鋁合金艦艇的腐蝕特點及治理對策

宗 峰

● （駐上海江南造船（集團）有限責任公司軍事代表室，上海 201913）

鋁合金艦艇的腐蝕特點及治理對策

宗 峰

● （駐上海江南造船（集團）有限責任公司軍事代表室，上海 201913）

本文列舉了鋁合金腐蝕的典型類型，對目前鋁合金艦艇上存在的主要腐蝕特點及原因進行了分析，提出制定維護保養制度，并從技術手段上提出了相應的治理防護對策。

鋁合金；防腐蝕；維護保養

0 引言

近年來，鋁合金作為一種性能優越的金屬材料在艦船建造上得到了廣泛的應用，鋁合金上層建筑及全鋁合金結構船體的船舶數量急速增加，很多船采用 5083-H116、5083-H321和 5383-H321等鋁合金作為艦體結構材料，6061-T6和6082-T6作為艦體擠壓成型件（管材）及加固材料。與此同時，艦艇的鋁合金結構的防腐蝕問題應該引起我們的高度重視。

1 艦船用鋁合金典型腐蝕類型

鋁及其合金的腐蝕環境濕度臨界值為76 RH%，當環境濕度高于該臨界值時，鋁合金表面就會形成水膜，從而促使電化學腐蝕速率迅速上升。該值與鋁合金表面狀態緊密相關，當金屬表面越粗糙、裂縫與小孔越多時，臨界相對濕度值越低；若鋁合金表面粘附易于吸潮的鹽類或灰塵時，其臨界值也降低。5系（Al-Mg）鋁合金和 6系（Al-Mg-Si）鋁合金是應用最廣的艦用鋁合金，常見的腐蝕類型包括：均勻腐蝕、點腐蝕、縫隙腐蝕、晶間腐蝕和應力腐蝕。

1.1 均勻腐蝕。

在H3PO4或NaOH介質中，鋁合金通常發生均勻腐蝕，此時金屬表面的鈍化膜會發生大面積均勻溶解，即全面腐蝕。

1.2 點腐蝕。

點蝕是鋁及其合金最常見的腐蝕類型，在海洋大氣環境中，當空氣濕度達到腐蝕臨界值時，鋁合金表面形成極薄水膜，使極性較強的 Cl-進入于鋁合金表面薄液膜。由于鋁合金中組織的不均勻性，夾雜物或析出相附近生成的鈍化膜較薄，電位較正，該處就容易吸附 Cl-，當濃度達到一定值（使該處電位值達到臨界點蝕電位）后就會穿透氧化膜到達金屬基體。這時，鈍化膜破裂點處作為陽極，未破壞處作為陰極，形成由氧去極化控制的小陽極、大陰極活化-鈍化腐蝕原電池。鋁合金點蝕原理如圖1所示。

圖1.鋁合金點蝕原理示意圖

在中性和偏堿性環境下，鋁的腐蝕原電池反應為：

陽極：Al-3e→Al3+

陰極：O2+2H2O+4e→4OH-

總反應：4Al+3O2+6H2O→4Al(OH)3（假勃姆石）↓

由于破裂點處陽極電流密度非常大，該處就首先出現腐蝕孔，而有鈍化膜區域受到陰極電流保護，繼續維持鈍態而不再繼續腐蝕。這樣，腐蝕孔就會進一步加深，并且導致H+富集，由此發生：

Al+3H++3Cl-+nH2O→AlCl3·nH2O+3/2 H2↑

這種蝕孔閉塞電池的自催化酸化作用導致鋁合金腐蝕速率急劇增加，從而導致穿孔。若鋁合金晶界處存在Al2Cu、Al3Fe等陰極相偏析，或者鋁合金表面存在水化Cu2+、Fe3+等雜質離子，就會發生：

Cu2++2e→Cu 或Fe3++3e→Fe

這種正電位金屬的二次析出會大大加速陰極腐蝕電化學反應速率，導致鋁合金迅速穿孔。英國BNFRMA實驗室的研究表明，Cu2+在倫敦水中的引起鋁合金點蝕的臨界濃度值為 0.2ppm～0.5ppm。研究表明，高含量氯離子和成垢離子可強化Cu2+對鋁合金的加速腐蝕作用，即使含量小于30μg/L（0.03 ppm）的Cu2+也能急劇提高鋁合金的自腐蝕電位，誘發鋁合金局部點蝕；但在軟化水以及低鹽度水中，鋁合金受低濃度銅離子的影響較小。

