船舶用5083鋁合金在靜態(tài)海水中的腐蝕性能研究

肖寶靚，曲鳳嬌，尤 媛，陳 龍，張 東

(遼寧忠旺集團有限公司， 遼寧 遼陽 111003)

5083 鋁合金屬于Al-Mg系合金，因其質(zhì)輕、力學性能優(yōu)良以及具有較好的耐腐蝕性能和焊接性能，被廣泛應用于船舶工業(yè)等領域[1-2]。海水是自然界中腐蝕性很強的天然電解質(zhì)，由于海水中含有大量Cl-等典型陰離子，能夠阻礙和破壞金屬的鈍化，引起點蝕等局部腐蝕，嚴重影響材料的使用性能和安全性能[3-4]。本文采用腐蝕動力學、顯微鏡觀察、SEM觀察以及腐蝕產(chǎn)物EDS分析，對5083鋁合金在模擬海水溶液中的腐蝕行為進行研究，確定其發(fā)生腐蝕的機理，為其在海水中的防護及應用提供依據(jù)。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

試驗樣品為5083-H116鋁合金板材，通過ARL-4460型直讀光譜儀對其成分進行定性分析，化學成分(質(zhì)量分數(shù)，%)結(jié)果為，Al 94.216，Mg 4.591，F(xiàn)e 0.240，Cr 0.090，Si 0.069，Ti 0.028，Mn 0.704，Cu 0.017，Zn 0.029。

1.2 模擬海水溶液的配置

本試驗模擬海水溶液根據(jù)標準ASTM D1141-1998(2013)[5]進行配制，所有化學試劑均為分析純，組成及含量為，NaCl 24.53g/L，MgCl25.2g/L；NaSO44.09g/L，CaCl21.16g/L，KCl 0.695g/L，NaHCO30.201g/L，KBr 0.101g/L，H3BO30.027g/L，SrCl20.025g/L，NaF 0.003g/L。

1.3 性能測試

(1)質(zhì)量損失測試。試驗溶液為模擬海水溶液，5083鋁合金經(jīng)過不同時間的海水溶液浸泡后，取出試樣，然后按照ASTM G1-03[6]方法中的規(guī)定對腐蝕后試樣去除腐蝕產(chǎn)物，干燥后稱量，根據(jù)腐蝕前后的測量結(jié)果計算單位面積質(zhì)量損失。

(2)表面形貌測試。采用SSX-550型掃描電鏡對5083鋁合金以及經(jīng)過靜態(tài)海水溶液腐蝕后的表面形貌進行觀察，同時對腐蝕產(chǎn)物進行EDS能譜分析。采用GX51型材料顯微鏡對5083鋁合金去除腐蝕產(chǎn)物的表面形貌進行觀察。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 5083鋁合金微觀形貌分析

圖1(a)為5083鋁合金微觀形貌，由圖可知，5083鋁合金表面上存在著一些黑色夾雜物，有的分布比較集中，有的彌散分布，并且呈不規(guī)則形狀，主要有兩種，一種為細長形狀的第二相(位置“1”)，另一種為扁平形狀的第二相(位置“2”)，其中第二種較多;分別對位置“1”“2”進行EDS能譜分析，結(jié)果顯示位置“1”處主要含有Al和Mg，表明該第二相為Al-Mg金屬間化合物，位置“2”處主要含有Al、Mg、Mn和Fe，表明該第二相為Al6(Mn，F(xiàn)e)相[7]。

2.2 腐蝕動力學分析

質(zhì)量損失法是研究金屬腐蝕動力學最直觀、最可靠的手段。金屬表面的腐蝕生成物根據(jù)ASTM G1的方法去除，根據(jù)腐蝕試驗前后的質(zhì)量變化，得到腐蝕失重隨試驗時間的變化規(guī)律。圖2為5083鋁合金經(jīng)過不同時間的靜態(tài)海水腐蝕試驗之后的質(zhì)量損失。

采用冪函數(shù)公式M=DTn進行擬合，式中，M為質(zhì)量損失；T為試驗時間；D和n為常數(shù)，D值越小，表明材料的耐蝕性越好，n值的大小在一定程度上反應了腐蝕速率的變化，即腐蝕生成物對基體的保護作用。

