熱帶海洋大氣環(huán)境異種結(jié)構(gòu)材料電偶腐蝕及防護(hù)技術(shù)研究

王榮祥，龔雨荷，王春輝,2,3，張博,2,3，張洪彬,2,3

（1.工業(yè)和信息化部電子第五研究所，廣州 510610；2.廣東省電子信息產(chǎn)品可靠性技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510610；3.電子信息產(chǎn)品可靠性分析與測(cè)試技術(shù)國(guó)家地方聯(lián)合工程研究中心，廣州 510610）

引言

設(shè)備在熱帶海洋大氣環(huán)境下工作時(shí)，不可避免會(huì)受到熱帶海洋大氣環(huán)境其高溫、高濕、高鹽、強(qiáng)輻射等特點(diǎn)的影響。已有經(jīng)驗(yàn)表明，在內(nèi)陸服役表現(xiàn)良好的設(shè)備在熱帶海洋大氣環(huán)境下使用時(shí)，腐蝕故障頻發(fā)，這嚴(yán)重影響了設(shè)備的使用壽命和使用安全。例如，在2016-2018年期間，某航空設(shè)備在熱帶海洋大氣環(huán)境下使用了3個(gè)月后，即發(fā)現(xiàn)在電子設(shè)備緊固件連接部位及動(dòng)力連接部位有大量的電偶腐蝕現(xiàn)象，這嚴(yán)重影響了設(shè)備的使用安全。

電偶腐蝕是指電連接的兩種或以上的金屬在同種導(dǎo)電介質(zhì)中，因腐蝕電位差的存在，形成了腐蝕原電池，加速了低電位金屬的腐蝕，并使高電位金屬腐蝕減緩的現(xiàn)象。大型設(shè)備在設(shè)計(jì)使用過(guò)程中，出于功能考慮，會(huì)存在較多異種金屬接觸現(xiàn)象。例如，航空設(shè)備機(jī)體鋁合金蒙皮與鈦合金承力構(gòu)件連接，機(jī)體鋁合金蒙皮與平尾大軸、垂尾后梁鋁合金與復(fù)合材料連接。這些連接件在長(zhǎng)期的服役過(guò)程中，會(huì)受到電偶腐蝕的影響，加之熱帶海洋大氣環(huán)境中腐蝕因素的作用，將導(dǎo)致設(shè)備連接部位發(fā)生嚴(yán)重的電偶腐蝕現(xiàn)象，典型失效案例見(jiàn)圖1。

圖1 典型熱帶海洋環(huán)境電偶腐蝕失效示例

近年來(lái)，隨著我國(guó)“一代一路”“海洋強(qiáng)國(guó)”等國(guó)家戰(zhàn)略的發(fā)展，大量電子設(shè)備儀器已在熱帶海洋大氣環(huán)境下服役，開(kāi)展數(shù)據(jù)積累、勘察偵測(cè)等工作，為了應(yīng)對(duì)未來(lái)可能發(fā)生的腐蝕問(wèn)題及突發(fā)狀況，保障設(shè)備儀器在熱帶海洋大氣環(huán)境下的安全運(yùn)營(yíng)，亟需對(duì)設(shè)備的防腐蝕設(shè)計(jì)、使用維護(hù)等提出新的要求。

1 電偶腐蝕行為影響因素研究現(xiàn)狀

1.1 材料特性

在電偶腐蝕中，兩種接觸金屬之間的電位差越大，則腐蝕的趨勢(shì)越大，具有低電勢(shì)的金屬就越容易充當(dāng)陽(yáng)極，而具有高電勢(shì)的金屬就越容易充當(dāng)陰極極[1]。Zhang[2]等研究發(fā)現(xiàn)，0CrI3Ni8Mo2Al不銹鋼與鋁合金之間的電偶腐蝕嚴(yán)重，而與鈦合金之間幾乎沒(méi)有電偶腐蝕，主要原因是0CrI3Ni8Mo2Al不銹鋼與鋁合金之間的電位差相差過(guò)大，電偶驅(qū)動(dòng)力大，而與鈦合金間的電位差相差較小。黃宸[3]等研究發(fā)現(xiàn)，高強(qiáng)度耐候鋼焊接接頭的不同區(qū)域存在著電位差，導(dǎo)致耐候鋼焊接接頭發(fā)生電偶腐蝕，其中熱影響區(qū)為陽(yáng)極區(qū)，母材為陰極區(qū)。郭澤亮等研究者發(fā)現(xiàn)當(dāng)陰極極化速率較高時(shí)，某些電偶對(duì)腐蝕速率反而小于初始電位差小的電偶對(duì)。