1.3 縫隙腐蝕

一般認為，鋁合金縫隙腐蝕發展機理與點蝕類似，均是由于閉塞電池的自催化酸化效應。不同之處在于其萌生機制：縫隙腐蝕僅發生于腐蝕介質可以透入的間隙內，如鋁合金與其他金屬或非金屬材料的對接、鉚接、焊縫部位，縫隙腐蝕速度與縫隙幾何形狀密切相關；相對于縫隙腐蝕的靜止性而言，點蝕可在周圍腐蝕介質能夠自由到達的金屬表面電位較正處發生（如灰塵附著處或晶界、夾雜、位錯集中部位），也可由金屬表面的微觀缺陷處萌生。絲狀腐蝕可看做縫隙腐蝕的特例，其腐蝕機理被認為是受氧擴散控制的電化學腐蝕，通常發生于涂裝缺陷處，在海洋大氣環境下，若涂層存在針孔等缺陷，該處鋁合金首先發生點蝕，進而向周圍涂層下擴散，逐步形成陽濃差電池，激發絲狀腐蝕萌生：缺陷外部（尾部）為富氧區，作為腐蝕電池的陰極，而周圍（頭部）貧氧區為陽極發生鋁的活性溶解，這樣腐蝕反應就進一步呈絲狀沿頭部向前擴展，在尾部形成類似點蝕的假勃姆石腐蝕產物。當腐蝕產物聚集到一定程度時，就會將涂層向上拱起，使漆膜呈現破裂、鼓泡等缺陷。

1.4 晶間腐蝕

鋁合金晶間腐蝕一般出現在5系鋁合金中。由于晶間腐蝕的微觀特性，往往成為最具破壞性的腐蝕失效形式。由于時效過程中鋁合金晶間出現含 Cu較少的無沉淀帶（PFZ），電位較負為陽極，而在晶界析出 Al2Cu或Al2CuMg相等富Cu相，電位較正形成陰極，而晶粒內部也處于貧Cu區形成陽極，這樣就會形成一個陽極、兩個陰極的多電極腐蝕電池，導致鋁合金晶界偏析處加速腐蝕并會向內部擴展，引發材料力學性能顯著下降。另外，冷加工程度較大也會導致5系鋁合金中的Al8Mg5相在晶界處偏析，由于該相對于鋁合金本體而言為陽極相，就會形成晶界處為陽極、晶粒內為陰極的腐蝕電池，導致鋁合金形成晶間腐蝕。當晶界析出相為連續鏈狀分布時，晶間腐蝕敏感性較高；而當其為斷續分布時，則不易產生晶間腐蝕。

1.5 應力腐蝕

鋁合金應力腐蝕一般出現于2系和7系成分復雜和合金化程度高的中高強度鋁合金中，在5系和6系等Mg含量低于5%的合金中尚未發現有應力腐蝕開裂傾向。

2 鋁合金艦艇的主要腐蝕特點及原因分析

結合鋁合金的腐蝕特點，可以發現，在海水和海洋大氣環境中鋁合金材料比傳統的船體鋼更活潑，因而更易遭受腐蝕，以鋁合金作為結構材料的艦艇腐蝕防護工作應引起各級部門的高度重視。

以某型鋁合金艦艇為例，通過監造和回訪部隊，以及對鋁合金艦艇進行的專項調研中，可以發現腐蝕主要體現在幾個方面：

1）艉板法蘭內防腐鋅塊腐蝕速度較快，屬于正常范疇，但空泡腐蝕較為嚴重，只能由總體設計所利用塢修的時機對艉板法蘭進行更換；

2）船體腐蝕方面，在南海和北海均不顯著，突出表現在東海方面，在某修理廠塢修過的幾艘艇外板上均不同程度的有較多的點腐蝕存在，都是在外板油漆打磨完后發現的，部分點腐蝕深約2mm～4mm，連接橋底部因海浪沖擊，油漆脫落嚴重，艇尾部分腐蝕明顯；

