海洋大气环境下装备材料的腐蚀与防护研究进展

在海洋大气环境中，高强钢、不锈钢和铝合金等装备材料的腐蚀是一个值得关注的问题，其严重影响了海洋武器装备服役寿命、可靠性和战技性能[1]。海洋环境腐蚀防护的实质是降低材料与海洋环境之间的电化学反应速度，改善材料、改变环境、把材料和环境两者隔离、或者减少腐蚀性介质在材料与环境之间的交换等均是相应的有效措施。因此，在研究装备材料海洋大气腐蚀与防护方面，发展更先进的腐蚀控制技术具有重要意义。

1 海洋大气腐蚀

1.1 特征

海洋大气腐蚀是材料在海洋大气温度、湿度和盐雾介质等作用下发生化学、电化学或物理相互作用的结果。海洋大气环境的特点是长期高温、高湿、高盐雾和强辐照，金属材料在海洋大气中的腐蚀速率显著高于其他大气环境，为内陆大气腐蚀的 2～5倍[2-3]。许凤玲等[4]研究了高强度低合金钢在模拟海洋大气环境下的光照对腐蚀的影响规律，发现当外界合适波长的光辐射到其表面时，这种光伏效应产生的电子和空穴会影响阴阳极反应从而影响大气腐蚀。Song等[5]发现紫外线（UV）照射对Q235碳钢在含NaCl的大气环境中的腐蚀行为影响尤为强烈。高强钢、不锈钢和铝合金等材料广泛用于舰船、水陆两栖车辆、舰载飞机等装备[6-7]。腐蚀是影响海洋武器装备服役寿命、可靠性和战技性能的主要因素之一，掌握武器装备典型结构材料在海洋大气服役条件下的腐蚀规律和腐蚀控制方法，有利于提高装备的环境适应性，具有显著经济效益和军事效益[8]。

1.2 主要形式和机理

在高温、高湿、高盐雾、强辐照、干湿交替等自然环境以及磨损、冲击、拉伸、弯曲、扭转等服役工况综合作用下，装备关键结构件常常发生点蚀、晶间腐蚀、层状腐蚀、电偶腐蚀、应力腐蚀开裂、腐蚀疲劳等环境损伤行为[9-12]。

1）点蚀又称孔蚀（Pitting），常出现于金属表面的敏感微区，形核后会向金属内部纵深不断扩展，是金属材料在钝态下的一种最常见腐蚀形态。当点蚀发生形核时，表明局部钝化膜被破坏，因此探究点蚀的形核机理首先应阐明局部钝化膜的破裂机理，目前其主要理论模型包括竞争吸附模型、阴离子穿透模型和化学-机械模型等[13-16]。Vera等人[17]研究了相对湿度、温度、大气污染物和 Cl-浓度等环境因素对 2A12、AA6201铝合金腐蚀行为的影响，结果表明，点蚀通常发生在潮湿时间最长的区域，大气污染物的不均匀分布促进了铝合金的局部腐蚀。中科院金属所的刘莉等人[18]通过模拟加速海洋大气环境，研究了2A02铝合金在海洋大气环境中的腐蚀发生和扩展规律，发现铝及其合金的腐蚀发生在较薄电解质膜下的金属表面，早期腐蚀主要发生在第二相颗粒周围的铝基体上，Cl-不仅可以吸附在第二相附近，还可以吸附其他不完整和有缺陷的部分。因此，Cl-引起的腐蚀点蚀不仅发生在第二相颗粒附近，而且也发生在其他区域。点蚀逐渐扩展到整个试样表面，腐蚀类型由点蚀转变为均匀腐蚀，后期形成连续的内腐蚀层。

2）晶间腐蚀（Intergranular Corrosion，IGC）是指腐蚀沿着金属或合金的晶粒边界或其附近区域发展，造成晶粒间的结合力丧失。通常情况下，晶间腐蚀的扩展速度快、腐蚀深度低，主要是氧气与侵蚀性溶液难以在狭窄的腐蚀通道中传输引起的。关于晶间腐蚀理论主要有阳极溶解理论、晶界附近无沉淀析出带与晶内击穿电压差异理论和晶界析出相溶解形成闭塞电池区域引起腐蚀扩展理论。2Cr13Mn9Ni4钢常用来制作翼梁、机身、机尾及武器系统中的重要零件，但熔炼、焊接和热处理等过程造成晶界及其附近区域形成贫铬区，在海洋大气交变腐蚀环境下，腐蚀速度加快[19]。Sara Bocchi等人[20]在摩擦搅拌焊接AA2024-T3接头上发现，在载荷作用下，裂纹尖端处的阳极溶解速率提高，因此进一步加速裂纹尖端的阳极溶解和氢脆，证明了应力能够促进晶间腐蚀。近年来还有学者[21]发现，铝合金晶间腐蚀会促进局部腐蚀的发生，在特定的晶粒内部发展成为点蚀。

3）层状腐蚀又称剥蚀（Exfoliation Corrosion，EXCO），是指腐蚀从金属或合金表面开始，沿平行于表面的晶界扩展，腐蚀产物使未发生腐蚀的金属脱离金属基体，导致层状剥落的一种腐蚀现象。剥蚀会导致铝合金材料的强度、塑性及疲劳性能大幅下降，严重缩短材料的使用寿命。剥蚀现象主要存在于Al-Cu-Mg系、Al-Mg系、Al-Mg-Si系和 Al-Zn-Mg系等合金中。剥蚀兼具晶间腐蚀和应力腐蚀的特征，是一种复杂的化学和力学综合作用结果。目前研究普遍认为，拉长的晶粒和晶界的电化学腐蚀是发生剥蚀的两个必要条件[22]，同时剥蚀扩展动力学遵循应力腐蚀机理[23-24]。

文章来源：《中国腐蚀与防护学报》 网址: http://www.zgfsyfhxb.cn/qikandaodu/2021/0710/895.html