1.2 幾何因素

陽(yáng)極和陰極的面積比對(duì)電偶腐蝕的速度有很大的影響[4]。在常溫下，電偶腐蝕速率與陰陽(yáng)極面積比呈現(xiàn)出線性關(guān)系，即陰陽(yáng)極面積比越大，陽(yáng)極金屬的腐蝕速率則越大[5]。肖葵[6]等研究發(fā)現(xiàn)陰極材料、試驗(yàn)時(shí)間、試樣尺寸（偶接面積）和試驗(yàn)環(huán)境都會(huì)對(duì)鎂合金的電偶腐蝕效應(yīng)產(chǎn)生影響。何積銓[7]等研究發(fā)現(xiàn)，Bright O.Okonkwo[8]等采用了多元分析方法研究了面積比和顯微組織對(duì)A508/309L/308L異種金屬焊縫電偶腐蝕的協(xié)同效應(yīng)。研究結(jié)果表明，降低陽(yáng)極/陰極比可以顯著提高A508的局部和整體腐蝕速率。

1.3 環(huán)境因素

環(huán)境因素包括介質(zhì)成分、濃度、溫度等因素。Ezuber[9]等研究發(fā)現(xiàn)，隨著溫度的升高，鋁合金的電偶腐蝕速率增加。Gui[10]等研究發(fā)現(xiàn)，不同環(huán)境因素下鋁合金與不銹鋼的電偶腐蝕程度隨著NaCl濃度的增加、溶液pH值的降低和拉伸應(yīng)力的增加而越加嚴(yán)重。李淑英[11]等研究了碳鋼、紫銅在NaCl介質(zhì)中的電偶行為。由試驗(yàn)結(jié)果看出，隨著溫度的升高，電偶電流明顯增大，60 ℃的電偶電流是20 ℃時(shí)的六倍。

1.4 熱帶海洋環(huán)境電偶腐蝕機(jī)理研究及防護(hù)技術(shù)分析

在電偶腐蝕機(jī)理研究方面，國(guó)外多采用外場(chǎng)試驗(yàn)與實(shí)驗(yàn)室研究相結(jié)合的方式，而國(guó)內(nèi)一般集中在實(shí)驗(yàn)室，研究周期短、見(jiàn)效快，便于系統(tǒng)、快速摸索材料特性、極化特性、幾何形狀等電偶腐蝕要素對(duì)腐蝕的影響[12,13]。然而，對(duì)于熱帶海洋環(huán)境而言，其具有高溫、高濕、高鹽、強(qiáng)輻射的熱帶海洋性綜合環(huán)境特點(diǎn)，這種綜合環(huán)境影響效應(yīng)很難通過(guò)簡(jiǎn)單實(shí)驗(yàn)室環(huán)境進(jìn)行模擬。需要有針對(duì)性的結(jié)合使用環(huán)境特點(diǎn)來(lái)開(kāi)展自然環(huán)境試驗(yàn)工作，儲(chǔ)備可用數(shù)據(jù)。

我國(guó)市場(chǎng)上腐蝕控制產(chǎn)品種類繁多，質(zhì)量參差不齊，且大部分產(chǎn)品僅進(jìn)行過(guò)實(shí)驗(yàn)室理化性能測(cè)試，較為缺乏真實(shí)外場(chǎng)試驗(yàn)鑒定考核結(jié)果。而我國(guó)地域遼闊，氣候類型跨度廣，未經(jīng)實(shí)際、實(shí)地試驗(yàn)而盲目選用不恰當(dāng)?shù)母g控制方法，易導(dǎo)致“欠保障”或“過(guò)保障”問(wèn)題。尤其是對(duì)于熱帶海洋環(huán)境電偶腐蝕而言，電偶腐蝕發(fā)展迅速，腐蝕控制方法除應(yīng)考慮環(huán)境隔離、離子緩蝕外，還應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注對(duì)陰陽(yáng)極的絕緣作用，腐蝕環(huán)境因素。