3）片體空艙尤其是5、6號空艙鋁板腐蝕嚴重，部分艇空艙內水艙和燃油艙的艙壁板上存在腐蝕穿孔現象，由于空艙內冷凝水較多，防火隔熱材料腐蝕發霉的現象比較普遍，但部分艇空艙內腐蝕已導致防火隔熱材料的失效；

4）冷媒水管系接頭處滲漏是比較普遍的現象，2號機艙、1號及2號住艙冷媒水管系接頭滲漏尤為嚴重。

圖2～6為某型艇專項調研時現場所發現的腐蝕現象。

圖2 空艙鋁合金板點蝕宏觀形貌

圖3 艏尖艙滴落鐵銹導致底部鋁板存在嚴重穿孔隱患

圖4 舷側排水口附近涂層絲狀腐蝕

圖5 艇艏吸波涂層推測由于絲狀腐蝕導致鼓包

圖6 艇艏信號桿機加工表面鋁合金剝離腐蝕

目前全鋁合金艦艇基本上都屬于快速艇，艇體水下部分由于高流速和我國近海海面雜物較多，一般的防腐、防污涂料難以有效保護艇體。南海海域由于溫度較高，海生物較多，艦艇常在海水、淡水中轉換停泊，加上水流速度快，對艇體沖刷大，因此船體外板的腐蝕并不明顯，而東海海域由于海水含有大量營養質，水流緩慢，船體外板涂料的防腐保護作用被減弱。按照使用要求，部分艦艇一年中因防臺而上排的時間長約4到5個月，這就導致船體外板涂料長期暴露在空氣中，對艇體的防護不夠，這也是東海海域的艦艇外板腐蝕較北海、南海嚴重的主要原因。海底門隔柵附近由于海水流速快，外板油漆涂料普遍存在大塊脫落現象。涂裝的有效防護問題應是下一步的重點研究方向。

鋁合金艦艇通常采用高速推進，推進設備通常采用其他金屬材料，在其艇尾附近腐蝕難以用犧牲陽極給以完整保護，而一般的防腐涂料又難以經受高流速的水流沖擊，造成防腐鋅塊腐蝕速度較快，但空泡腐蝕依然嚴重。

對于裸露在空氣中的鋁合金結構，目前艦艇上僅僅靠自然氧化層進行防護。南海海域濕度大，艙室中有大量的冷凝水存在，加上部分部隊對空艙的維護保養不夠重視，導致空艙中有較多的積水，導致點腐蝕數量較多，空艙與水艙、燃油艙的隔壁板上甚至出現腐蝕穿孔，同時防火隔熱材料腐蝕發霉的現象也比較普遍。但在對腐蝕防護比較重視的艦艇上，對空艙的基本保持了每周一次的打掃清潔，空艙內比較干凈，點腐蝕很少，也比較輕微，防火隔熱材料只有個別地方出現霉點。

冷媒水管系接頭處滲漏是另一個應引起高度重視的問題。從調研和反饋的情況來看，無論是空艙還是機艙和住艙，所有鋁合金艦艇上都普遍存在冷媒水管系接頭的滲漏，很多接頭處因腐蝕導致了銹蝕，部分有穿孔。由于重量的關系，鋁質艦艇的大部分管路材料為鋁合金，但鋁管用于非海水介質時情況尚可，用于海水系統效果不好，不耐腐蝕，經常出現點蝕穿孔。由于鋁合金材料較一般船用金屬材料活潑，因此在鋁合金艦艇的管系附件上使用異種金屬材料，極易造成金屬電位差而導致腐蝕加快。

3 鋁合金艦艇的腐蝕治理對策

相對鋼質材料，鋁合金材料在國際和國內都存在發展歷史短、研究基礎薄弱的現狀，鋁合金船的設計建造和使用也一直處在不斷探索和完善的過程中，鋁合金腐蝕防護技術難度高，維護保養代價高。國內在鋁合金腐蝕防護技術上起步較西方發達國家更晚，對目前艦艇上使用較多的5083、6061等鋁合金腐蝕資料積累很少，包括一些鋁合金艦艇的總體設計單位，對鋁合金艦艇的防腐設計也是處在邊做邊摸索的過程中，這加大了對鋁合金進行腐蝕防護的難度。

