卞貴學(xué)，王安東，張勇，王晨光

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海洋環(huán)境下ZL115-T5鑄鋁合金/C41500海軍黃銅腐蝕行為研究

卞貴學(xué)，王安東，張勇，王晨光

（海軍航空工程學(xué)院 青島校區(qū)，山東 青島 266041）

目的研究海軍某型裝備殼體結(jié)構(gòu)材料在海洋環(huán)境下的腐蝕行為及規(guī)律。方法根據(jù)折算出的實(shí)驗(yàn)室加速腐蝕試驗(yàn)環(huán)境譜，開展了ZL115-T5鑄鋁合金試驗(yàn)件、ZL115-T5鑄鋁合金/ C41500海軍黃銅接觸試驗(yàn)件、模擬實(shí)際涂抹黃油試驗(yàn)件以及模擬維護(hù)涂抹緩蝕劑試驗(yàn)件的實(shí)驗(yàn)室加速腐蝕試驗(yàn)。結(jié)果得到了該型鋁合金在不同服役年限及服役狀態(tài)下的腐蝕形貌、質(zhì)量、平均腐蝕深度以及腐蝕損傷度變化規(guī)律。結(jié)論該型合金在不同服役狀態(tài)下的腐蝕行為呈現(xiàn)差異化，ZL115-T5鑄鋁合金與C41500海軍黃銅偶合接觸會(huì)加速鑄鋁合金的腐蝕，黃油能夠在一定程度上抑制電偶腐蝕，但效果并不明顯。緩蝕劑能夠延緩海洋環(huán)境下ZL115-T5鑄鋁合金腐蝕，其中THFS-10軟膜緩蝕劑以及THFS-15長(zhǎng)效硬膜緩蝕劑效果較好。

海洋環(huán)境；鑄鋁合金；海軍黃銅；腐蝕試驗(yàn)

腐蝕會(huì)給裝備維護(hù)人員帶來沉重的工作負(fù)擔(dān)，給國家造成不可挽回的經(jīng)濟(jì)損失，同時(shí)還會(huì)制約部隊(duì)?wèi)?zhàn)斗力的生成[1—3]。近年來，金屬材料耐蝕性的提升以及各種腐蝕防護(hù)措施的應(yīng)用使得裝備的防腐性能逐漸提高[4]。通過調(diào)研發(fā)現(xiàn)，金屬腐蝕依然是導(dǎo)致裝備安全性和可靠性降低甚至完全失效的主要原因之一[5]。部署在我國沿海某地區(qū)的某裝備，雖然殼體為耐蝕性較好且表面帶有防護(hù)涂層的鑄鋁合金，但在“高溫、高濕、高鹽分”的海洋環(huán)境中依然出現(xiàn)了較為嚴(yán)重的腐蝕。尤其在涂層因刮、擦、磕、碰產(chǎn)生損傷后，裸露的鋁合金基體與銅導(dǎo)軌直接接觸發(fā)生電偶腐蝕，加快基體消耗，使得結(jié)構(gòu)可靠性急劇降低，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)?dǎo)致裝備提前報(bào)廢[6—8]。因此，以實(shí)驗(yàn)室加速腐蝕環(huán)境譜為試驗(yàn)條件，開展該型裝備殼體ZL115-T5鑄鋁合金的腐蝕試驗(yàn)，探尋該鑄鋁合金在服役環(huán)境下的腐蝕規(guī)律，對(duì)于保障裝備可靠性、延長(zhǎng)裝備使用壽命顯得尤為重要[9]。

1 實(shí)驗(yàn)室腐蝕試驗(yàn)

1.1 試件制備

ZL115-T5鑄鋁合金因在海洋環(huán)境下具有良好的耐磨性能和耐腐蝕性能而成為海軍某型裝備殼體材料的首選，其化學(xué)組分見表1[10—11]。試件為平板狀，由該型鑄鋁合金板材經(jīng)過線切割得到，并保留了原有板材的加工表面。鑄鋁合金試件的幾何尺寸見圖1。

