在电子信息与新能源产业飞速发展的当下，电解铜箔作为关键基础材料，其质量直接决定了芯片、锂电池等核心产品的性能。随着芯片集成度遵循摩尔定律持续提升，锂离子电池对能量密度的需求日益迫切，高端极薄电解铜箔成为行业追求的目标。而电解铜箔的生产，离不开阴极辊这一核心设备，阴极辊钛材的精细结晶度与耐腐蚀性，更是影响铜箔表面质量和使用寿命的关键因素。近期，一项关于微量钪（Sc）对电解铜箔用阴极辊钛材腐蚀行为影响的研究，为解决高端铜箔生产难题带来了突破性进展。
电解铜箔的形成过程，本质上是铜离子在阴极辊表面的沉积，铜箔的晶体结构是阴极辊表面晶体结构的延续。这意味着，阴极辊钛材的微观结构直接决定了铜箔的质量。在实际生产中，阴极辊需在硫酸铜电解液环境下工作，且常面临液体温度升高、电流密度大、工艺溶液酸性增强、铜离子浓度低或循环量不足等严苛条件，这些因素都会加剧阴极辊钛材的电化学腐蚀。一旦钛材被腐蚀，不仅会影响铜箔的表面平整度和致密度，还会缩短阴极辊的使用寿命，增加生产成本。因此，研发兼具精细均匀结构与优异耐腐蚀性的阴极辊钛材，成为推动高端电解铜箔产业发展的核心任务。
长期以来，科研人员不断探索提升钛材耐腐蚀性的方法。合金化技术因其能显著改变钛表面微观结构和表面电位分布，进而影响腐蚀产物膜的形貌与成分，成为增强钛及钛合金耐腐蚀性的有效策略。此前，铂族金属（如 Pt、Pd、Ru）和过渡金属（如 Cr、Mo、Ta）被广泛应用于钛合金的钝化处理。例如，添加 Pt 和 Ta 可提高 TiO₂钝化膜的密度与稳定性，有效阻碍氧化物和金属离子扩散；Cr 和 Mo 则能促进钛的自发钝化，形成稳定的双氢氧化物钝化膜。
近年来，稀土元素在改善金属材料性能方面的优势逐渐凸显，在镁合金和钛合金的耐腐蚀性提升研究中崭露头角。适量稀土元素不仅能细化晶粒，还能在材料表面形成致密氧化层和腐蚀产物，减缓腐蚀进程。比如，微量 Gd 能让 Mg-1Y 合金形成富含 Gd₂O₃和 Y₂O₃的保护性钝化膜；微量 Ce 可促使镁合金形成 MgO-CeO₂-Al₂O₃复合氧化膜，阻碍腐蚀介质渗透。而钪作为一种稀土元素，此前在镁合金和 Ti-6Al-4V 合金中的研究已显示出其在细化晶粒和提升耐腐蚀性方面的潜力。基于此，科研团队创新性地提出了 β→α 双相变形结合 Sc 微合金化的技术策略，旨在制备出极细晶粒且耐腐蚀性优异的 Ti-Sc 阴极辊钛材。
不同 Sc 含量的 Ti 的 SEM 图：(a) 0 wt%；(b) 0.1 wt%；(c) 0.5 wt%；(d) 对应 A 点的 EDS 能谱分析。
为了*探究微量 Sc 对阴极辊钛材腐蚀行为的影响，科研团队设计了严谨的实验方案。实验以 1 级商业纯钛板（Fe≤0.02%，C≤0.022%，N≤0.003%，O≤0.045%，H≤0.001%，重量百分比）和纯度 99.9% 的纯钪粉为原料，通过真空悬浮熔炼技术制备 Ti-xSc（x=0, 0.1, 0.5 wt%）合金锭。每批原料总重量为 4kg，为减少钪的烧损，熔炼前将 Sc 粉封装在钛箔中，最终生产出尺寸为 Φ110×100mm 的合金锭。随后，将铸锭在水冷铜坩埚中快速淬火，并经过两次重熔循环以保证成分均匀性。通过 ONH836 气体分析仪和 EXPEC 6500 电感耦合等离子体发射光谱仪检测，测得 Ti-0.1Sc 和 Ti-0.5Sc 合金的实际 Sc 含量分别为 0.091wt% 和 0.424wt%，与设计值基本一致，为后续实验的准确性奠定了基础。
实验过程中，科研团队采用多种先进表征技术，从微观结构、电化学性能、腐蚀产物等多个维度，系统分析了不同 Sc 含量钛材的性能差异。通过电子背散射衍射（EBSD）技术观察发现，Sc 元素能显著细化钛材晶粒。纯钛（0wt% Sc）的晶粒尺寸较大且分布不均，而添加 0.1wt% Sc 后，晶粒明显变小，尺寸分布更均匀；当 Sc 含量增加到 0.5wt% 时，虽然晶粒仍较细，但出现了部分析出相。扫描电子显微镜（SEM）图像进一步显示，纯钛表面在腐蚀后存在明显的腐蚀坑和裂纹，而 Ti-0.1Sc 表面腐蚀痕迹显著减少，结构更完整，Ti-0.5Sc 表面则因析出相的存在，出现了局部腐蚀现象。