1）在現有條件下，首先要把日常的維護保養做到位。海洋環境中空氣濕度大，艙室中容易出現冷凝水，若能保持定期打掃清潔的制度，冷凝水在艙室內不易聚集，腐蝕很少，也比較輕微，內裝材料上也較少出現出現腐蝕發霉現象。

2）就現有的鋁合金防腐蝕技術和手段來看，要有效應對鋁合金艦艇的腐蝕，主要可采取以下幾種措施：合金及其狀態選擇、設計、陰極保護、有機涂層、表面處理、緩蝕劑、改善環境等。

改進生產加工工藝，提高鋁合金材料的耐腐蝕性能。由于我國鋁合金板的軋制及熱處理工藝技術水平與美國、日本差距較大，軋制設備為上世紀50～60年代水平，并且僅有東北輕合金、西南鋁業、西北鋁業能生產Mg＞3%的鋁合金板材，導致國產鋁合金與進口鋁合金板材的耐蝕性差距較大。這要求在選用艦艇鋁合金時，除考慮強度、成形性能、焊接性能外，還必須考慮防腐蝕性能。5系鋁合金抗腐蝕性最好，應作為優先選用。

在設計鋁合金艦體結構時如考慮不周，會造成嚴重的腐蝕，必須認真考慮，精心設計，正確地選擇材料與狀態，正確地確定與鋁合金結構相接觸的其它金屬材料與非金屬材料，正確地選定過渡接頭材料，從源頭上減少腐蝕發生的概率。避免與異種金屬接觸，避免鋁件與吸水率＞20%的木材接觸，如果設計需要，則應采取嚴密的防腐蝕措施，據有關部門統計，我國在鋁制艦艇中，修理更換的外板屬于結構不合理造成腐蝕的占25%，與異種金屬接觸造成的腐蝕占 15%，與木材接觸引起腐蝕為 15%，屬于電化學腐蝕的占45%。顯然。精心設計、慎重選材，可大幅度減少腐蝕；避免縫隙，對不可避免的縫隙加以嚴密的密封，防止溶液與潮氣進入；采用連續焊，盡量不采用點焊與鉚接；采用易排水、清洗方便的結構；裸鋁表面不與易吸水、吸潮的材料接觸，不可避免時，采取防潮措施；管路系統盡量避免急轉彎；避免熱傳導到熱點；避免流體直接撞擊；避免過大的應力集中；設備應安裝在腐蝕性最小的地方；如果設備要涂油漆，應消除尖銳的邊棱。

陰極保護。在陰極保護中，是使用直流電通過介質流向待保護的金屬表面，使受保護的表面成為陰極。電流可來自犧牲陽極，例如保護海水中的艦船殼體不受腐蝕可用鋅或鎂作犧牲陽極，也可用某些鋁合金作犧牲陽極；電流也可由外加電源提供，例如利用石墨惰性陽極向介質通入電流。局部陽極腐蝕電流減至零時，可獲得最佳保護效果。外加電流大小決定于保護系統的極化作用與電阻。用鋅作犧牲陽極相當安全，用鎂作犧牲陽極時，應精心設計。較高的安全極化電壓為-1.20V(Cu/CuSO4)。

有機涂層。鋁合金結構與鋁材零件上通常以有機涂層進行防腐。在使用有機涂層時，一要注意被涂表面，二要選好涂料，才能取得預期的效果。大部分有機涂料之所以有防腐作用，是在鋁表面與介質之間形成了一層物理性阻擋層。有些涂料還含有鉻酸鹽之類的緩蝕劑。為了延長涂層的防腐性能，應定期維護。合理的涂裝表面、良好的防腐涂料配套體系是提高船體耐腐蝕性的重要保證。

表面處理。對鋁合金材料進行表面處理，增厚表面氧化膜，可獲得很好的保護效果，也就是我們通常所說的“鈍化”。不受磨擦作用的鋁合金結構可進行化學表面處理，表面氧化膜厚度約達20nm。通過陽極氧化處理不但可獲得相當厚的(5μm～25μm，為自然氧化膜的 1000倍～3000倍)、硬的多孔的氧化膜，而且還能著上顏色。陽極氧化膜在沸水封孔或低溫封孔后，可進一步提高抗蝕性。陽極氧化膜的性質與自然氧化膜的相同，既不耐強酸，又不耐強堿。

