鑄鋁合金ZLD101-T6涂覆后在海水中的抗腐蝕性能試驗(yàn)研究

劉帥，蘆曉東，楊翔，安樹(shù)陽(yáng)，宋展宏

（上海船舶電子設(shè)備研究所，上海 201108）

0 引言

隨著水下海洋設(shè)備的發(fā)展，對(duì)高性能、耐腐蝕鋁合金的發(fā)展及應(yīng)用提出了更高的要求，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裝備材料的首選[1]。鑄鋁合金ZLD101作為復(fù)雜異形水下腔體的常用材料，對(duì)其在海水中或海洋“高溫、高濕、高鹽分”環(huán)境中腐蝕情況的研究很多[2-3]。宋冬生等[4]針對(duì)某型鑄鋁合金的不同熱處理狀態(tài)、不同表面防護(hù)體系進(jìn)行960 h的鹽霧對(duì)比試驗(yàn)，借助三維顯微鏡進(jìn)行宏觀和微觀分析，得出不同熱處理狀態(tài)、不同表面防護(hù)體系的鑄鋁合金抗腐蝕能力的異同；卞貴學(xué)等[5]在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中開(kāi)展了ZL115-T5鑄鋁合金試驗(yàn)件、ZL115-T5鑄鋁合金/C41500海軍黃銅接觸試驗(yàn)件、模擬實(shí)際涂抹黃油試驗(yàn)件，以及模擬維護(hù)涂抹緩蝕劑試驗(yàn)件的實(shí)驗(yàn)室加速腐蝕試驗(yàn)，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(zhì)量、平均腐蝕深度及腐蝕損傷度變化規(guī)律；高涌等[6]對(duì)魚(yú)雷殼體濕擱置防腐蝕問(wèn)題提出可能采取的預(yù)防措施。

本文通過(guò)對(duì)鑄鋁合金ZLD101樣片進(jìn)行不同表面涂覆（硫酸陽(yáng)極氧化+重鉻酸鹽封閉、硫酸陽(yáng)極化+重鉻酸鹽封閉+環(huán)氧漆）后在黃銅件上進(jìn)行流動(dòng)海水的浸泡試驗(yàn)，試驗(yàn)周期按月計(jì)。借助三維顯微鏡進(jìn)行宏觀和微觀分析，并對(duì)氧化膜厚度、漆膜附著力及試驗(yàn)樣片力學(xué)性能進(jìn)行測(cè)試，得出鑄鋁合金的不同表面涂覆在黃銅上的腐蝕情況。

1 試驗(yàn)樣片與陪試品

1.1 試驗(yàn)樣片

試驗(yàn)樣片為平板狀，加工尺寸為100 mm×30 mm×3 mm，共加工8片，均分成2組。一組試驗(yàn)樣片表面進(jìn)行硬質(zhì)陽(yáng)極氧化處理，另一組進(jìn)行硬質(zhì)陽(yáng)極氧化后再涂噴涂環(huán)氧油漆。鑄鋁合金試件的幾何尺寸如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)樣片幾何尺寸圖

在2組中分別隨機(jī)抽取一件用于進(jìn)行氧化膜厚度、硬度測(cè)試、漆膜附著力測(cè)試及力學(xué)性能測(cè)試；其余參與試驗(yàn)研究。

1.2 陪試品

陪試品包括箱體1件。

箱體由6面金屬板和多件黃銅件組成，如圖2所示。其中，箱體為長(zhǎng)方體結(jié)構(gòu)，箱體各個(gè)壁面通過(guò)同種材料的螺釘連接和固定，其中，上蓋板可以拆裝，同時(shí)在上蓋板四角安裝吊環(huán)用于箱體吊裝；箱體外表面涂刷防腐和防污涂層，內(nèi)表面涂覆防腐涂層；在箱體內(nèi)表面共安裝多塊黃銅件，黃銅件采用同種材料的螺釘固定在相應(yīng)的平板上。

圖2 陪試箱體內(nèi)部初始狀態(tài)

1.3 試驗(yàn)樣片組裝

在陪試箱體的前后兩端各安裝一根橫向黃銅件，橫向黃銅件通過(guò)尼龍墊片和尼龍螺釘與水平的縱向黃銅件連接。試驗(yàn)時(shí)，在陪試箱體的前后兩端的橫向黃銅件固定試驗(yàn)樣片，試驗(yàn)樣片通過(guò)尼龍螺釘固定在箱體的橫向黃銅件上，其中硬質(zhì)陽(yáng)極氧化處理的樣片安裝在首端的橫向黃銅件上，分別編號(hào)為1#、2#和3#；硬質(zhì)陽(yáng)極氧化后噴涂防腐涂層的樣片安裝在尾端的橫向黃銅件上，分別編號(hào)為6#、7#和8#。

