王晨光， 陳躍良， 張 勇， 卞貴學(xué)

(海軍航空工程學(xué)院 青島校區(qū)，山東 青島 266041)

7B04鋁合金在模擬海洋大氣環(huán)境下的腐蝕行為

王晨光， 陳躍良， 張 勇， 卞貴學(xué)

(海軍航空工程學(xué)院 青島校區(qū)，山東 青島 266041)

海洋大氣環(huán)境下鋁合金的腐蝕本質(zhì)上是薄液膜下的電化學(xué)腐蝕，與本體溶液中的腐蝕有很大不同，腐蝕速率與薄液膜的厚度及成分有關(guān)。建立并實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了薄液膜厚度、大氣相對(duì)濕度和鋁合金表面鹽沉積量3者之間的關(guān)系，研究7B04鋁合金在不同厚度和不同NaCl濃度薄液膜下的電化學(xué)性能。結(jié)果表明，薄液膜下7B04鋁合金的自然腐蝕電位較本體溶液中更容易達(dá)到穩(wěn)定，且電位更正，自然腐蝕速率更大；液膜厚度減小，7B04鋁合金陰極極化電流密度增加，陽極反應(yīng)受到抑制；薄液膜中NaCl濃度升高，7B04鋁合金的自然腐蝕電位降低，腐蝕速率上升，而陰陽極極化過程受NaCl濃度變化影響不大，當(dāng)NaCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到5%后，自然腐蝕電位基本不再變化。

7B04鋁合金；大氣腐蝕；薄液膜；鹽沉積量；相對(duì)濕度

沿海地區(qū)服役的飛機(jī)經(jīng)常遭受高鹽霧、高濕度等因素的影響，易發(fā)生海洋環(huán)境下的大氣腐蝕[1]。飛機(jī)蒙皮、大梁、桁條等鋁合金材料結(jié)構(gòu)件已成為腐蝕的多發(fā)區(qū)[2]。腐蝕失效降低鋁合金力學(xué)性能，影響飛機(jī)結(jié)構(gòu)完整性，進(jìn)而威脅飛行安全。

高濕度的海洋大氣環(huán)境下，鋁合金表面沉積的無機(jī)鹽(主要為NaCl)吸附、凝聚空氣中的水分，促進(jìn)薄液膜的形成與擴(kuò)展。鋁合金大氣腐蝕主要是在薄液膜下的電化學(xué)腐蝕[3]，與溶液中的腐蝕有很大區(qū)別，這主要是由于薄液膜厚度的變化影響了電極反應(yīng)的傳質(zhì)過程，如溶解氧的擴(kuò)散、腐蝕產(chǎn)物的積聚等[4]，進(jìn)而對(duì)大氣腐蝕的速率產(chǎn)生顯著的影響[5-6]。薄液膜厚度均在微米級(jí)別，一般采用掃描開爾文探針技術(shù)(Scanning Kelvin Probe, SKP)研究金屬在薄液膜下的腐蝕行為，但SKP技術(shù)并不成熟且測(cè)量過程中探針的振動(dòng)會(huì)使液膜產(chǎn)生對(duì)流效應(yīng)，加速O2在液膜中的擴(kuò)散，影響測(cè)量的準(zhǔn)確性[7]。目前，國(guó)內(nèi)多采用傳統(tǒng)的電化學(xué)方法研究薄液膜下的金屬腐蝕行為，液膜厚度由前端裝有尖端鉑絲(或其他穩(wěn)定金屬)的千分尺、歐姆表(或電池、電流表)構(gòu)成的裝置測(cè)量[8-9]。薄液膜下鋁合金的腐蝕行為研究多采用陰極極化和電化學(xué)阻抗譜法(Electrochemical Impedance Spectroscopy, EIS)[8-10]，而對(duì)與腐蝕有關(guān)的陽極極化行為鮮有研究報(bào)道。

本研究以飛機(jī)承力結(jié)構(gòu)使用的7B04鋁合金作為研究對(duì)象，模擬海洋大氣環(huán)境，建立并驗(yàn)證鹽沉積量、相對(duì)濕度與薄液膜厚度之間的關(guān)系，搭建能控制薄液膜厚度的電化學(xué)測(cè)試裝置，采用動(dòng)電位極化測(cè)量方法研究7B04鋁合金在不同厚度及不同NaCl濃度液膜下的腐蝕電化學(xué)行為。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

