深海用鋁合金海工鉆桿抗電化學腐蝕性能的研究

吳鳳民 王江濤 張永康 鄭和輝

關鍵詞：固溶溫度;海工鉆桿;鋁合金;析出相;腐蝕

0引言

7000系鋁合金屬A1-Zn-Cu-Mg系列，可進行熱處理強化，具有質量輕、強度高、可加工性能好等諸多優良特性，在航空航天、海洋工程裝備中作為結構材料被廣泛應用。7000系鋁合金中由于Mg、zn元素含量較高，在可溶結晶相未固溶的情況下，會嚴重影響合金的使用性能，尤其是在海洋環境中極易發生由于腐蝕而引起材料的結構破壞，造成重大的安全事故，威脅其服役安全。

關于鋁合金在海洋環境下的腐蝕行為已成為當前研究的熱點。何明濤等研究了6005A鋁合金表面損傷對其耐海水腐蝕性能的影響，結果發現表面損傷會導致表面氧化膜被破壞，表面缺陷越多，合金的耐腐蝕性能越低。Zuo等研究了低溫機械熱處理（LTMT）對7055鋁合金腐蝕性能的影響，并通過極化曲線測試表明LTMT工藝能有效提高合金的抗剝落腐蝕性能。張琦等采用多電極體系研究了LC4鋁合金的晶間腐蝕機理，結果表明在腐蝕介質中各化合物形成的腐蝕微電池會形成陽極溶解通道，加速合金的腐蝕。Val6rie Guillaumin等研究發現6056-T6鋁合金在NaCl溶液中發生了點蝕和晶間腐蝕，點蝕是在粗大的A1-Mg-Si相周圍萌生，晶間腐蝕主要沿著晶界的Si和cu貧化區發生。熱處理能有效固溶合金中的可溶結晶相，提高合金的使用性能，但當前關于固溶處理對鋁合金的耐海水腐蝕性能并無深入的研究，因此，開展固溶處理對7000系鋁合金材料的耐海水腐蝕規律及電化學行為研究對于海洋工程裝備的服役安全具有重要的指導意義和重大的工程價值。

7075鋁合金作為高強度鋁合金，是制作高可靠性海工鉆桿的重要材脊斗，并已被廣泛應用。本文選取7075鋁合金為研究對象，研究固溶強化處理對其在海水環境下耐腐蝕性能的影響，探索其腐蝕影響規律，以期為海工鉆桿結構件的驗收和安全性提供理論依據。

1服役中鋁合金鉆桿腐蝕分析

一般來講，由于服役和作業環境的不同，結構件受腐蝕的情況也不同。通常可分為若干個腐蝕區，即海洋大氣區、海洋飛濺區、海洋潮差區、海水全浸區和海底泥土區。鋁合金鉆桿一般都服役在深海區，因而經常受到周圍海水的浸泡，海水是一種成分很復雜的天然電解質溶液，還有大量的鹽分，這些鹽分會導致其發生電化學腐蝕，最終發生破壞和斷裂。因此，對鋁合金鉆桿進行合適的處理，提高其抗電化學性能，延長其服役壽命顯得非常重要。

2改善鋁合金鉆桿抗腐蝕工藝實驗

2.1試樣制備和熱處理工藝

在眾多的處理工藝中，熱處理是常用的整體處理工藝之一。本研究采用商用7075鋁合金材料進行研究，其化學成分如表1所示。通過線切割將板料加工為10mmx10mmx3 mm的方塊，將制備的試樣經丙酮除油清洗后干燥，在KBF1400箱式爐進行固溶時效處理（T6熱處理），根據固溶溫度的不同，將試驗分為4組，熱處理工藝方案如表2所示。

2.2電化學腐蝕實驗

將不同熱處理得到的試樣經200#～1500#水磨砂紙打磨，然后采用丙酮清洗、吹干后，在其背面通過點焊引出銅導線，除測試表面外，其余表面均采用硅橡膠密封制成電化學腐蝕試樣，之后所有試樣均采用萬用表進行導電性能測試。腐蝕電化學測試通過CHl660E電化學工作站進行，采用三電極體系測量。7075鋁合金腐蝕試樣為工作電極，飽和甘汞電極（SCE）為參比電極，鉑片電極為輔助電極，腐蝕溶液選擇的是自然條件下的質量分數3.5%NaCl模擬海水溶液。首先對不同固溶溫度下試樣的開路電位進行測量，待體系穩定后進行交流阻抗測量，頻率區間為10～105Hz，最后對試樣的極化曲線進行測量，掃描速率為10mWs。