試驗(yàn)樣片的整體外觀如圖3所示。箱體外表面涂層完整，無(wú)明顯破損現(xiàn)象；陪試箱體內(nèi)表面防腐涂層完好，無(wú)沾污。各黃銅件光亮無(wú)銹蝕，表面涂抹潤(rùn)滑油脂。

圖3 試驗(yàn)樣片表面狀況與安裝

2 試驗(yàn)流程與評(píng)定

2.1 試驗(yàn)流程

2.1.1 初始狀態(tài)檢查

進(jìn)行試驗(yàn)前，對(duì)試驗(yàn)樣片和陪試品進(jìn)行初始狀態(tài)檢查，確認(rèn)試驗(yàn)樣片和陪試品的材質(zhì)、規(guī)格、表面狀態(tài)，試驗(yàn)樣片力學(xué)性能、氧化膜厚度、漆膜附著力及相互之間的工作狀態(tài)。同時(shí)檢查試驗(yàn)樣片和陪試品表面是否存在缺陷。

2.1.2 試驗(yàn)過(guò)程

1）將試驗(yàn)樣片和陪試品按要求組裝后，水平吊入試驗(yàn)海域，利用繩纜將其懸掛在試驗(yàn)平臺(tái)下，使箱體上表面位于低潮位以下約30 cm，確保試驗(yàn)樣片和陪試品全過(guò)程浸沒(méi)于自然海水中。

2）按規(guī)定的時(shí)間進(jìn)行試驗(yàn)。將試驗(yàn)樣片和陪試品取出，進(jìn)行腐蝕狀態(tài)檢查和評(píng)估，出水時(shí)間不得超過(guò)4 h。

3）試驗(yàn)到達(dá)規(guī)定時(shí)間后將試驗(yàn)樣片和陪試品吊出，用清水沖洗后擦拭干凈，并進(jìn)行最終檢測(cè)，試驗(yàn)結(jié)束。

2.2 試驗(yàn)檢查

2.2.1 腐蝕檢查

進(jìn)行腐蝕檢查時(shí)，用清水將被試品和陪試品清洗干凈，擦去表面沉積污泥等污物，采用目視方法進(jìn)行外觀檢查。發(fā)現(xiàn)腐蝕點(diǎn)后，記錄腐蝕點(diǎn)的數(shù)量和位置，將浮銹拭除后測(cè)試測(cè)試點(diǎn)深度，并拍照存檔。

2.2.2 腐蝕評(píng)估

節(jié)點(diǎn)檢查時(shí)，根據(jù)腐蝕檢查結(jié)果對(duì)被試品和陪試品的腐蝕狀況進(jìn)行分析，評(píng)估是否存在異常，當(dāng)存在異常時(shí)，分析原因及可能的應(yīng)對(duì)措施，并綜合評(píng)議下一步計(jì)劃。

2.2.3 最終檢測(cè)

試驗(yàn)結(jié)束后，對(duì)受試產(chǎn)品及試驗(yàn)樣片進(jìn)行腐蝕點(diǎn)檢查、樣片微觀分析，以及試驗(yàn)樣片力學(xué)性能、氧化膜厚度、漆膜附著力測(cè)試。

2.3 試驗(yàn)評(píng)定

根據(jù)試驗(yàn)?zāi)康模捎萌g試驗(yàn)的方法對(duì)試驗(yàn)件的腐蝕情況進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)參照GB/T 6384-2008《船舶及海洋工程用金屬材料在天然環(huán)境中的海水腐蝕試驗(yàn)方法》和ASTM G31-2012a《金屬全浸腐蝕試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)推薦方法》執(zhí)行，并參考GB/T 5776-2005《金屬和合金的腐蝕金屬和合金在表層海水中暴露和評(píng)定的導(dǎo)則》和GB/T 18590-2001《金屬和合金的腐蝕 點(diǎn)蝕評(píng)定方法》進(jìn)行試驗(yàn)結(jié)果的評(píng)定與分析。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 概述

在進(jìn)行完第一周期的浸泡試驗(yàn)后，陪試箱體內(nèi)表面防腐涂層依然完好，沒(méi)有任何破損和腐蝕跡象，只是涂層顏色開(kāi)始泛白，這是由于涂層浸泡后顏料流失以及表面沉積等原因?qū)е隆Ｔ囼?yàn)樣片完好無(wú)損，沒(méi)有任何腐蝕跡象，僅涂層樣片發(fā)生了褪色。