7B04鋁合金板材由東北輕合金有限責(zé)任公司生產(chǎn)，其化學(xué)成分見表1。

表1 7B04鋁合金成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)

1.2 薄液膜電化學(xué)測(cè)試裝置

薄液膜的厚度與空氣相對(duì)濕度密切相關(guān)，文獻(xiàn)[8～10]中的測(cè)試裝置均在大氣環(huán)境下測(cè)量，可能會(huì)由于濕度較低導(dǎo)致溶液蒸發(fā)較快，引起薄液膜厚度的不斷變化，影響測(cè)量準(zhǔn)確度。為此，參考李亞坤等[11]的設(shè)計(jì)在測(cè)試裝置外加裝了環(huán)境濕度控制裝置，如圖1所示。裝置內(nèi)加裝高靈敏度溫濕度計(jì)，通過控制從加濕器輸入的濕氣量來調(diào)節(jié)測(cè)量裝置內(nèi)的相對(duì)濕度，實(shí)驗(yàn)溫度為(25±0.2)℃的室溫；試樣測(cè)量面大小選擇為10 mm×10 mm，打磨拋光成平整的鏡面，使試樣表面液膜厚度保持均勻、穩(wěn)定。

液膜厚度測(cè)量裝置采用的千分尺精度為1 μm，前端安裝鉑針，測(cè)量回路串聯(lián)有電池、電阻及高靈敏度電流表。進(jìn)行厚度測(cè)量時(shí)，轉(zhuǎn)動(dòng)千分尺使鉑針下移，一旦鉑針與液膜接觸，電流會(huì)發(fā)生突變，而當(dāng)鉑針接觸到鋁合金表面時(shí)電流又有一突變，兩次電流突變間鉑針移動(dòng)的距離即為液膜厚度。

1.3 電化學(xué)實(shí)驗(yàn)

將7B04鋁合金板切割加工成尺寸為10 mm × 10 mm × 3 mm的電極，用直徑3 cm的PVC管固定，預(yù)留1 cm2的測(cè)試面，其余面均用環(huán)氧樹脂封裝。測(cè)試面采用水磨砂紙逐級(jí)打磨至3 000#，經(jīng)金剛石研磨膏拋光，丙酮和無水乙醇除油、除水后，安裝至薄液膜電化學(xué)測(cè)量裝置。采用動(dòng)電位掃描法測(cè)量極化曲線，掃描速率為1 mV/s。

電化學(xué)測(cè)量設(shè)備為PARSTAT 4000電化學(xué)綜合測(cè)試儀，電解池為三電極體系，參比電極為飽和甘汞電極(Saturated Calomel Electrode, SCE)，對(duì)電極為兩個(gè)鉑片電極，安放位置如圖1所示。

2 薄液膜厚度的確定

2.1 薄液膜厚度的理論計(jì)算

若金屬表面不均勻或沉積有固體顆粒，則水蒸氣優(yōu)先在表面上的這些活性部位發(fā)生凝聚或吸附，進(jìn)而長(zhǎng)大成主液滴[12]，經(jīng)一系列連續(xù)過程，在金屬表面形成薄液膜。在一定溫度下，薄液膜穩(wěn)定后與周圍水蒸氣構(gòu)成氣-液二相平衡體系，水蒸氣分壓和液相組成一一對(duì)應(yīng)[13]。大氣相對(duì)濕度由水蒸氣分壓確定，文獻(xiàn)[14]給出了大氣相對(duì)濕度與NaCl溶液液相組成之間的關(guān)系。20～25 ℃下，溶液中NaCl的質(zhì)量分?jǐn)?shù)與大氣相對(duì)濕度的關(guān)系及多項(xiàng)式擬合公式如圖2所示。

圖2擬合公式中r為大氣相對(duì)濕度，%。20～25 ℃下，NaCl與其飽和溶液(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為26%)平衡的相對(duì)濕度為76%左右，只有環(huán)境相對(duì)濕度≥76%，NaCl顆粒才能吸收環(huán)境水汽而潮解，在鋁合金表面形成液膜，從而誘發(fā)腐蝕過程[15]，故由圖2擬合的公式僅適用于r≥76%。隨著相對(duì)濕度的不斷增加，薄液膜吸水導(dǎo)致NaCl溶液濃度降低。不同濃度的NaCl溶液密度由OLI Analyzer軟件計(jì)算獲得，結(jié)合圖2數(shù)據(jù)整理后獲得NaCl溶液密度與大氣相對(duì)濕度的關(guān)系及多項(xiàng)式擬合公式，如圖3所示。

