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，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，王安東，張勇，王晨光

（海軍航空工程學院 青島校區(qū)，山東 青島 266041）

目的研究海軍某型裝備殼體結構材料在海洋環(huán)境下的腐蝕行為及規(guī)律。方法根據(jù)折算出的實驗室加速腐蝕試驗環(huán)境譜，開展了ZL115-T5鑄鋁合金試驗件、ZL115-T5鑄鋁合金/ C41500海軍黃銅接觸試驗件、模擬實際涂抹黃油試驗件以及模擬維護涂抹緩蝕劑試驗件的實驗室加速腐蝕試驗。結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、質量、平均腐蝕深度以及腐蝕損傷度變化規(guī)律。結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

腐蝕會給裝備維護人員帶來沉重的工作負擔，給國家造成不可挽回的經(jīng)濟損失，同時還會制約部隊戰(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措施的應用使得裝備的防腐性能逐漸提高[4]。通過調研發(fā)現(xiàn)，金屬腐蝕依然是導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軌直接接觸發(fā)生電偶腐蝕，加快基體消耗，使得結構可靠性急劇降低，嚴重時甚至會導致裝備提前報廢[6—8]。因此，以實驗室加速腐蝕環(huán)境譜為試驗條件，開展該型裝備殼體ZL115-T5鑄鋁合金的腐蝕試驗，探尋該鑄鋁合金在服役環(huán)境下的腐蝕規(guī)律，對于保障裝備可靠性、延長裝備使用壽命顯得尤為重要[9]。

1 實驗室腐蝕試驗

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鑄鋁合金化學組分 %

圖1 ZL115-T5鑄鋁合金試件

當該裝備的鑄鋁合金殼體裸露時，會與銅導軌（用材為C41500海軍黃銅）發(fā)生電化學接觸。C41500海軍黃銅的化學組分見表2[12]。黃銅試件由實裝銅導軌切割而成，尺寸見圖2。

表2 C41500海軍黃銅的化學組分 %

圖2 C41500海軍黃銅試件

1.2 腐蝕試驗

根據(jù)調研可知，該型裝備停放時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)計分析、篩選、簡化調研收集的服役環(huán)境數(shù)據(jù)，刪除對結構腐蝕貢獻小的參數(shù)與作用時間，保留貢獻較大的部分，折算出實驗室腐蝕試驗環(huán)境譜[13]如下：腐蝕溶液為恒溫40 ℃、pH值為4、質量分數(shù)為3.5%的NaCl溶液，在此溶液中將試件浸泡93 h，相當于在備用架上和發(fā)射裝置內(nèi)停放6個月，即為實際服役時間1年（岸基專用洞庫內(nèi)停放時無需考慮腐蝕作用）。

對試件進行預處理：除油→封樣→打磨→編號→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為試件試驗面打磨前后狀態(tài)。試驗方案見表3。在預處理完成后，需根據(jù)試驗方案對試件再處理。表中01-07號為第一批腐蝕試件，08-14號為第二批腐蝕試件。

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 試驗面處理方案

使用蒸餾水、NaCl及H2SO4配置試驗所需溶液，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，設置40 ℃恒溫。待腐蝕溶液溫度達到40 ℃后，依次放入試件并開始周期計時。試件在溶液內(nèi)的擺放方式見圖5。放入前，需對試件進行稱量、記錄。在試驗過程中每隔2 h測量一次溶液的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

每個腐蝕周期結束后，應先使用50%的硝酸清洗試驗面，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，之后方可對試件進行相關測量。測量內(nèi)容包括：稱量并記錄；測量試驗面宏觀、微觀腐蝕狀態(tài)等。測量完成后，更換腐蝕溶液并將試件再次放入，繼續(xù)開展下個周期的腐蝕試驗[14]。

2 試驗結果

2.1 腐蝕形貌及分析

以01號試件前5個腐蝕周期為例進行橫向對比。圖6為該試件在各個周期的微觀腐蝕形貌。可以看出，第一周期后，試驗面已明顯“成核”，這是點蝕發(fā)生的征兆。隨著腐蝕的進行，成核區(qū)發(fā)展并逐步形成蝕坑。至第四個周期時，試驗面蝕坑已經(jīng)十分明顯。可見，在海洋環(huán)境下ZL115-T5鑄鋁合金的主要腐蝕形式為點蝕。隨著試驗周期的增長，試驗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，腐蝕損傷愈加嚴重。

03號、04號試件因試驗面涂有緩蝕劑，腐蝕的開始與發(fā)展均十分緩慢。兩類試件直到試驗進行至第三、第四周期時，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-15兩種緩蝕劑對于ZL115-T5鑄鋁合金的緩蝕效果較好，能夠起到腐蝕防護作用。涂抹Corrosion X的02號試件，在第二個腐蝕周期結束時，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腐蝕周期下試驗面的微觀腐蝕形貌為例進行縱向對比。這是因為在第一個周期結束后，各試驗面腐蝕狀態(tài)差別比較明顯，隨著試驗的進行，這種差別會逐漸減小。在第一個周期結束時，01號—07號試件的微觀腐蝕形貌如圖7所示。通過對比局部腐蝕部位的面積大小及蝕坑深度大小，可得到在第一個腐蝕周期結束后，試驗面腐蝕損傷程度的排列順序為：03號、04號＜02號、07號＜01號＜06號＜05號。