表1 ZL115-T5鑄鋁合金化學(xué)組分 %

圖1 ZL115-T5鑄鋁合金試件

當(dāng)該裝備的鑄鋁合金殼體裸露時(shí)，會(huì)與銅導(dǎo)軌（用材為C41500海軍黃銅）發(fā)生電化學(xué)接觸。C41500海軍黃銅的化學(xué)組分見表2[12]。黃銅試件由實(shí)裝銅導(dǎo)軌切割而成，尺寸見圖2。

表2 C41500海軍黃銅的化學(xué)組分 %

圖2 C41500海軍黃銅試件

1.2 腐蝕試驗(yàn)

根據(jù)調(diào)研可知，該型裝備停放時(shí)的腐蝕為海洋大氣腐蝕，主要環(huán)境要素為溫度、濕度、鹽霧和其他腐蝕性氣體。處于待發(fā)狀態(tài)時(shí)的自然腐蝕是海水腐蝕，主要環(huán)境要素有溫度、pH值、含鹽量和溶氧量等。統(tǒng)計(jì)分析、篩選、簡(jiǎn)化調(diào)研收集的服役環(huán)境數(shù)據(jù)，刪除對(duì)結(jié)構(gòu)腐蝕貢獻(xiàn)小的參數(shù)與作用時(shí)間，保留貢獻(xiàn)較大的部分，折算出實(shí)驗(yàn)室腐蝕試驗(yàn)環(huán)境譜[13]如下：腐蝕溶液為恒溫40 ℃、pH值為4、質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.5%的NaCl溶液，在此溶液中將試件浸泡93 h，相當(dāng)于在備用架上和發(fā)射裝置內(nèi)停放6個(gè)月，即為實(shí)際服役時(shí)間1年（岸基專用洞庫內(nèi)停放時(shí)無需考慮腐蝕作用）。

對(duì)試件進(jìn)行預(yù)處理：除油→封樣→打磨→編號(hào)→除油→蒸餾水沖洗→干燥→放入干燥皿中備用。圖3為涂抹密封膠之后試件的狀態(tài)。圖4為試件試驗(yàn)面打磨前后狀態(tài)。試驗(yàn)方案見表3。在預(yù)處理完成后，需根據(jù)試驗(yàn)方案對(duì)試件再處理。表中01-07號(hào)為第一批腐蝕試件，08-14號(hào)為第二批腐蝕試件。

圖3 涂抹密封膠后試件

a 打磨前

b 打磨后

圖4 試件打磨前后狀態(tài)

表3 試驗(yàn)面處理方案

使用蒸餾水、NaCl及H2SO4配置試驗(yàn)所需溶液，并將配置好的溶液注入特制玻璃水槽內(nèi)。玻璃水槽置于盛有蒸餾水的DK-600A恒溫水箱中，設(shè)置40 ℃恒溫。待腐蝕溶液溫度達(dá)到40 ℃后，依次放入試件并開始周期計(jì)時(shí)。試件在溶液內(nèi)的擺放方式見圖5。放入前，需對(duì)試件進(jìn)行稱量、記錄。在試驗(yàn)過程中每隔2 h測(cè)量一次溶液的pH值，確保pH值始終保持在（4±0.2）的范圍內(nèi)。為保證試驗(yàn)面不受腐蝕產(chǎn)物的污染，需每隔12 h更換一次腐蝕溶液。

圖5 試件在溶液中的放置

每個(gè)腐蝕周期結(jié)束后，應(yīng)先使用50%的硝酸清洗試驗(yàn)面，之后使用蒸餾水清除表面殘留的硝酸，再用丙酮清洗并干燥，之后方可對(duì)試件進(jìn)行相關(guān)測(cè)量。測(cè)量?jī)?nèi)容包括：稱量并記錄；測(cè)量試驗(yàn)面宏觀、微觀腐蝕狀態(tài)等。測(cè)量完成后，更換腐蝕溶液并將試件再次放入，繼續(xù)開展下個(gè)周期的腐蝕試驗(yàn)[14]。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 腐蝕形貌及分析