假設(shè)薄液膜中的NaCl全部來源于鋁合金表面的NaCl沉積，因此可得到如下關(guān)系：

ρ·h·s=d·s

(1)

式中：ρ為溶液密度，g/mL；h為薄液膜厚度，cm；s為鋁合金表面積，cm2；d為鋁合金表面NaCl沉積量，g/cm2。故薄液膜厚度可以表示為：

h=d/ρ

(2)

將圖2與圖3中的多項(xiàng)式擬合公式帶入(2)式，獲得薄液膜厚度與大氣相對(duì)濕度(r≥76%)、鋁合金表面NaCl沉積量的關(guān)系式：

(3)

由(3)式計(jì)算的薄液膜厚度數(shù)據(jù)與文獻(xiàn)[16]推導(dǎo)的關(guān)系式計(jì)算值基本一致，該計(jì)算結(jié)果已被應(yīng)用到其他大氣腐蝕研究中[17-18]，但目前仍缺乏該關(guān)系式的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證報(bào)道。

2.2 薄液膜厚度的測(cè)量與驗(yàn)證

某兩個(gè)海域?qū)嶒?yàn)場(chǎng)的氯離子平均沉降量分別為60 mg/dm2和21.9 mg/dm2[19]，假設(shè)氯離子全部來源于NaCl沉積，將氯離子沉積量折算為NaCl沉降量：9.89×10-4g/cm2和3.61×10-4g/cm2。

使用微量滴管向面積為1 cm2的7B04鋁合金電極表面滴加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.5%的NaCl溶液，干燥后NaCl均勻沉積在電極表面，重復(fù)幾次最終使電極表面NaCl沉積量分別為9.89×10-4g和3.61×10-4g。將電極置于電化學(xué)測(cè)量裝置內(nèi)(不加溶液)，按照?qǐng)D1連接好測(cè)量線路，通過加濕器調(diào)節(jié)裝置的相對(duì)濕度，當(dāng)相對(duì)濕度達(dá)到76%時(shí)，NaCl開始吸水溶解成液膜。轉(zhuǎn)動(dòng)千分尺測(cè)量液膜厚度，當(dāng)薄液膜厚度大于30 μm時(shí)，薄液膜厚度測(cè)量數(shù)據(jù)趨于穩(wěn)定且重現(xiàn)性較好，薄液膜厚度與大氣相對(duì)濕度的關(guān)系及測(cè)量數(shù)據(jù)結(jié)果見圖4，與擬合曲線吻合較好，說明擬合的薄液膜厚度與大氣相對(duì)濕度的關(guān)系曲線和實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符。

3 7B04鋁合金在薄液膜下的腐蝕電化學(xué)行為

3.1 薄液膜對(duì)7B04鋁合金自然腐蝕電位的影響

在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.5%的NaCl本體溶液及相同濃度的100 μm薄液膜下，分別測(cè)量7B04鋁合金自然腐蝕電位隨時(shí)間的變化，結(jié)果如圖5所示。從圖5可以看出，薄液膜下7B04鋁合金的自然腐蝕電位相對(duì)較正，這與不銹鋼的SKP測(cè)量結(jié)果趨勢(shì)相同[20]。7B04鋁合金自然腐蝕電位在溶液中需要1400 s才達(dá)到穩(wěn)定，而在100 μm液膜下只需250 s左右即達(dá)到穩(wěn)定，說明薄液膜下氧氣擴(kuò)散速率快，電極表面陰陽極反應(yīng)很快即達(dá)到平衡。隨著腐蝕的進(jìn)行，腐蝕產(chǎn)物在薄液膜下不易擴(kuò)散產(chǎn)生積聚，導(dǎo)致自然腐蝕電位在800 s后呈上升狀態(tài)，而溶液中的腐蝕產(chǎn)物擴(kuò)散條件好，故自然腐蝕電位比較穩(wěn)定。

