船用鋁合金在海洋環(huán)境中的腐蝕研究

侯健，張彭輝，郭為民

（海洋腐蝕與防護(hù)國(guó)防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266101）

船用鋁合金在海洋環(huán)境中的腐蝕研究

侯健，張彭輝，郭為民

（海洋腐蝕與防護(hù)國(guó)防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266101）

介紹了Al-Cu，Al-Mg，Al-Si系等3種主要的船用鋁合金在海洋環(huán)境中的應(yīng)用和腐蝕研究現(xiàn)狀，對(duì)三種鋁合金的性質(zhì)以及在船舶及船用設(shè)備領(lǐng)域中的具體應(yīng)用進(jìn)行了概述，對(duì)船用鋁合金在不同海域海洋大氣、表層海水、深海海洋環(huán)境下的腐蝕狀況以及在模擬海水條件下的腐蝕研究進(jìn)展進(jìn)行了歸納。已有研究表明，海洋環(huán)境下船用鋁合金的腐蝕形式主要為點(diǎn)蝕和應(yīng)力腐蝕，其腐蝕程度和敏感性隨海水深度的增加而增大，相同海洋環(huán)境下Al-Mg系鋁合金具有較好的耐腐蝕性能。最后綜合實(shí)際生產(chǎn)和應(yīng)用現(xiàn)狀，對(duì)船用鋁合金的發(fā)展趨勢(shì)及其在海洋環(huán)境下的腐蝕研究工作的進(jìn)一步開(kāi)展做了展望。

船舶；鋁合金；海洋環(huán)境；腐蝕

鋁及鋁合金具有較低的密度、良好的力學(xué)性能、加工性能、導(dǎo)熱性、導(dǎo)電性以及耐蝕性，因此在船舶及船用設(shè)備領(lǐng)域中的應(yīng)用日趨廣泛，對(duì)減輕船體結(jié)構(gòu)質(zhì)量、提高航行速度和耐海水腐蝕能力、減少能耗等方面有著重要作用[1]。耐蝕性能是影響鋁合金海洋環(huán)境中應(yīng)用的重要指標(biāo)之一，鋁合金在海洋環(huán)境中的腐蝕以點(diǎn)蝕、縫隙腐蝕和晶間腐蝕等局部腐蝕為主[2—5]。鋁合金的腐蝕因其化學(xué)成分不同、海水環(huán)境因素不同而有較大的差異。積累鋁合金在不同海域的腐蝕數(shù)據(jù)，研究其在海洋環(huán)境下的腐蝕行為和規(guī)律，對(duì)于指導(dǎo)鋁合金在船舶及船用設(shè)備領(lǐng)域中的科學(xué)選材及合理應(yīng)用有著重要意義。

1 鋁合金的應(yīng)用

鋁及鋁合金在造船工業(yè)應(yīng)用越來(lái)越廣，小到舢板、汽艇，大到萬(wàn)噸巨輪，從民用到軍用，從高速氣墊船到深水潛艇，從漁船到海洋采礦船，都在采用性能良好的鋁合金材料作為船殼體、上層結(jié)構(gòu)、各種設(shè)施、管路以及用具等。