擬合曲線的相關系數(shù)R2為0.9834，表明擬合程度相當高，擬合曲線公式為，M=0.0426T0.316。通過擬合公式可得出，D值為0.0426，表明5083鋁合金在靜態(tài)海水中的耐蝕性相當好；n值為0.316<1，表明5083鋁合金在靜態(tài)海水中的腐蝕速率逐漸降低，說明生成的腐蝕產(chǎn)物對5083鋁合金基體起著保護作用。

2.3 腐蝕產(chǎn)物分析

圖3為5083鋁合金經(jīng)過不同時間靜態(tài)海水腐蝕溶液浸泡后的表面微觀形貌，并對圖3中的位置“1”、“2”和“3”進行EDS能譜分析，結(jié)果見表3。結(jié)果表明，腐蝕初期，5083鋁合金表面附著白色塊狀的腐蝕產(chǎn)物，說明含有Cl-的海水鹽溶液在5083鋁合金表面的活性位置，如氧化膜不完整或者材質(zhì)不均勻處進行依附；隨著腐蝕時間的增加，腐蝕中期，依附在表面的Cl-會與氧化膜產(chǎn)生化學反應，氧化膜逐漸減薄、破裂，然后與裸露鋁合金基體直接接觸，導致裸露鋁基體發(fā)生溶解，最終生成的腐蝕產(chǎn)物為可溶于水的AlCl3；腐蝕后期，生成的腐蝕逐漸增多，覆蓋在5083鋁合金表面，形成的腐蝕產(chǎn)物越來越厚，能夠阻礙Cl-的依附以及滲透，起到保護作用。

表3 不同時間海水腐蝕試驗后5083鋁合金腐蝕產(chǎn)物的元素組成(at.%)

2.4 表面宏觀形貌分析

圖4為不同腐蝕時間條件下5083鋁合金去除腐蝕產(chǎn)物后的表面宏觀形貌。由圖4可知，5083鋁合金在靜態(tài)海水試驗初期，28d腐蝕試驗前，試樣表面出現(xiàn)非常小的點蝕坑，但是試樣表面還比較光滑平整；隨著腐蝕時間的增加，試樣表面的點蝕坑逐漸增多，點蝕坑也逐漸變大，使得試樣表面比較粗糙；當腐蝕試驗時間達到84d時，試樣表面更加粗糙，腐蝕更加惡化，凹坑密密麻麻連成了一片。表明5083鋁合金在靜態(tài)模擬海水中的腐蝕以點腐蝕為主，且隨著腐蝕時間的延長，點腐蝕坑越來越多，腐蝕坑不斷變大并加深。

3 結(jié)論

(1)5083鋁合金表面上存在著一些黑色第二相，分別為Al-Mg金屬間化合物和Al6(Mn，F(xiàn)e)相。

(2)通過冪函數(shù)對5083鋁合金經(jīng)過不同時間靜態(tài)海水腐蝕之后的質(zhì)量損失進行擬合，擬合公式為M=0.0426T0.316，擬合相關系數(shù)R2為0.9834；結(jié)果表明5083鋁合金在靜態(tài)海水中的耐蝕性相當好，以及 5083鋁合金在靜態(tài)海水中的腐蝕速率逐漸降低，說明生成的腐蝕產(chǎn)物對5083鋁合金基體起著保護作用。

(3)5083鋁合金在靜態(tài)海水中的腐蝕機理主要為：腐蝕前期含有Cl-的海水鹽溶液在5083鋁合金表面的活性位置進行依附，然后Cl-會與氧化膜產(chǎn)生化學反應，氧化膜逐漸減薄、破裂，導致Cl-與裸露鋁合金基體直接接觸并發(fā)生溶解，生成腐蝕產(chǎn)物；腐蝕后期，形成的腐蝕產(chǎn)物越來越厚，能夠阻礙Cl-的依附以及滲透，起到保護作用。

(4)5083鋁合金在靜態(tài)海水中的腐蝕以點腐蝕為主，隨著浸泡時間的延長，點腐蝕坑越來越多，且點蝕坑不斷增大加深。