2 防護(hù)技術(shù)研究現(xiàn)狀

2.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀

國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)電子設(shè)備腐蝕控制工作極為重視，例，在大量數(shù)據(jù)支撐下，波音、麥道、空客等飛機(jī)制造公司在各自維護(hù)修理手冊(cè)中嚴(yán)格規(guī)定了符合要求可供選用的清洗劑、緩釋劑制造商及其牌號(hào)，包括英國(guó)Ardrox 6025、6045、6402系列，美國(guó)Cee-Bee、Turco系列及Aerowash、Delchem、Turco、B&B等，制定了清洗劑、緩釋劑選用標(biāo)準(zhǔn)，闡述了各類腐蝕控制劑的用途、組成及性能指標(biāo)，以保障設(shè)備的良好運(yùn)營(yíng)狀態(tài)，獲得更大的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益。

在具體實(shí)施方面，美國(guó)有公司開(kāi)展了硼酸鹽-亞硝酸鹽緩蝕劑在設(shè)備上的應(yīng)用研究，發(fā)現(xiàn)該緩釋劑能明顯改善高強(qiáng)鋼和高強(qiáng)鋁合金的抗氯離子侵蝕能力；英國(guó)有公司采用脫水防銹劑作為發(fā)動(dòng)機(jī)清洗后的防銹措施，發(fā)現(xiàn)Ardrox3961適用于發(fā)動(dòng)機(jī)短期防腐，Ardrox3140/3302適用于發(fā)動(dòng)機(jī)長(zhǎng)期防腐；澳大利亞航空研究室研究了6種常用牌號(hào)脫水防銹劑對(duì)鋁合金7075-T651和2024-T6的緩蝕效果，結(jié)果表明脫水防銹劑在腐蝕控制方面富有成效。

2.2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

在國(guó)內(nèi)，隨著設(shè)備服役范圍的擴(kuò)大，越來(lái)越多儀器設(shè)備在熱帶海洋大氣環(huán)境下使用，腐蝕控制技術(shù)在設(shè)備全壽命期內(nèi)所扮演的角色越來(lái)越重要。國(guó)內(nèi)各科研院所已在設(shè)備腐蝕控制技術(shù)研究方面開(kāi)展了大量研究工作，相繼設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)了多種清洗劑、緩釋劑，并制定了相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。如航材院研制了多種飛機(jī)緩蝕清洗劑，航空發(fā)動(dòng)機(jī)清洗劑，硬膜脫水防銹劑、鉬酸鹽復(fù)合緩蝕劑；六維公司研制了多種清洗劑；北京化工大學(xué)研制了多種燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)清洗劑。各單位制訂了HB 5334-1985《飛機(jī)表面水基清洗劑》、MH/T 6007-1998《飛機(jī)清洗劑》，GJBZ 20356-1996《航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)馔ǖ狼逑磩┩ㄓ靡蟆返葮?biāo)準(zhǔn)規(guī)范，取得了一定的技術(shù)成果。

3 熱帶海洋環(huán)境異種結(jié)構(gòu)材料電偶腐蝕行為研究展望

3.1 典型異種結(jié)構(gòu)材料熱帶海洋環(huán)境腐蝕行為研究

首先以典型設(shè)備材料為主要應(yīng)用對(duì)象，選取典型設(shè)備異種結(jié)構(gòu)材料如鋁合金/鈦、鋁合金/碳纖維制備連接件，依托自然環(huán)境試驗(yàn)站，開(kāi)展連接件在熱帶海洋大氣環(huán)境下的腐蝕行為與腐蝕機(jī)理研究，采用宏/微觀分析、電化學(xué)測(cè)試、力學(xué)性能測(cè)試、腐蝕失重、腐蝕產(chǎn)物分析等測(cè)試手段，揭示熱帶海洋大氣環(huán)境對(duì)連接件腐蝕性能退化的影響。