1.1 在船體結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用

船舶用鋁合金主要有Al-Cu，Al-Mg和Al-Si系鋁合金。1892年法國(guó)采用Al-Cu系合金建造了第一艘12.2 m長(zhǎng)的海上全鋁汽艇。Al-Cu系鋁合金在俄羅斯及我國(guó)早期船舶上得到較多應(yīng)用，俄羅斯目前已有各種類(lèi)型的鋁合金高速艇船約1000艘，其使用較多的快艇殼體材料是 Al-Cu 系鋁合金 2A90，2A80，2A14[6]。由于Al-Cu系合金抗腐蝕性不佳，因此限制了其在造船領(lǐng)域中的應(yīng)用。20世紀(jì)60年代初，我國(guó)以2024鋁合金做船體材料，用于水翼快艇的成批建造[6]。在船舶殼體結(jié)構(gòu)上用Al-Mg系鋁合金主要是5083，5086，5456，5466等，它們有較好的耐腐蝕性能、力學(xué)性能和焊接性能[7—8]。1966—1971年美國(guó)建成14艘“阿希維爾”級(jí)高速炮艇，這是第一批全鋁軍艦，主甲板和船底板為1217 mm厚的5086-H32鋁合金，型材用5086-H112鋁合金，全艇共用了71 t鋁材，全部用氬弧焊焊接[6—8]。1981年美國(guó)波音公司船舶系統(tǒng)建造了6艘鋁船體水翼導(dǎo)彈巡邏艇，采用5456鋁合金焊接結(jié)構(gòu)[7—8]。2012 年，美國(guó) Austal US 公司建造了首批“警惕”號(hào)全鋁雙體高速運(yùn)輸艦，采用美國(guó)鋁業(yè)公司提供的5083鋁合金板[6]。我國(guó)最新快船的殼體主體材料采用5083鋁合金。另外美國(guó)海軍第一艘彈道導(dǎo)彈驅(qū)逐艦“杜威”號(hào)的上層建筑中應(yīng)用的811.30 t鋁合金中大部分是5466厚板和5086薄板。鋁構(gòu)件代替了鋼后，質(zhì)量減輕了150 t。1970年日本建造了大型鋁合金客船“?；魩?kù)”2號(hào)，殼體主體材料采用5083鋁合金。1931年8月英國(guó)建造了“地愛(ài)那號(hào)”全鋁游艇，材料是Al-Si系合金[8]。英國(guó)在20世紀(jì)80年代建造了全焊氣墊船AP188，殼體采用Al-Mg系鋁合金5083，型材采用Al-Si系鋁合金6082[6]。美國(guó)用鋁合金建造了“LARC-15”登陸艇主要材料用5086，同時(shí)部分焊接結(jié)構(gòu)采用5083和6061。

1.2 在船舶設(shè)備中的應(yīng)用

Al-Cu系鋁合金2A10是鋁質(zhì)鉚釘?shù)膶?zhuān)用材料，用于鋁質(zhì)快艇、民用船舶的上層建筑及船體的鉚接構(gòu)件[6]。Al-Mg系鑄造合金常用于制造承載較大的海水泵殼體、水泵導(dǎo)管及支柱等，如5A02常用于制造船用主機(jī)的油罐、油箱及機(jī)座支架等；5A03用于輕隔壁、圍壁、散熱器、管路及煙囪殼體等船舶焊接結(jié)構(gòu)和零件；5A05用于制造船殼板、構(gòu)架、桅桿等；5A06用于上層建筑、構(gòu)架等。Al-Si系鑄造鋁合金強(qiáng)度中等，鑄造性能好，適合制造形狀復(fù)雜、致密度高的部件，如高壓閥件、泵、柴油機(jī)氣缸體、減速箱殼體、渦輪葉片等[7]。

2 鋁合金在海洋環(huán)境中的腐蝕

大多數(shù)鋁合金在海洋環(huán)境中都表現(xiàn)出優(yōu)良的耐蝕性。這不僅是由于保護(hù)性鈍化膜的作用，而且在相當(dāng)程度上也與在鋁的活化和鈍化表面上析氫過(guò)電位高有關(guān)。鋁及鋁合金在海洋環(huán)境中的主要腐蝕形式是點(diǎn)蝕、晶間腐蝕、應(yīng)力腐蝕以及剝蝕等局部腐蝕。

2.1 海洋大氣環(huán)境

海洋大氣的高濕度以及侵蝕性Cl-的存在是導(dǎo)致金屬材料腐蝕的重要因素。Al-Cu系鋁合金2A12在海洋大氣環(huán)境中普遍存在點(diǎn)蝕現(xiàn)象，在海洋大氣環(huán)境下2A12鋁合金材料在1～3年間腐蝕比較緩慢，從第4年開(kāi)始，腐蝕急劇增加。模擬海洋大氣環(huán)境中的研究表明，在90%濕度條件下出現(xiàn)最大點(diǎn)蝕深度[10]，在實(shí)際環(huán)境的暴露實(shí)驗(yàn)中還有剝蝕現(xiàn)象發(fā)生[11]。此外，在海洋性環(huán)境下，高強(qiáng)度鋁合金還具有較高的應(yīng)力腐蝕敏感性。在青島、海南大氣環(huán)境下暴露不到1年，2A12鋁合金即產(chǎn)生了應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂[12]。

Al-Mg系鋁合金在海洋大氣中的腐蝕率較低，在5A02，5A03在青島海洋大氣中暴露1年的平均腐蝕率為0.32～0.85 μm/a，暴露8年，其腐蝕率＜0.4 μm/a。此外，Al-Mg系鋁合金還具有較好的耐點(diǎn)蝕性能，5A02，5A03在暴露8年后點(diǎn)蝕深度小于0.3 mm，顯示出良好的耐蝕性[13]。在海南大氣環(huán)境下對(duì)不同牌號(hào)的鋁合金進(jìn)行暴露實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，暴露1年后腐蝕失重較輕的是Al-Cu系鋁合金2A12，Al-Mg系鋁合金5A02相對(duì)較大，但暴露10年后5A02腐蝕失重增加不到1倍，相比之下具有良好的長(zhǎng)期耐腐蝕性能[14]。

