研究作者与机构：本文的主要作者包括Izi Guo、Yingli Yang、Jinping Wu、Bin Zhao、Hengzhang Zhao、Hangbiao Su、Yafeng Lu，研究所在中国西安的Northwest Institute for Non-Ferrous Metal Research。
期刊与发表时间：该研究发表在《Journal of Electron Spectroscopy and Related Phenomena》(第189卷，2013年，122–126页)。
研究主题：本文研究了Ti–6Ta二元合金在8 mol/L沸腾硝酸腐蚀环境中的氧化膜形成机制、结构演化及耐腐蚀行为。
核材料的性能需求日益严格，尤其是它们在核燃料后处理过程中的抗腐蚀性能，对核安全具有全球性重要性。传统的不锈钢在沸腾硝酸这样的酸性介质中，容易发生严重的晶间腐蚀及全面腐蚀，因此需要寻找更高耐腐蚀性的新材料。钛合金因其在硝酸环境中的优越抗腐蚀性能而成为候选材料，主要归因于其表面稳定的氧化膜。然而，在含强氧化剂（如Cr6+）的硝酸中，钛的腐蚀率显著增加，因此通过与难熔金属（如Ta、Nb）合金化来提高其耐腐蚀性能成为研究重点。已有研究表明，钛与添加的铽（Ta）形成的氧化膜（包括Ta2O5和TiO2）具有连续、稳定和良好附着力的特点，但关于氧化膜形成的详细机制及分层结构仍缺乏深入研究。这篇研究的目标是通过实验研究Ti–6Ta合金氧化膜的分层结构、形成机制及其对耐腐蚀性能的贡献。
材料制备：
研究中使用的是Ti–6Ta（质量分数）合金，其成分包括6.2% Ta，0.03% Fe，0.05% O，0.003% H，其余为Ti。合金首先通过真空电弧炉二次熔炼获得铸锭，随后在1180℃的β相区锻造以破碎原始粗β晶粒边界，然后在830℃的α+β区进行锻造以细化晶粒尺寸。锻件退火处理（650℃，真空条件2小时）后，通过冷轧制成厚度为3毫米的薄板，并对试样进行精细打磨和化学腐蚀石墨样。
腐蚀实验：
腐蚀实验在8 mol/L沸腾硝酸中进行，测试时间共432小时，每隔48小时更换硝酸溶液，并每24小时记录样品的失重量，计算腐蚀速率。腐蚀速率以失重法计算公式[y = (365 * Δw) / (ρst)]（其中Δw为失重，ρ为密度，s为表面积，t为时间）得出。
表面表征与结构分析：
腐蚀后的试样表面通过扫描电子显微镜（SEM）与能谱仪（EDS）观察微观形貌。通过X射线衍射仪（XRD）分析氧化膜的相组成，同时使用X射线光电子能谱（XPS）结合Ar+溅射层层去除氧化膜以揭示不同深度的组成和化学状态。对于XPS数据，使用Shirley背景扣除处理以准确拟合谱峰。
Ti–6Ta合金的初始结构：
XRD分析表明，Ti–6Ta合金晶体结构主要由α-Ti相构成，而金相显微结构中发现含少量（%体积分数）的体心立方β相沉淀，其Ta含量显著高于名义成分。
腐蚀速率变化：
实验数据显示，Ti–6Ta合金在腐蚀环境中的腐蚀速率呈指数下降：在前48小时为0.051 mm/y，而在432小时时降低至0.014 mm/y，表明该材料拥有出色的耐腐蚀性能。
氧化膜的表面形貌和微观结构：
SEM观察到经过腐蚀试验后的样品表面不均匀腐蚀，包括平坦区域、孔隙和腐蚀坑。平坦区域中氧化物成团聚簇状分布，存在局部微孔结构。
氧化膜的相组成与分层结构：
XPS和XRD分析表明，Ti–6Ta合金氧化膜可以分为三层：
氧化膜的形成机制：
氧化膜内亚氧化物（Ti2O3和TaO）的存在表明，氧化反应不仅局限于液相中Me4+沉积为氧化物的过程。此外，研究推测初步氧化物Ti2O3与TaO在膜内部进一步氧化为化学稳定的TiO2和Ta2O5。
氧化膜的破坏机制：
TiO2在硝酸中溶解速度较快，部分氧化膜的破坏导致基体局部再暴露并重新被氧化，形成新的氧化膜。这种交替溶解和氧化稳定了中间层（Layer II）的厚度。同时Ta2O5因其极低的溶解速率而在表面逐步富集，起到屏蔽保护作用。
主要结论：
Ti–6Ta合金的氧化膜具有典型的三层结构，其中化学稳定的氧化物（TiO2和Ta2O5）通过亚氧化物演化而来。腐蚀后Ta原子在表面层富集，起到了显著的屏蔽作用，是耐腐蚀性能提高的关键点。
科学与应用价值：
本研究揭示了Ti–6Ta合金在硝酸环境下氧化膜的形成机制，展示了通过合金化实现耐腐蚀性能增强的具体路径。这为核工业钛合金材料的优化设计及应用提供了可靠的理论依据和实验支持。
技术亮点：
本文通过逐层溅射结合XPS详尽解析了氧化膜的分层与分布，为理解复杂腐蚀过程的纳米级结构变化提供了新的视角。
本研究为Ti–Ta系核材料的开发提供了关键的科学依据，尤其是为理解其氧化膜的分层结构与形成机制提供了详实数据，同时强调了Ta2O5在提升材料耐腐蚀性能中的核心作用。这对于涉及强腐蚀环境的关键设备材料开发具有深远意义。