3.2 熱帶海洋環(huán)境電偶腐蝕主要影響因素研究

熱帶海洋大氣環(huán)境下電偶腐蝕影響因素眾多，包括材料電偶序、材料極化特性、陰陽(yáng)極面積比及環(huán)境因素等要素信息。各要素信息相互作用，共同促進(jìn)金屬材料的電偶腐蝕。本部分建議采用改變陰陽(yáng)極面積比、等要素信息對(duì)電偶腐蝕的影響，確定典型材料連接件在熱帶海洋大氣下電偶腐蝕的主要影響因素。

3.3 典型異種結(jié)構(gòu)材料連接件腐蝕防護(hù)技術(shù)研究

建議使用緩蝕的方式對(duì)典型異種結(jié)構(gòu)材料連接件的腐蝕防護(hù)技術(shù)進(jìn)行研究，針對(duì)熱帶海洋大氣環(huán)境的特點(diǎn)（高溫、高濕、高鹽霧），建立自然環(huán)境試驗(yàn)方法，并制定實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)譜，如采用專用交變鹽霧譜，按試驗(yàn)譜優(yōu)選緩蝕劑種類，然后采用測(cè)試分析方法定量測(cè)試表征，對(duì)方案有效性進(jìn)行驗(yàn)證。

3.4 熱帶海洋環(huán)境電偶腐蝕研究難點(diǎn)分析

熱帶海洋大氣環(huán)境下的電偶腐蝕試驗(yàn)會(huì)產(chǎn)出大量基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，如何對(duì)產(chǎn)出數(shù)據(jù)進(jìn)行有效利用，甚至利用現(xiàn)有數(shù)據(jù)推測(cè)未來(lái)變化趨勢(shì)或壽命規(guī)律，是熱帶海洋大氣環(huán)境下電偶腐蝕防治工作中亟需解決的問(wèn)題。其中，在性能退化建模研究中，首先需要面對(duì)的就是關(guān)鍵指標(biāo)的選取問(wèn)題，而熱帶海洋大氣環(huán)境下電偶腐蝕的對(duì)應(yīng)性能參數(shù)指標(biāo)有多種，有電極電位、電偶電流、陽(yáng)極腐蝕速率、腐蝕電化學(xué)特征值等多項(xiàng)指標(biāo)。如何選取有意義的性能參數(shù)是熱帶海洋大氣環(huán)境電偶腐蝕研究工作中的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。

4 結(jié)論

海洋是我國(guó)領(lǐng)土不可分割的一部分，是我國(guó)與世界各地聯(lián)接的重要通道，同時(shí)也是太平洋和印度洋之間的海上走廊。海洋權(quán)益的得失，將直接影響到我國(guó)未來(lái)主權(quán)利益和國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展空間。

尤其是近年來(lái)，隨著我國(guó)“一帶一路”、“遠(yuǎn)海防衛(wèi)”等國(guó)家戰(zhàn)略的發(fā)展，加之其他國(guó)家在海洋地區(qū)不斷挑釁，周邊海域局勢(shì)緊張。為了應(yīng)對(duì)未來(lái)的沖突與挑戰(zhàn)，保障我國(guó)領(lǐng)海主權(quán)，大量大型先進(jìn)設(shè)備已經(jīng)在熱帶海洋環(huán)境部署，改善我國(guó)熱帶海洋環(huán)境國(guó)土防衛(wèi)能力。

由此可見(jiàn)，開(kāi)展熱帶海洋大氣環(huán)境下電偶腐蝕研究，揭示電偶腐蝕機(jī)制，掌握電偶腐蝕防治方法，這將為異種結(jié)構(gòu)材料電偶腐蝕的防治工作提供理論依據(jù)；取得的防護(hù)方法將協(xié)助國(guó)內(nèi)有關(guān)單位因地制宜制定電偶腐蝕防治方案，降低保障成本與負(fù)擔(dān)。