以01號(hào)試件前5個(gè)腐蝕周期為例進(jìn)行橫向?qū)Ρ?。圖6為該試件在各個(gè)周期的微觀腐蝕形貌。可以看出，第一周期后，試驗(yàn)面已明顯“成核”，這是點(diǎn)蝕發(fā)生的征兆。隨著腐蝕的進(jìn)行，成核區(qū)發(fā)展并逐步形成蝕坑。至第四個(gè)周期時(shí)，試驗(yàn)面蝕坑已經(jīng)十分明顯?？梢姡诤Ｑ蟓h(huán)境下ZL115-T5鑄鋁合金的主要腐蝕形式為點(diǎn)蝕。隨著試驗(yàn)周期的增長(zhǎng)，試驗(yàn)面逐漸失去金屬光澤并出現(xiàn)許多蝕坑，而且腐蝕產(chǎn)物大量聚集，腐蝕損傷愈加嚴(yán)重。

03號(hào)、04號(hào)試件因試驗(yàn)面涂有緩蝕劑，腐蝕的開始與發(fā)展均十分緩慢。兩類試件直到試驗(yàn)進(jìn)行至第三、第四周期時(shí)，表面才逐漸喪失金屬光澤并出現(xiàn)不明顯的蝕坑，且數(shù)量較少。這說明THFS-10和THFS-15兩種緩蝕劑對(duì)于ZL115-T5鑄鋁合金的緩蝕效果較好，能夠起到腐蝕防護(hù)作用。涂抹Corrosion X的02號(hào)試件，在第二個(gè)腐蝕周期結(jié)束時(shí)，表面已出現(xiàn)比較明顯的腐蝕損傷，可知該型緩蝕劑的緩蝕效果并不理想。

以具有代表性的第一個(gè)腐蝕周期下試驗(yàn)面的微觀腐蝕形貌為例進(jìn)行縱向?qū)Ρ?。這是因?yàn)樵诘谝粋€(gè)周期結(jié)束后，各試驗(yàn)面腐蝕狀態(tài)差別比較明顯，隨著試驗(yàn)的進(jìn)行，這種差別會(huì)逐漸減小。在第一個(gè)周期結(jié)束時(shí)，01號(hào)—07號(hào)試件的微觀腐蝕形貌如圖7所示。通過對(duì)比局部腐蝕部位的面積大小及蝕坑深度大小，可得到在第一個(gè)腐蝕周期結(jié)束后，試驗(yàn)面腐蝕損傷程度的排列順序?yàn)椋?3號(hào)、04號(hào)＜02號(hào)、07號(hào)＜01號(hào)＜06號(hào)＜05號(hào)。

03號(hào)與04號(hào)試件的試驗(yàn)面分別涂有THFS-10和THFS-15兩種緩蝕劑，二者的緩蝕效果十分明顯。02號(hào)與07號(hào)試驗(yàn)面均涂抹Corrosion X緩蝕劑，但07號(hào)試驗(yàn)面有人工十字劃痕，在第一個(gè)周期結(jié)束時(shí)，二者表面出現(xiàn)了程度相近的明顯腐蝕，這表明Corrosion X的防腐蝕效果并不理想。05號(hào)試件的腐蝕狀況最為惡劣，原因是在海洋環(huán)境下，ZL115-T5鑄鋁合金與C41500海軍黃銅存在電位差，二者接觸時(shí)構(gòu)成宏觀腐蝕電池導(dǎo)致電偶腐蝕，從而加劇了陽極鑄鋁合金的損耗。06號(hào)試件（金屬間涂抹黃油）的腐蝕狀態(tài)次于05號(hào)，這說明黃油在潤(rùn)滑的同時(shí)，還有一定的絕緣作用，但并不能有效抑制電偶腐蝕的發(fā)生。