3.2 薄液膜厚度對(duì)7B04鋁合金腐蝕電化學(xué)行為的影響

由式(3)可知，在相對(duì)濕度恒定的情況下，鹽沉積量與薄液膜厚度成正比，故鹽沉積量和薄液膜厚度一一對(duì)應(yīng)，二者對(duì)7B04鋁合金腐蝕電化學(xué)行為的影響相一致。

將處理好的7B04鋁合金電極安裝于薄液膜電化學(xué)測(cè)量裝置中，周圍添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.5%的NaCl溶液，將裝置相對(duì)濕度控制在98%(據(jù)圖2)，通過微量吸管調(diào)整電極表面液膜厚度(同時(shí)模擬了不同的鹽沉積量)，待氣液兩相達(dá)到平衡、液面穩(wěn)定后再測(cè)量7B04鋁合金電極的電化學(xué)行為，不同厚度液膜下的極化曲線測(cè)量結(jié)果如圖6所示。

從圖6可以發(fā)現(xiàn)，7B04鋁合金在液膜下的自然腐蝕電位均比本體溶液中稍高，其自然腐蝕電位分布在-0.74 ～-0.72 mV之間。7B04鋁合金的陰極極化主要為O2的還原反應(yīng)，受O2的擴(kuò)散過程控制，液膜越薄，O2擴(kuò)散速率越快。當(dāng)薄液膜厚度≤100 μm時(shí)，電極表面的擴(kuò)散層即為液膜[21]，O2不經(jīng)過本體溶液的擴(kuò)散即可到達(dá)電極表面擴(kuò)散層，提高了O2的還原速率，在陰極極化曲線上表現(xiàn)為：隨著液膜厚度的減小，陰極極化電流密度不斷增加，而當(dāng)液膜厚度為1000 μm和2000 μm時(shí)，陰極極化行為已呈現(xiàn)本體溶液的特征，其陰極極化曲線與本體溶液中相差無幾。

O2的還原速率的提高導(dǎo)致在自然腐蝕狀態(tài)下，液膜越薄，自然腐蝕電流密度(腐蝕速率)也越大(見表2)，50 μm薄液膜下7B04鋁合金的自然腐蝕速率相當(dāng)于本體溶液中的2倍多。但隨著腐蝕的進(jìn)行，腐蝕產(chǎn)物積聚在電極表面無法擴(kuò)散，陽極反應(yīng)受到抑制，故在陽極極化曲線上可以看到：隨著極化電位的升高，液膜厚度越小其陽極極化電流密度也越小，說明液膜越薄，腐蝕產(chǎn)物越容易積聚，也越容易抑制陽極反應(yīng)過程。圖7為陽極極化后電極表面放大20倍的腐蝕形貌圖，相對(duì)于本體溶液中的腐蝕，薄液膜下的7B04鋁合金腐蝕更輕，且表現(xiàn)出不均勻的局部腐蝕特征，腐蝕主要出現(xiàn)在邊緣及中間不確定位置，這主要是由于薄液膜下電極表面電流分布不均造成的。

表2 不同液膜厚度下7B04鋁合金的自然腐蝕電流密度

Table 2 Free-corrosion current density of 7B04 Al-alloy under thin electrolyte film with different thin electrolyte film thickness

j/(A·cm-2)Thinelectrolytefilmthickness/μm503.231502.995002.7610002.0920001.97Bulksolution1.46

3.3 薄液膜NaCl濃度對(duì)7B04鋁合金腐蝕電化學(xué)行為的影響

大氣相對(duì)濕度調(diào)節(jié)著7B04鋁合金表面薄液膜的NaCl濃度，相對(duì)濕度越大，NaCl濃度越小。結(jié)合圖2，改變薄液膜電化學(xué)測(cè)量裝置的相對(duì)濕度，電極周圍添加相應(yīng)濃度的NaCl溶液，通過微量吸管將電極表面薄液膜厚度均調(diào)整為150 μm，測(cè)量不同條件下7B04鋁合金的極化曲線，結(jié)果如圖8所示。