2.2 表層海水環(huán)境

Al-Cu系鋁合金2A12在海水中腐蝕較快，在青島全浸區(qū)暴露1年的最大點(diǎn)蝕深度為2.3 mm。暴露2年最大點(diǎn)蝕深度為2.65 mm，并且試樣側(cè)面應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂嚴(yán)重[15]，加覆包鋁層后其耐蝕性大大提高平均腐蝕速率與純鋁接近[16]。在三亞全浸區(qū)暴露1年點(diǎn)蝕嚴(yán)重，平均點(diǎn)蝕深度和最大點(diǎn)蝕深度分別為1.48，2.03 mm，并出現(xiàn)明顯晶間腐蝕。

Al-Mg系鋁合金在海水中具有較好的耐蝕性，5A02，5A06在青島全浸區(qū)暴露8年點(diǎn)蝕深度小于0.4 mm，暴露16年小于0.9 mm[13]，在舟山全浸區(qū)實(shí)海暴露8年基本上無(wú)局部腐蝕[17]。5A03在三亞全浸區(qū)暴露8年最大點(diǎn)蝕深度為1.00 mm，暴露16年最大點(diǎn)蝕深度為1.43 mm。5A02，5A06在青島海水潮差區(qū)的耐蝕性能較好，暴露4年未發(fā)現(xiàn)可測(cè)量的蝕點(diǎn)，同時(shí)耐縫隙腐蝕性能也較好，5A03青島潮差區(qū)暴露4年的最大點(diǎn)蝕深度為0.21 mm[18—19]，5A02，5A03鋁合金在三亞潮差區(qū)暴露8年的平均點(diǎn)蝕深度分別為0.04，0.27 mm。同時(shí)5A02，5A03鋁合金在飛濺區(qū)也表現(xiàn)出較好的耐蝕性能，在青島飛濺區(qū)暴露2年的平均點(diǎn)蝕深度分別為0.18，0.22 mm，最大點(diǎn)蝕深度為0.32，0.43 mm[20]。5A03鋁合金在廈門(mén)飛濺區(qū)暴露8年的平均點(diǎn)蝕深度和最大點(diǎn)蝕深度分別為0.24，0.39 mm[19]。

Al-Si系鋁合金耐海水腐蝕性能低于Al-Mg系鋁合金，6A02在廈門(mén)和三亞全浸區(qū)暴露1年的最大點(diǎn)蝕深度分別為1.44，1.20 mm[19]，在三亞全浸區(qū)暴露2年的最大點(diǎn)蝕深度增加到1.53 mm。在青島潮差區(qū)暴露1年的平均點(diǎn)蝕深度為0.14 mm，最大點(diǎn)蝕深度為0.17 mm。暴露16年的平均點(diǎn)蝕深度為0.76 mm，最大點(diǎn)蝕深度為1.62 mm[18]。在三亞6A02鋁合金暴露16年的平均點(diǎn)蝕深度為0.58 mm，最大點(diǎn)蝕深度為1.52 mm[18]。在飛濺區(qū)6A02的點(diǎn)蝕容易形成，密度很大，但點(diǎn)蝕速度較慢，深度較小[18]。在青島飛濺區(qū)暴露8年的最大點(diǎn)蝕深度0.18 mm，16年的最大點(diǎn)蝕深度0.30 mm[19]。

2.3 深海環(huán)境

Venkatesan采用腐蝕失重的方法研究了2000系鋁合金在太平洋和印度洋不同深度海水環(huán)境中的腐蝕速率，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，2000系鋁合金在深海環(huán)境下腐蝕速率增大[21]。Reinhart研究了Al-Mg系5086鋁合金在700～1600 m深海中的腐蝕行為，發(fā)現(xiàn)在深海中其點(diǎn)蝕深度在1.3～1.9 mm/a之間，而在表層海水中典型點(diǎn)蝕深度則在0.13 mm/a以下，點(diǎn)蝕深度增加了10倍以上[22]。Schumacher報(bào)道了在太平洋2060 m深度下，Al-Si系6061鋁合金的平均點(diǎn)蝕深度為1.07 mm/a，遠(yuǎn)高于表層海水中0.20 mm/a的試驗(yàn)結(jié)果[22]。