2.2 腐蝕特征量統(tǒng)計(jì)及分析

質(zhì)量變化是表征試件在某個(gè)周期內(nèi)腐蝕損傷程度的參量之一。表4給出了試件的初始質(zhì)量及每個(gè)試驗(yàn)周期結(jié)束時(shí)的質(zhì)量。由表4中數(shù)據(jù)可知，隨著腐蝕試驗(yàn)的進(jìn)行，除05號(hào)、06號(hào)、12號(hào)和13號(hào)試件（均為電偶腐蝕）質(zhì)量變化較為明顯外，其他試件質(zhì)量雖然均有減小趨勢(shì)，但并不是十分明顯。

對(duì)試驗(yàn)面分區(qū)，區(qū)域大小跟KH-7700體式顯微鏡每次拍照所能覆蓋的范圍相等。每個(gè)試驗(yàn)周期末隨機(jī)拍照、測(cè)量5個(gè)區(qū)域。圖8為蝕坑三維測(cè)量圖。一般來說，蝕坑深度分布于平均腐蝕深度附近的概率最大，為客觀地表征腐蝕深度變化規(guī)律，常用平均腐蝕深度數(shù)據(jù)代替分散性較大的單個(gè)蝕坑深度數(shù)據(jù)。

- 表4 試件在各周期的質(zhì)量 g

試件編號(hào)周期 起始1234567 01262.0262.0262.0261.9261.9261.8261.8261.7 02260.0259.9259.8259.7259.6259.6259.6259.5 03258.9258.9258.8258.8258.8258.8258.7258.7 04261.6261.6261.5261.6261.5261.5261.4261.4 05427.9427.8427.4427.1427.0426.8426.7426.5 06426.3426.2425.9425.7425.5425.4425.1425.0 07260.3260.3260.3260.2260.3260.3260.3260.2 08260.1260.1260.1260.0260.1260.0260.0260.0 09261.5261.4261.4261.3261.3261.3261.3261.3 10259.4259.4259.3259.4259.4259.4259.3259.3 11263.2263.2263.1263.1263.1263.1263.1263.1 12425.8425.5425.3425.1425.0424.9424.9424.8 13430.4430.0432.8432.7432.6432.6432.6432.5 14261.1261.0261.0260.9261.0261.0261.0261.0

表5 試件在各周期的平均腐蝕深度 μm

腐蝕會(huì)使試驗(yàn)面出現(xiàn)大量蝕坑、散斑，致使表面平整度降低、粗糙度增加[15]。腐蝕損傷度（Corrosion Damage Ratio，CDR）就是利用表面腐蝕坑的面積與試驗(yàn)面總面積的比值來表征試件的腐蝕損傷程度。相較于其他特征量來說，腐蝕損傷度對(duì)腐蝕損傷演化規(guī)律的描述更為精確。不同腐蝕損傷度對(duì)應(yīng)著不同的表面形貌。腐蝕損傷度可由式（1）計(jì)算：

式中：為試驗(yàn)面表面積；A為單個(gè)腐蝕坑的面積。

由式（1）計(jì)算腐蝕損傷度的過程十分復(fù)雜，原因是腐蝕坑總面積不易統(tǒng)計(jì)。文獻(xiàn)[16]探索了一種基于圖像的腐蝕損傷度計(jì)算的新方法，即通過對(duì)微觀腐蝕圖像的數(shù)字化處理，最終由不同灰度級(jí)的像素點(diǎn)數(shù)比例確定腐蝕損傷度。該方法精度高，計(jì)算相對(duì)簡(jiǎn)單，流程如下：將原始圖像輸入MATLAB軟件進(jìn)行灰度處理，得到增強(qiáng)圖像；讀取像素灰度級(jí)，確定腐蝕區(qū)和試驗(yàn)面的像素灰度閾值；對(duì)增強(qiáng)圖像進(jìn)行二值化處理，即將試驗(yàn)面、腐蝕區(qū)的灰度分別歸為0，1，得到最終圖像；統(tǒng)計(jì)像素灰度數(shù)量，求出相應(yīng)比值，即為腐蝕損傷度。圖9給出了基于圖像的CDR計(jì)算的流程，圖10給出了每個(gè)處理步驟下得到的不同圖像。