在進(jìn)行第二周期的浸泡試驗(yàn)后，陪試箱體內(nèi)表面依然沒(méi)有發(fā)生腐蝕問(wèn)題，涂層基本完好，沒(méi)有明顯的鼓泡和破損現(xiàn)象。試驗(yàn)樣片表面沒(méi)有發(fā)生明顯變化，與第一個(gè)周期時(shí)狀態(tài)基本一致，表面也沒(méi)有明顯的腐蝕發(fā)生。

在進(jìn)行第三周期的浸泡試驗(yàn)后，陪試箱體內(nèi)表面涂層褪色嚴(yán)重，但涂層依然完整，沒(méi)有破損現(xiàn)象，箱體也沒(méi)有明顯的腐蝕發(fā)生。試驗(yàn)樣片表面依然完好，沒(méi)有明顯的腐蝕點(diǎn)存在；進(jìn)行硬質(zhì)陽(yáng)極氧化處理的樣片與導(dǎo)軌接觸面存在輕微的蝕痕，但沒(méi)有點(diǎn)蝕孔存在，涂刷防腐涂層的樣片幾乎完好無(wú)損。

在進(jìn)行第四周期的浸泡試驗(yàn)后，陪試箱體內(nèi)表面表面涂層依然完整，沒(méi)有發(fā)生明顯的破損現(xiàn)象，箱體內(nèi)部也沒(méi)有發(fā)生明顯的腐蝕；外表面有小面積苔蘚附著色。試驗(yàn)樣片表面依然完好，沒(méi)有明顯的腐蝕點(diǎn)存在；進(jìn)行硬質(zhì)陽(yáng)極氧化處理的樣片與導(dǎo)軌接觸面存在輕微的蝕痕，但沒(méi)有點(diǎn)蝕孔存在，涂刷防腐涂層的樣片褪色無(wú)明顯變化。

3.2 腐蝕形貌及分析

試驗(yàn)樣片浸泡4個(gè)周期后的表面形貌如圖5所示，樣片表面依然完好，沒(méi)有明顯的腐蝕點(diǎn)存在；清洗干凈試片表面的沉積物后，表面形貌如圖6所示，進(jìn)行硬質(zhì)陽(yáng)極氧化處理的樣片與黃銅件接觸面存在輕微的蝕痕，但沒(méi)有點(diǎn)蝕孔存在，噴涂防腐涂層的樣片幾乎完好無(wú)損。采用三維視頻對(duì)樣片表面進(jìn)行微觀分析，結(jié)果如圖7所示，進(jìn)行硬質(zhì)陽(yáng)極氧化處理的樣片表面存在微觀的孔洞，這是鋁合金陽(yáng)極氧化層的特有形貌，腐蝕介質(zhì)可以通過(guò)孔洞滲入基材，從而引起腐蝕；噴涂防腐涂層后，樣片表面完整致密，起到了良好的絕緣防護(hù)作用。

圖4 陪試箱體浸泡4個(gè)周期后的腐蝕形貌

圖5 4個(gè)周期后試驗(yàn)樣片表面形貌

圖6 清洗干凈后試驗(yàn)樣片的表面形貌

圖7 試驗(yàn)樣片的微觀形貌

3.3 失重統(tǒng)計(jì)及分析

通過(guò)對(duì)樣片在試驗(yàn)前后進(jìn)行稱(chēng)重測(cè)量，以此計(jì)算樣片的腐蝕速率，結(jié)果如表1和圖8所示，進(jìn)行硬質(zhì)陽(yáng)極氧化處理的樣片在浸泡4個(gè)周期后，失重約為0.037 g，平均腐蝕速率為0.006 2 mm/a，而噴涂防腐涂層后，樣片的失重降至0.005 g，平均腐蝕速率僅為0.000 76 mm/a，耐蝕性非常好。

圖8 質(zhì)量變化與浸泡時(shí)間的關(guān)系曲線(xiàn)

表1 試驗(yàn)樣片的失重統(tǒng)計(jì)和腐蝕速率

由上可知，在經(jīng)過(guò)4個(gè)周期的浸泡試驗(yàn)后，試驗(yàn)樣片表觀完好，失重結(jié)果顯示硬質(zhì)陽(yáng)極氧化樣片浸泡4個(gè)周期的平均腐蝕速率約為0.006 2 mm/a，而噴涂漆膜的樣片平均腐蝕速率低至0.000 76 mm/a，顯示了優(yōu)異的耐蝕性。陪試品箱體和黃銅件仍然處于良好保護(hù)狀態(tài)，沒(méi)有明顯腐蝕發(fā)生。

3.4 試驗(yàn)樣片力學(xué)性能及涂覆硬度、附著力測(cè)試

3.4.1 試驗(yàn)樣片力學(xué)性能測(cè)試`

試驗(yàn)前，對(duì)4#試驗(yàn)樣片的力學(xué)性能進(jìn)行測(cè)試，試驗(yàn)樣片屈服強(qiáng)度σ0.2=293.79 MPa，延伸率δ5=5.53%。

