴的液态金属腐蚀量化方法是一种非常有效的高效率、低成本的腐蚀研究方法。