同點(diǎn)蝕一樣，深海環(huán)境下鋁合金的縫隙腐蝕也比較嚴(yán)重。Groover對(duì)5050鋁合金在深海環(huán)境下的腐蝕研究發(fā)現(xiàn)，其最大縫隙腐蝕深度為0.16 mm[23]。5052鋁合金在表層海水中未出現(xiàn)縫隙腐蝕，但在深海試驗(yàn)中不到200天就出現(xiàn)了1.65 mm的縫隙，并導(dǎo)致穿孔[23]。

隨深度的增加，海水的溫度、溶解氧等環(huán)境因素具有顯著差異，對(duì)深海環(huán)境下金屬腐蝕產(chǎn)生重要影響。郭為民等[24]對(duì)5083鋁合金在不同溫度和溶解氧條件下的腐蝕規(guī)律進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，溶解氧含量越高，5083鋁合金表面越易形成氧化膜，自腐蝕電位越正；溫度越低，其耐蝕性也越好。他還采用具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的深海環(huán)境試驗(yàn)裝置[25]在國(guó)內(nèi)首次于我國(guó)南海海域不同深度成功開(kāi)展了深海實(shí)海環(huán)境實(shí)驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，不同深度暴露的5083試樣均在固定孔周?chē)l(fā)生嚴(yán)重的縫隙腐蝕，并向周?chē)鷶U(kuò)展。隨著暴露深度的增大，局部腐蝕的面積和深度增加，在800 m處和1200 m處暴露3年的平均腐蝕速率分別為0.048，0.054 mm/a。北京科技大學(xué)的李曉剛[26]等搭載此裝置進(jìn)行了5052和6061鋁合金在不同深度的實(shí)海暴露試驗(yàn)，結(jié)果表明，5052和6061鋁合金在1200 m深度下最大蝕坑深度低于800 m下的數(shù)據(jù)，并且同種環(huán)境下5052鋁合金腐蝕速率和最大點(diǎn)蝕坑深度遠(yuǎn)低于6061鋁合金。Al-Mg合金在太平洋表層海水和深海中的腐蝕行為表明，深海環(huán)境下點(diǎn)蝕速率要快于表層海水環(huán)境，并隨深度增加呈現(xiàn)先增加后降低的過(guò)程，在700 m深度點(diǎn)蝕速率達(dá)到最大值[27]。在相同環(huán)境條件下，Al-Cu系合金2014在各深海環(huán)境下均腐蝕嚴(yán)重，Al-Mg系合金則表現(xiàn)為均勻腐蝕及少量稀疏的點(diǎn)蝕，Al-Si系合金6061在深海暴露后表面表現(xiàn)為泥裂特征[28]。

2.4 模擬海洋環(huán)境

劉艷潔等[29]利用循環(huán)鹽霧腐蝕實(shí)驗(yàn)?zāi)M了2024鋁合金在海洋大氣環(huán)境中的腐蝕過(guò)程。腐蝕過(guò)程中2024鋁合金的表面形成了具有較好保護(hù)性的銹層，其保護(hù)性呈現(xiàn)隨腐蝕時(shí)間的延長(zhǎng)先增強(qiáng)后減弱然后再略增強(qiáng)的變化過(guò)程。張正貴等[30]研究了Al-Cu系鋁合金2A12在3.5%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）NaCl溶液中的腐蝕疲勞行為，在自腐蝕條件下，其腐蝕疲勞過(guò)程屬于陽(yáng)極溶解機(jī)制控制，微觀斷口仍然以解理、準(zhǔn)解理及沿晶開(kāi)裂等脆性特征為主。張曉云等[12]利用2A12鋁合金C形環(huán)試樣在3.5%NaCl溶液中開(kāi)展了周期浸潤(rùn)腐蝕試驗(yàn)，證明2A12鋁合金具有較高的應(yīng)力腐蝕敏感性，多數(shù)2A12鋁合金在1周之內(nèi)產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂。王曰義[31]研究了不同流速狀態(tài)下鋁合金的腐蝕行為以及海水流速對(duì)鋁合金腐蝕的影響，2A12鋁合金在海水流速大于3.4 m/s時(shí)，出現(xiàn)蜂窩狀腫脹或腐蝕潰瘍，在5.3 m/s時(shí)，最大蝕坑深度達(dá)0.9 mm。5A05在海水流速低于3.4 m/s時(shí)，無(wú)明顯腐蝕出現(xiàn)，在海水流速為7.6 m/s時(shí)，所有試樣表面上都發(fā)現(xiàn)有少量點(diǎn)蝕。