試驗(yàn)后，對(duì)2#試驗(yàn)樣片進(jìn)行力學(xué)性能進(jìn)行測(cè)試，試驗(yàn)樣片屈服強(qiáng)度σ0.2=241.78 MPa，延伸率δ5=4.76%；對(duì)6#試驗(yàn)樣片進(jìn)行力學(xué)性能進(jìn)行測(cè)試，試驗(yàn)樣片屈服強(qiáng)度σ0.2=301.93 MPa，延伸率δ5=6.12%。

3.4.2 氧化層厚度、硬度測(cè)試

試驗(yàn)前，對(duì)4#試驗(yàn)樣片的氧化層厚度、硬度進(jìn)行測(cè)試，氧化層厚度約為46 μm，硬度約為335 HV。

試驗(yàn)后，對(duì)1#試驗(yàn)樣片進(jìn)行氧化層厚度、硬度進(jìn)行測(cè)試，氧化層厚度約為15 μm，硬度約為200 HV。試驗(yàn)后，氧化膜厚度與硬度不能滿(mǎn)足技術(shù)要求。

3.4.3 漆膜附著力測(cè)試

試驗(yàn)前，對(duì)5#試驗(yàn)樣片的漆膜附著力進(jìn)行測(cè)試，兩面的漆膜附著力均為Ⅰ級(jí)。

試驗(yàn)后，對(duì)7#、8#試驗(yàn)樣片的漆膜附著力進(jìn)行測(cè)試，貼近黃銅黃銅件的一面漆膜附著力為Ⅰ級(jí)，與試驗(yàn)樣片試驗(yàn)前附著力一致；背離黃銅黃銅件的一面漆膜附著力為Ⅱ級(jí)；雖滿(mǎn)足產(chǎn)品技術(shù)要求，但漆膜附著力略有下降。

4 結(jié)論

1）陪試箱體和黃銅件在浸泡4個(gè)周期的過(guò)程中，基本完好，箱體涂層無(wú)任何破損，黃銅黃銅件表面覆蓋沉積層，擦除沉積層后，黃銅件依然光亮，沒(méi)有明顯的點(diǎn)蝕現(xiàn)象；說(shuō)明黃銅件沒(méi)有受到試驗(yàn)樣片的腐蝕影響。

2）試驗(yàn)樣片在浸泡4個(gè)周期后，表面沒(méi)有明顯的腐蝕發(fā)生，只是防腐涂層在浸泡1個(gè)周期后即發(fā)生了明顯的褪色。失重測(cè)量結(jié)果顯示，進(jìn)行硬質(zhì)陽(yáng)極氧化處理的樣片平均腐蝕速率為0.006 2 mm/a，而硬質(zhì)陽(yáng)極氧化后進(jìn)行防腐涂裝的樣片平均腐蝕速率僅為0.000 76 mm/a，說(shuō)明硬質(zhì)陽(yáng)極氧化后進(jìn)行防腐涂裝的樣片耐蝕性能優(yōu)異。

3）僅硬質(zhì)陽(yáng)極氧化的試驗(yàn)樣片力學(xué)性能約下降17.7%，延伸率也有相應(yīng)的降低；硬質(zhì)陽(yáng)極氧化及噴漆后的試驗(yàn)樣片的力學(xué)性能影響不大。

4）試驗(yàn)后，陽(yáng)極氧化的試驗(yàn)樣片表面硬度下降40%，氧化層厚度下降67%，硬度及厚度指標(biāo)下降明顯。

5）試驗(yàn)后，涂覆漆膜的鑄鋁材料表面的附著力局部由Ⅰ級(jí)將為Ⅱ級(jí)，但仍能滿(mǎn)足產(chǎn)品技術(shù)及使用要求。

綜上可知：僅經(jīng)硬質(zhì)陽(yáng)極氧化的試驗(yàn)樣片試驗(yàn)后，表面沒(méi)有明顯的腐蝕發(fā)生；但力學(xué)性能、表面硬度、氧化層厚度均有不同程度的下降，其耐腐蝕性能不如再涂覆油漆優(yōu)異。試驗(yàn)樣片經(jīng)硬質(zhì)陽(yáng)極氧化及防腐涂裝雙重涂覆后，具有良好的耐蝕性，在海水中浸泡4個(gè)周期沒(méi)有發(fā)生明顯的腐蝕，即使與黃銅件接觸部位也沒(méi)有發(fā)生腐蝕，能滿(mǎn)足工作時(shí)間的要求。