03號與04號試件的試驗面分別涂有THFS-10和THFS-15兩種緩蝕劑，二者的緩蝕效果十分明顯。02號與07號試驗面均涂抹Corrosion X緩蝕劑，但07號試驗面有人工十字劃痕，在第一個周期結束時，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，二者接觸時構成宏觀腐蝕電池導致電偶腐蝕，從而加劇了陽極鑄鋁合金的損耗。06號試件（金屬間涂抹黃油）的腐蝕狀態(tài)次于05號，這說明黃油在潤滑的同時，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)計及分析

質量變化是表征試件在某個周期內(nèi)腐蝕損傷程度的參量之一。表4給出了試件的初始質量及每個試驗周期結束時的質量。由表4中數(shù)據(jù)可知，隨著腐蝕試驗的進行，除05號、06號、12號和13號試件（均為電偶腐蝕）質量變化較為明顯外，其他試件質量雖然均有減小趨勢，但并不是十分明顯。

對試驗面分區(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。每個試驗周期末隨機拍照、測量5個區(qū)域。圖8為蝕坑三維測量圖。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蝕坑深度數(shù)據(jù)。

- 表4 試件在各周期的質量 g

試件編號周期 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

腐蝕會使試驗面出現(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，腐蝕損傷度對腐蝕損傷演化規(guī)律的描述更為精確。不同腐蝕損傷度對應著不同的表面形貌。腐蝕損傷度可由式（1）計算：

式中：為試驗面表面積；A為單個腐蝕坑的面積。

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

圖9 基于圖像的CDR計算

結合測得的試件微觀腐蝕圖像，計算得到不同當量年限下各試件的腐蝕損傷度見表6。可以看出，隨腐蝕時間的增長，腐蝕損傷度也在不斷變大，但不同試件的增長速率有所不同，且與平均腐蝕深度的變化有著某種對應關系。

表6 各試件的腐蝕損傷度 %

3 結論

1）腐蝕會引起試件的質量、平均腐蝕深度以及腐蝕損傷度的變化。對于每個試件來說，三者隨腐蝕時間的變化趨勢是一致的，用腐蝕損傷度來描述結構的腐蝕損傷程度更為合理、準確。

2）將不同處理類型的試件在同一個腐蝕周期下的微觀腐蝕形貌和腐蝕特征量進行對比，可得到腐蝕損傷程度由小到大的排列順序：05號>06號>01號>02號與07號>03號與04號。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發(fā)生電偶腐蝕，加速鋁合金基體的損耗；充當導軌潤滑劑的黃油能夠在一定程度上將二者進行電化學隔離，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、02號、03號、04號和07號）的腐蝕試驗結果進行對比，結果表明，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較好，二者可以作為該型裝備殼體結構的腐蝕防護用品。

[1] 陳躍良, 卞貴學, 衣林, 等. 腐蝕和疲勞交替作用下飛機鋁合金疲勞性能及斷裂機理研究[J]. 機械工程學報, 2012, 48(20): 70—76.

[2] 陳躍良, 呂國志, 段成美. 服役條件下飛機結構腐蝕損傷概率模型研究[J]. 航空學報, 2002, 23(3): 245—251.

[3] 陳躍良, 段成美, 金平. 飛機結構局部腐蝕容限研究[J]. 強度與環(huán)境, 2000(2): 60.

[4] 李明, 李曉剛, 陳華. 在濕H2S環(huán)境中金屬腐蝕行為和機理研究概述[J]. 腐蝕科學與防護技術, 2005, 17(2): 107—111.

[5] 陳躍良, 于繼真. 某型飛機結構腐蝕失效分析[J]. 飛機設計, 2002(3): 12—16.

[6] 衣林, 陳躍良. 飛機鋁合金結構的腐蝕疲勞研究[J]. 價值工程, 2011, 30(26): 37—38.

[7] 胡德昌. 現(xiàn)代工程材料手冊[M]. 北京: 宇航出版社, 1992.

[8] 韓品堯. 戰(zhàn)術導彈總體設計原理[M]. 哈爾濱: 哈爾濱工業(yè)大學出版社, 2000.

[9] 余剛, 劉躍龍, 李瑛, 等. Mg合金的腐蝕與防護[J]. 中國有色金屬學報, 2002, 12(6): 1087—1098.

[10] 吳一. ZL115合金的熱處理工藝探討[J]. 熱加工工藝, 2003(1): 58—59.

[11] 郭君. ZL115合金固溶處理工藝對顯微組織的影響[J]. 企業(yè)技術開發(fā), 2014, 33(6): 79—81.

[12] 杜敏, 郭慶錕, 周傳靜. 碳鋼/Ti和碳鋼/Ti/海軍黃銅在海水中電偶腐蝕的研究[J]. 中國腐蝕與防護學報, 2006, 26(5): 263—266.

[13] 張棟. 確定飛機日歷壽命用的當量環(huán)境譜研究[J]. 航空學報, 2000, 21(2): 128—133.

[14] 蔣冬濱. 飛機結構關鍵危險部位加速腐蝕試驗環(huán)境譜研究[J]. 航空學報, 1998, 19(4): 434—438.

[15] 韋麗金. 點蝕疲勞壽命估算的投影面積法[D]. 南京: 南京航空航天大學, 2008.

[16] 衣林. 南海海域LY12CZ材料腐蝕損傷及疲勞性能研究[D]. 煙臺: 海軍航空工程學院, 2010.

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（1982—），男，山東菏澤人，博士，主要從事腐蝕防護與控制、結構可靠性等方面的研究。