單毅敏等[32]研究發(fā)現(xiàn)在3.5%NaCl溶液中Al-Mg系鋁合金5083在熱處理情形相同的條件下，Mg含量低的5083鋁合金耐腐蝕能力要比Mg含量高的好。張波等[33]比較了5083鋁合金在靜態(tài)和流動(dòng)海水條件下的腐蝕行為的差異，在靜止海水中5083鋁合金的耐蝕性比較好，腐蝕率較小。隨著海水流速的增加，耐蝕性迅速降低，當(dāng)海水流速為2 m/s時(shí)，平均腐蝕速率即增加到靜水中的8倍。

鄭傳波等[34]研究了6061鋁合金在模擬海洋大氣環(huán)境中的腐蝕電化學(xué)行為，其在模擬海洋大氣環(huán)境中表面不同區(qū)域活性溶解程度不同，腐蝕產(chǎn)物數(shù)量較少，分布不均勻，腐蝕點(diǎn)主要呈圓形。韓東銳等[35]研究了6061鋁合金在室內(nèi)模擬海水中的腐蝕行為。研究表明6061鋁合金在常溫海水中的腐蝕形貌為點(diǎn)蝕，在高溫海水中6061鋁合金表面易形成鈍化膜且腐蝕輕微。

3 總結(jié)與展望

鋁合金在減輕船體質(zhì)量、提升航速以及減少能耗等方面的巨大優(yōu)勢(shì)，使其作為造船的基本材料已成為趨勢(shì)。為繼續(xù)拓展應(yīng)用，船用耐蝕鋁合金研究需要更進(jìn)一步的發(fā)展完善。一是注重現(xiàn)有材料的改進(jìn)和新型產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)，如改進(jìn)鑄造工藝，提升耐蝕鑄造鋁合金的鑄造工藝性能；探索新型輔助元素的增加，改進(jìn)耐蝕變形鋁合金的焊接性能等。研發(fā)新型船用耐蝕鋁合金材料，通過(guò)添加諸如鈧、錳、鉻、鋯、鈦等微量元素、控制加工及熱處理工藝，保證鋁合金具有較高耐蝕性能的同時(shí)生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單可行。二是加強(qiáng)對(duì)船用鋁合金材料腐蝕理論與防護(hù)方法的研究，對(duì)鋁合金材料在實(shí)際環(huán)境中的腐蝕機(jī)理進(jìn)行更加深入的探討。同時(shí)在實(shí)際施工應(yīng)用中綜合采用防腐涂層及包鋁等保護(hù)措施減少因鋁合金材料固有特性而導(dǎo)致的局部腐蝕，并應(yīng)盡量避免電偶腐蝕和應(yīng)力腐蝕的發(fā)生。

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Study on Corrosion of Aluminum Alloys for Ship Applications in Marine Environment

HOU Jian，ZHANG Peng-hui，GUO Wei-min
（State Key Laboratory for Marine Corrosion and Protection，Luoyang Ship Material Research Institute,Qingdao 266101，China）

In this paper,the application and current corrosion research of three series of aluminum alloys,namely Al-Cu,Al-Mg and Al-Si,in marine environment were reviewed.The properties of the three kinds of aluminum alloys and their detailed applications in the field of ships and marine equipments were briefly illustrated.The corrosion of aluminum alloys under marine atmosphere,surface seawater and deep ocean in different sea sites as well as the research progress on corrosion under simulated seawater condition was also summarized.The researches have shown that the main corrosion types of aluminum alloys for ship applications in different marine environment were pitting corrosion and stress corrosion.The degree and susceptibility of corrosion aggravate with the increase of the seawater depth.Among these three kinds of aluminum alloys,the Al-Mg series of materials show the best corrosion resistance.Finally,based on the manufacture and utility status,we prospected the research and development tendency of aluminum alloys for ship applications and the corrosion research in marine environment.

ships；aluminum alloys；marine environment；corrosion

2014-12-30；

2015-03-05

2014-12-30；

2015-03-05

侯?。?980—），男，山東淄博人，碩士，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)椴牧细g與防護(hù)。

Biography：HOU Jian（1980—），Male，from Zibo，Shandong，Master，Senior engineer,Research focus：corrosion and protection of materials.

10.7643/issn.1672-9242.2015.02.013

TJ04；TG172.5

A

1672－9242（2015）02－0059-05