緩蝕劑。這種手段在充分論證研究的情況下可應用于艦艇上的管路系統。降低陽極腐蝕反應的緩蝕劑如鉻酸鹽稱為陽極緩蝕劑。減小陰極腐蝕反應的如多磷酸鹽稱為陰極緩蝕劑。陽極緩蝕劑的量不夠時會增大點蝕，從這個角度來看，陰極緩蝕劑比較安全。有時也用陰、陽極緩蝕劑相混的混合緩蝕劑。如果密閉系統中有銅質零件，可添加硫醇苯噻唑鈉防止銅腐蝕，從而防止鋁的沉積腐蝕。向弱堿性溶液添加硅酸鈉能抑制鋁的腐蝕。常用的鋁材緩蝕劑有：乙胺、丁胺、戊胺、異丙胺、異丁胺、異戊胺、二乙愛、二丁胺、二環己胺等。

改善環境。改變腐蝕介質改變介質的腐蝕性也是可能的，如在艦艇管路等密封的空間內，使溫度高于露點；將溶液中的pH調到4.0～9.0等。如果管路中有Cu存在，pH至少應達到8.0，才能防止Cu溶解，從而預防鋁的沉積腐蝕。排除水中的氣體能大大降低鋁的點腐蝕速度，向酚與甲醇添加約0.1%水可防止它的高溫強烈腐蝕作用。

4 結論

隨著艦艇上鋁合金材料的應用逐漸增多，艦艇用鋁合金的防腐蝕問題應引起高度重視，必須建立健全艦船用鋁合金防腐體系，立足于現有條件，從材料的選擇、設計、保護和修補等方面，采取綜合治理。同時還要不斷積累資料，探索和研究更有效實用的防腐手段，使艦艇鋁合金防腐問題得到有效的解決。

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廣東民華游艇制造有限公司26.8米休閑觀光艇“海之星328”號成功試航

2014年7月，由廣東民華游艇制造有限公司自主設計、建造的26.8米休閑觀光艇“海之星328”號成功試航，即日將交付船東使用。

“海之星328”號總長26.8m，型寬5.6m，吃水0.8m，載客50人，材質為玻璃鋼，主要用作旅游觀光、休閑度假，也可用作海上客運等。其流線型的外觀，顯得動感十足，張揚而不失優雅。

“海之星328”號主甲板客艙配有真皮沙發50座和高檔木質茶幾，使用高級柚木面板和軟包裝修，地板則采用優質實木地板。船首為多功能娛樂室，配有投影設備，卡拉OK點歌系統，進口音響、燈光一套，用于唱歌、派對、宴會等，客艙尾部設有一衛生間。二層甲板客廳空間開闊，設有兩套沙發及燈光、音響、點歌系統一套，既可用于 商務接待，又可滿足賓客們的休閑娛樂需求。飛橋層擁有大面積的空間，為賓客們在遮陽篷下登高望遠，盡享美景提供了充分的條件。

作為一艘游覽觀光船，每一位乘客都想坐在一艘震動少及噪音小的游艇上觀光、娛樂，為此本船艙室側壁及機艙壁敷設有防火隔音隔熱棉。確保了航行的舒適和愉悅。

這艘26.8m的休閑觀光艇，凝聚了廣東民華游艇制造有限公司技術人員最優的設計方案和生產部門的精心施工，使本船一次試航成功，性能優于設計要求，本船建造過程中，船廠遵循船東意見，不斷完善船舶的功能和服務，贏得船東一致贊賞。

（廣東民華游艇制造有限公司黃日鋒）

Corrosion Characteristics of Aluminum Vessels and Countermeasures

ZONG Feng
(Navy Representative Office at Shanghai Jiangnan Shipyard(Group) Co.,Ltd, Shanghai 201913, China)

This article lists the typical types of aluminum alloy corrosion and analyzes the main characteristics and causes of corrosion on aluminum vessels that currently exist.This paper draws up the maintenance system.In addition, prevention and control measures from the technical means are also proposed.

aluminum; corrosion; maintenance

TG

A

宗峰（1975-），男，工程師。研究方向：艦船監造。