圖8顯示，隨著NaCl濃度的增加，7B04鋁合金的自然腐蝕電位降低，這與AA5083鋁合金在不同NaCl濃度下的自然腐蝕電位SKP測(cè)量結(jié)果趨勢(shì)相一致[22]。從圖8中還可以看出，NaCl濃度增加，自然腐蝕電流密度上升，NaCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%和10%時(shí)，二者自然腐蝕電位與自然腐蝕電流相差不大，說明鋁合金表面鈍化膜的Cl-吸附量有限，當(dāng)達(dá)到平衡后鋁合金的自然腐蝕電位基本不變。陰極極化曲線基本一致，說明陰極極化過程受到NaCl濃度變化影響不大；陽極極化電流密度隨NaCl濃度的增加而有所增大，但較本體溶液中的腐蝕要輕，說明陽極反應(yīng)均受到了抑制。

4 結(jié)論

(1)7B04鋁合金表面的薄液膜厚度與鹽沉積量和大氣相對(duì)濕度有關(guān)，擬合建立了三者之間的關(guān)系式，采用搭建的電化學(xué)測(cè)量裝置測(cè)量了不同鹽沉積量和相對(duì)濕度下的薄液膜厚度，測(cè)量結(jié)果與計(jì)算結(jié)果基本相符。

(2)薄液膜下7B04鋁合金的自然腐蝕電位較本體溶液中稍正，自然腐蝕電流密度(腐蝕速率)更大，50 μm薄液膜下的自然腐蝕電流密度相當(dāng)于本體溶液中的2倍多，自然腐蝕電位到達(dá)穩(wěn)定的時(shí)間更短，但由于腐蝕產(chǎn)物在薄液膜下不易擴(kuò)散產(chǎn)生積聚，導(dǎo)致自然腐蝕電位在穩(wěn)定一段時(shí)間后呈上升狀態(tài)。

(3)隨著薄液膜厚度的減小，O2擴(kuò)散速率加快，7B04鋁合金陰極極化電流密度增加，而腐蝕產(chǎn)物積聚在薄液膜下，導(dǎo)致陽極反應(yīng)受到抑制，減緩了腐蝕。

(4)隨著薄液膜中NaCl濃度的升高，7B04鋁合金的自然腐蝕電位降低，自然腐蝕電流密度上升，當(dāng)NaCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到5%后，自然腐蝕電位基本不再變化，而陰極極化過程受NaCl濃度變化影響不大，陽極極化電流密度有所增加，但仍然受到抑制，腐蝕較輕。

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(責(zé)任編輯：張 崢)

Corrosion Behavior of 7B04 Al-alloy in Simulated Marine Atmospheric Environment

WANG Chenguang, CHEN Yueliang, ZHANG Yong, BIAN Guixue

(Qingdao Branch, Naval Aeronautical Engineering Institute, Qingdao 266041, Shandong China)

The corrosion of aluminum alloy in marine atmospheric environment was an essential electrochemical corrosion under thin electrolyte film, which was different from the corrosion in bulk solution, the corrosion rate was related to the thickness and composition of thin electrolyte film. The relationship among film thickness, relative humidity and salt deposit on aluminum alloy surface was established and verified by experiment. The electrochemical properties of 7B04 Al-alloy under thin electrolyte film with different thickness and different NaCl concentration were studied. The results indicate that the free-corrosion potential of 7B04 Al-alloy under thin electrolyte film is easier to reach steady state than that in bulk solution, both free-corrosion potential and corrosion rate are higher under thin electrolyte film. With the decrease of film thickness, the cathodic polarization current density of 7B04 Al-alloy increases, and the anode reaction is suppressed. With the increase of NaCl concentration in thin electrolyte film, the free-corrosion potential of 7B04 Al-alloy decreases, and the corrosion rate increases, but the polarization of the anode and cathode have little effect on the change of NaCl concentration. The free-corrosion potential of 7B04 Al-alloy is no longer changed when the mass fraction of NaCl reaches 5%.

7B04 Al-alloy; atmospheric corrosion; thin electrolyte film; salt deposit; relative humidity

2016-07-06；

2016-08-08

國(guó)家自然科學(xué)基金 (51075394，51375490)

王晨光(1983—)，男，博士生，工程師，主要從事飛機(jī)結(jié)構(gòu)的腐蝕與防護(hù)研究，(E-mail)qjcgqj@163.com。

10.11868/j.issn.1005-5053.2016.000120

TG172.2；V252

A

1005-5053(2017)01-0059-06