3鋁合金鉆桿抗腐蝕試驗結果分析

3.1不同固溶溫度下7075鋁合金的顯微組織

圖1所示為不同固溶溫度下7075鋁合金的顯微組織。從圖中可以看出，經過固溶處理后，合金組織發生再結晶，隨著固溶溫度的升高，長條形的變形組織逐漸由向等軸晶轉變，晶界逐漸明顯，固溶溫度為550℃時，晶界明顯，晶粒形貌規則，大小均勻，如圖1（c）所示。但隨著固溶溫度繼續升高至570℃時，晶界部分發生融合，晶粒變得粗大，且在晶界處出現了過燒現象，如圖1（d）所示。

經T6處理后，合金內部會出現由GP區和非平衡相m組成的基體沉淀相，隨著固溶溫度的升高，基體沉淀相逐漸回溶。在圖1（a）～（c）中的晶界處并沒有觀察到粗大相，即在本研究中晶界粗大相不會對合金的耐蝕性產生影響。

3.2極化曲線測試

圖2所示為不同固溶溫度的7075鋁合金在3.5%NaCl溶液中的極化曲線，對曲線進行分析計算得到的電化學參數如表3所示。從圖2中可以看出，隨著固溶溫度的升高，曲線向右上方移動。從表3可以看出，在一定范圍內，隨著固溶溫度的升高，合金的自腐蝕電位不斷升高，腐蝕電流密度逐漸減小。合金的腐蝕電位反映了其腐蝕傾向性，腐蝕電位越正，腐蝕傾向越小;腐蝕電流密度反映了合金的腐蝕速率，腐蝕電流密度越小，合金的耐腐蝕性能越強。當固溶溫度為550℃時，合金的自腐蝕電位最高，為-1.026 v（vs.SCE），腐蝕電流密度最小，為5.317x104A·cm，此時合金的耐腐蝕性能最佳;但隨著固溶溫度繼續升高至570℃時，合金的自腐蝕電位發生降低，腐蝕電流密度增大，耐腐蝕性能下降。

合金的腐蝕電位主要取決于合金的成分，固溶溫度越高，固溶到基體中的合金元素含量越大，相應的腐蝕電位升高。時效處理后，合金析出的相增多，相相對于基體是陽極相，在腐蝕過程中相與基體形成腐蝕電偶。在相同的時效溫度下，高固溶溫度下的合金元素的過飽和度較大，因而析出相的彌散程度越高，相應的析出相與基體的腐蝕電偶效應減小，腐蝕電流降低。因此，耐蝕性隨著固溶溫度的升高而增強。

3.3交流阻抗測試

圖3所示為不同固溶溫度的7075鋁合金在3.5%NaCl溶液中的電化學阻抗譜圖。從圖中可以看出，經過510℃和570℃固溶溫度的合金阻抗譜圖是由2個容抗弧組成，而530℃和550℃固溶溫度的試樣阻抗譜圖只存在單個容抗弧。隨著固溶溫度的升高，容抗弧半徑逐漸增大，當固溶溫度為550℃時，試樣的容抗弧半徑最大，繼續升高固溶溫度至570℃時，試樣的容抗弧半徑減小。這是因為在熱處理過程中，當固溶溫度較低時，合金元素的過飽和度較小，形成的析出相較粗大，由于析出相和基體表面的鈍化膜性質不同，故在兩者的過渡區膜的穩定性較差，在腐蝕過程中，極易被CF滲透，致使其耐蝕性降低;隨著固溶溫度的升高，合金素的過飽和度增大，形成的析出相細小彌散，析出相對鈍化膜的影響較小，因此在保持合金力學性能的同時耐蝕性得到了增強。

根據電化學腐蝕原理，將阻抗譜圖進行擬合，得到的等效電路模型如圖4所示。其中模型（a）用于擬合固溶溫度為510℃和570℃條件下的阻抗圖譜，模型（b）用于擬合固溶溫度為530℃和550℃條件下的阻抗圖譜。R為溶液電阻，C1和R1分別為外電層電容和電阻，C2和R1分別為反應界面雙電層電容和轉移電阻。各擬合元件值見表4。R的變化可以反映腐蝕速率的變化趨勢，即利用R變化可以反應不同固溶溫度處理后7075合金的耐蝕性。通過表4的值可以看出，510℃固溶處理后試樣的R值最小，550℃固溶處理后試樣的R值最大，耐腐蝕性能最佳，這也與阻抗譜圖中的容抗弧變化結果一致。

4結束語

本文選取7075鋁合金為研究對象，經過固溶處理后，鋁合金鉆桿的組織發生再結晶，隨著固溶溫度的升高，長條形的變形組織逐漸由向等軸晶轉變，當570℃時，晶界部分發生融合，晶粒變得粗大，且在晶界處出現了過燒現象。

電化學測試表明：在一定范圍內，隨著固溶溫度的升高，鋁合金鉆桿的自腐蝕電位不斷增大，腐蝕電流密度逐漸減小，容抗弧半徑逐漸增大。當固溶溫度在550℃時，鋁合金鉆桿在保持合金力學性能的同時，其抗電化學腐蝕性能達到最強。