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电化学测试是评估材料耐腐蚀性的关键手段。科研团队将不同 Sc 含量的钛材试样置于 50℃的 30% 硫酸溶液中（模拟电解铜箔生产中的严苛腐蚀环境），进行动电位极化曲线和电化学阻抗谱（EIS）测试。动电位极化曲线结果显示，Ti-0.1Sc 的腐蚀电位显著高于纯钛，腐蚀电流密度则远低于纯钛，这表明 Ti-0.1Sc 的耐腐蚀性大幅优于纯钛；而 Ti-0.5Sc 的腐蚀电位低于 Ti-0.1Sc，腐蚀电流密度高于 Ti-0.1Sc，耐腐蚀性有所下降。EIS 测试结果也印证了这一结论，Ti-0.1Sc 的电荷转移电阻*，说明其表面腐蚀产物膜的阻隔性能最强，能有效阻碍腐蚀介质与钛基体的接触，减缓腐蚀进程。
Ti、Ti-0.1Sc 和Ti-0.5Sc 在 50℃的 30% 硫酸溶液中浸泡 36 小时后的表面和截面 SEM 图像：(a, b) Ti 表面形貌；(c) Ti 截面形貌；(d, e) Ti-0.1Sc 表面形貌；(f) Ti-0.1Sc 截面形貌；(g, h) Ti-0.5Sc 表面形貌；(i) Ti-0.5Sc 截面形貌。
为深入探究 Sc 元素提升钛材耐腐蚀性的机制，科研团队通过 X 射线光电子能谱（XPS）、X 射线衍射（XRD）、透射电子显微镜（TEM）等技术对腐蚀产物进行了分析。XPS 结果显示，Ti-0.1Sc 表面形成了由 Ti 和 Sc 氧化物组成的致密氧化膜，其中 Sc 的氧化物能进一步增强氧化膜的稳定性，阻碍腐蚀介质渗透；而纯钛表面的氧化膜主要为 TiO₂，且存在一定缺陷。XRD 分析表明，三种钛材在硫酸溶液中的腐蚀产物主要为 δ 氢化物，氢化物与钛基体之间存在共格界面，具有特定的取向关系（<2110>Ti//<011>δ，(0001) Ti//(111)δ），且氢化物表面覆盖一层 TiO₂薄膜。
TEM 观察则揭示了 Sc 元素对氢致腐蚀的抑制作用。纯钛在腐蚀过程中，氢原子易在基体中扩散并形成氢化物，导致基体产生内应力，进而引发裂纹；而 Ti-0.1Sc 中的 Sc 元素能增强氢原子吸附，阻碍氢原子结合形成氢气释放，减少氢化物的生成，从而抑制腐蚀裂纹的产生和扩展。对于 Ti-0.5Sc，由于 Sc 含量过高，形成了富 Sc 析出相，这些析出相在腐蚀过程中充当局部阳极，优先发生溶解，破坏了钝化膜和腐蚀产物层的完整性，同时在析出相附近产生裂纹，导致腐蚀加剧，这也解释了为何 Ti-0.5Sc 的耐腐蚀性不如 Ti-0.1Sc。
此外，电子探针显微分析（EPMA）结果显示，Ti-0.1Sc 中的 Fe 杂质元素含量显著低于纯钛和 Ti-0.5Sc。这是因为 Sc 元素能与 Fe 杂质形成稳定的化合物，消除 Fe 杂质对钛材耐腐蚀性的不利影响。Fe 杂质在钛材中易形成局部微电池，加速腐蚀进程，Sc 对 Fe 的消除作用，进一步提升了 Ti-0.1Sc 的耐腐蚀性。
综合所有实验结果，科研团队得出了明确结论：微量 Sc 元素能显著提升电解铜箔用阴极辊钛材的耐腐蚀性，其中 0.1wt% 的 Sc 含量效果*。Sc 元素主要通过三种机制改善钛材耐腐蚀性：一是作为晶粒细化剂，通过在晶界偏析和析出，细化晶粒，同时消除 Fe 杂质，减少腐蚀 敏感点；二是促进钛表面形成由 Ti 和 Sc 氧化物组成的致密氧化膜，阻碍腐蚀介质渗透；三是抑制阴极析氢反应（HER），减少氢化物生成，从而抑制腐蚀裂纹的形成与扩展。当 Sc 含量超过 0.1wt%（如 0.5wt%）时，会产生富 Sc 析出相，破坏钝化膜完整性，导致耐腐蚀性下降。
这项研究成果具有重要的理论意义和实际应用价值。在理论层面，它深入揭示了 Sc 元素对钛材腐蚀行为的影响机制，丰富了稀土元素在钛合金中的作用理论，为钛合金的成分设计提供了新的思路。在实际应用中，该研究为高端电解铜箔用阴极辊钛材的研发提供了切实可行的技术方案。采用 β→α 双相变形结合 0.1wt% Sc 微合金化技术制备的 Ti-Sc 钛材，兼具极细晶粒和优异耐腐蚀性，不仅能提升高端超薄电解铜箔的表面质量和强度，还能延长阴极辊的使用寿命，降低生产成本，为我国高端电解铜箔产业突破技术瓶颈、实现国产化替代提供了关键支撑。
随着电子信息和新能源产业的持续发展，对高端电解铜箔的需求将不断增加，而阴极辊钛材的性能升级是推动电解铜箔产业发展的重要保障。未来，科研团队可在此基础上，进一步优化 Sc 的添加方式和工艺参数，探索 Sc 与其他元素的协同作用，以期开发出性能更优异的阴极辊钛材，为我国在高端材料领域的发展贡献更多力量。同时，该研究思路也为其他金属材料的耐腐蚀性提升提供了借鉴，有望在航空航天、海洋工程等领域的金属材料研发中得到应用，具有广阔的推广前景。