圖9 基于圖像的CDR計(jì)算

結(jié)合測(cè)得的試件微觀腐蝕圖像，計(jì)算得到不同當(dāng)量年限下各試件的腐蝕損傷度見表6?？梢钥闯?，隨腐蝕時(shí)間的增長(zhǎng)，腐蝕損傷度也在不斷變大，但不同試件的增長(zhǎng)速率有所不同，且與平均腐蝕深度的變化有著某種對(duì)應(yīng)關(guān)系。

表6 各試件的腐蝕損傷度 %

3 結(jié)論

1）腐蝕會(huì)引起試件的質(zhì)量、平均腐蝕深度以及腐蝕損傷度的變化。對(duì)于每個(gè)試件來說，三者隨腐蝕時(shí)間的變化趨勢(shì)是一致的，用腐蝕損傷度來描述結(jié)構(gòu)的腐蝕損傷程度更為合理、準(zhǔn)確。

2）將不同處理類型的試件在同一個(gè)腐蝕周期下的微觀腐蝕形貌和腐蝕特征量進(jìn)行對(duì)比，可得到腐蝕損傷程度由小到大的排列順序：05號(hào)>06號(hào)>01號(hào)>02號(hào)與07號(hào)>03號(hào)與04號(hào)。表明在海洋環(huán)境下，ZL115-T5鑄鋁合金與C41500海軍黃銅偶合接觸會(huì)發(fā)生電偶腐蝕，加速鋁合金基體的損耗；充當(dāng)導(dǎo)軌潤(rùn)滑劑的黃油能夠在一定程度上將二者進(jìn)行電化學(xué)隔離，抑制電偶腐蝕，但效果并不明顯；具有良好緩蝕效果的緩蝕劑能夠延緩海洋環(huán)境下ZL115-T5鑄鋁合金的自然腐蝕。

3）將5組試件（01號(hào)、02號(hào)、03號(hào)、04號(hào)和07號(hào)）的腐蝕試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果表明，在海洋環(huán)境下，Corrosion X緩蝕劑、THFS-10軟膜緩蝕劑以及THFS-15長(zhǎng)效硬膜緩蝕劑中，Corrosion X的防腐效果并不理想，而THFS-15與THFS-10兩種緩蝕劑的緩蝕效果相對(duì)較好，二者可以作為該型裝備殼體結(jié)構(gòu)的腐蝕防護(hù)用品。

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Corrosion Behavior of ZL115-T5 Cast Aluminum Alloy /C41500 Navy Brass in Marine Environment

BIAN Gui-xue, WANG An-dong, ZHANG Yong, WANG Chen-guang

(Naval Aeronautical Engineering Institute Qingdao Campus, Qingdao 266041, China)

Objective To study corrosion behaviors and laws of a certain naval equipment shell structure material in the marine environment. Methods Accelerated corrosion tests for ZL115-T5 aluminum alloy specimens, ZL115-T5 cast aluminum alloy contacted with C41500 navy brass test pieces, test pieces for simulating the actual structures coated with butter and corrosion inhibitor were carried out in the test room based on the conversion of the laboratory accelerated corrosion test environment spectrum. Results The change laws for corrosion morphology, weight, average corrosion depth and corrosion damage ratio of the aluminum alloy in different service years and service conditions were obtained. Conclusion behaviors of the aluminium alloy under different service conditions are different. The contact of ZL115-T5 cast aluminum alloy and C41500 navy brass can accelerate the corrosion rate of the cast aluminum alloy. The butter can inhibit the galvanic corrosion to a certain extent, but the effect is not obvious. The inhibitor can retard the corrosion of ZL115-T5 cast aluminum alloy in marine environment, and the effect of THFS-10 soft membrane inhibitor and THFS-15 long-term epidural inhibitor is better.

marine environment; cast aluminum alloy; navy brass; corrosion test

10.7643/ issn.1672-9242.2017.03.006

TJ04；TG172

A

1672-9242(2017)03-0027-06

2016-10-12；

2016-11-01

卞貴學(xué)（1982—），男，山東菏澤人，博士，主要從事腐蝕防護(hù)與控制、結(jié)構(gòu)可靠性等方面的研究。