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鋁及鋁合金具有較低的密度、良好的力學性能、加工性能、導熱性、導電性以及耐蝕性，因此在船舶及船用設備領域中的應用日趨廣泛，對減輕船體結構質量、提高航行速度和耐海水腐蝕能力、減少能耗等方面有著重要作用。耐蝕性能是影響鋁合金海洋環(huán)境中應用的重要指標之一，鋁合金在海洋環(huán)境中的腐蝕以點蝕、縫隙腐蝕和晶間腐蝕等局部腐蝕為主。鋁合金的腐蝕因其化學成分不同、海水環(huán)境因素不同而有較大的差異。積累鋁合金在不同海域的腐蝕數據，研究其在海洋環(huán)境下的腐蝕行為和規(guī)律，對于指導鋁合金在船舶及船用設備領域中的科學選材及合理應用有著重要意義。

1 鋁合金的應用

鋁及鋁合金在造船工業(yè)應用越來越廣，小到舢板、汽艇，大到萬噸巨輪，從民用到軍用，從高速氣墊船到深水潛艇，從漁船到海洋采礦船，都在采用性能良好的鋁合金材料作為船殼體、上層結構、各種設施、管路以及用具等。

1.1 在船體結構上的應用

船舶用鋁合金主要有Al-Cu，Al-Mg 和Al-Si 系鋁合金。1892 年法國采用Al-Cu 系合金建造了第一艘12.2 m 長的海上全鋁汽艇。Al-Cu 系鋁合金在俄羅斯及我國早期船舶上得到較多應用，俄羅斯目前已有各種類型的鋁合金高速艇船約1000 艘，其使用較多的快艇殼體材料是Al-Cu 系鋁合金2A90，2A80，2A14。

由于Al-Cu 系合金抗腐蝕性不佳，因此限制了其在造船領域中的應用。20 世紀60 年代初，我國以2024 鋁合金做船體材料，用于水翼快艇的成批建造[6]。在船舶殼體結構上用Al-Mg 系鋁合金主要是5083，5086，5456，5466 等，它們有較好的耐腐蝕性能、力學性能和焊接性能。1966—1971 年美國建成14 艘“阿希維爾”級高速炮艇，這是第一批全鋁軍艦，主甲板和船底板為1217 mm 厚的5086-H32 鋁合金，型材用5086-H112 鋁合金，全艇共用了71 t 鋁材，全部用氬弧焊焊接。1981 年美國波音公司船舶系統建造了6 艘鋁船體水翼導彈巡邏艇，采用5456 鋁合金焊接結構。2012 年，美國Austal US 公司建造了首批“警惕”號全鋁雙體高速運輸艦，采用美國鋁業(yè)公司提供的5083 鋁合金板。我國最新快船的殼體主體材料采用5083 鋁合金。另外美國海軍第一艘彈道導彈驅逐艦“杜威”號的上層建筑中應用的811.30 t 鋁合金中大部分是5466 厚板和5086 薄板。鋁構件代替了鋼后，質量減輕了150 t。1970 年日本建造了大型鋁合金客船“希霍庫”2 號，殼體主體材料采用5083 鋁合金。

1931 年8 月英國建造了“地愛那號”全鋁游艇，材料是Al-Si 系合金。英國在20 世紀80 年代建造了全焊氣墊船AP188，殼體采用Al-Mg 系鋁合金5083，型材采用Al-Si 系鋁合金6082[6]。美國用鋁合金建造了“LARC-15”登陸艇主要材料用5086，同時部分焊接結構采用5083 和6061。

1.2 在船舶設備中的應用

Al-Cu 系鋁合金2A10 是鋁質鉚釘的專用材料，用于鋁質快艇、民用船舶的上層建筑及船體的鉚接構件[6]。Al-Mg 系鑄造合金常用于制造承載較大的海水泵殼體、水泵導管及支柱等，如5A02 常用于制造船用主機的油罐、油箱及機座支架等；5A03 用于輕隔壁、圍壁、散熱器、管路及煙囪殼體等船舶焊接結構和零件；5A05 用于制造船殼板、構架、桅桿等；5A06用于上層建筑、構架等。Al-Si 系鑄造鋁合金強度中等，鑄造性能好，適合制造形狀復雜、致密度高的部件，如高壓閥件、泵、柴油機氣缸體、減速箱殼體、渦輪葉等。

2 鋁合金在海洋環(huán)境中的腐蝕

大多數鋁合金在海洋環(huán)境中都表現出優(yōu)良的耐蝕性。這不僅是由于保護性鈍化膜的作用，而且在相當程度上也與在鋁的活化和鈍化表面上析氫過電位高有關。鋁及鋁合金在海洋環(huán)境中的主要腐蝕形式是點蝕、晶間腐蝕、應力腐蝕以及剝蝕等局部腐蝕。

2.1 海洋大氣環(huán)境

海洋大氣的高濕度以及侵蝕性Cl-的存在是導致金屬材料腐蝕的重要因素。Al-Cu 系鋁合金2A12 在海洋大氣環(huán)境中普遍存在點蝕現象，在海洋大氣環(huán)境下2A12 鋁合金材料在1～3 年間腐蝕比較緩慢，從第4年開始，腐蝕急劇增加。模擬海洋大氣環(huán)境中的研究表明，在90%濕度條件下出現最大點蝕深度，在實際環(huán)境的暴露實驗中還有剝蝕現象發(fā)生[11]。此外，在海洋性環(huán)境下，高強度鋁合金還具有較高的應力腐蝕敏感性。在青島、海南大氣環(huán)境下暴露不到1 年，2A12鋁合金即產生了應力腐蝕開裂。Al-Mg 系鋁合金在海洋大氣中的腐蝕率較低，在5A02，5A03 在青島海洋大氣中暴露1 年的平均腐蝕率為0.32～0.85 μm/a，暴露8 年，其腐蝕率＜0.4 μm/a。

此外，Al-Mg 系鋁合金還具有較好的耐點蝕性能，5A02，5A03 在暴露8 年后點蝕深度小于0.3 mm，顯示出良好的耐蝕性。在海南大氣環(huán)境下對不同牌號的鋁合金進行暴露實驗發(fā)現，暴露1 年后腐蝕失重較輕的是Al-Cu 系鋁合金2A12，Al-Mg 系鋁合金5A02 相對較大，但暴露10 年后5A02 腐蝕失重增加不到1 倍，相比之下具有良好的長期耐腐蝕性能。

2.2 表層海水環(huán)境

Al-Cu 系鋁合金2A12 在海水中腐蝕較快，在青島全浸區(qū)暴露1 年的最大點蝕深度為2.3 mm。暴露2 年最大點蝕深度為2.65 mm，并且試樣側面應力腐蝕開裂嚴重[15]，加覆包鋁層后其耐蝕性大大提高平均腐蝕速率與純鋁接近。在三亞全浸區(qū)暴露1 年點蝕嚴重，平均點蝕深度和最大點蝕深度分別為1.48，2.03mm，并出現明顯晶間腐蝕。

Al-Mg 系鋁合金在海水中具有較好的耐蝕性，5A02，5A06 在青島全浸區(qū)暴露8 年點蝕深度小于0.4mm，暴露16 年小于0.9 mm，在舟山全浸區(qū)實海暴露8 年基本上無局部腐蝕[17]。5A03 在三亞全浸區(qū)暴露8年最大點蝕深度為1.00 mm，暴露16 年最大點蝕深度為1.43 mm。5A02，5A06 在青島海水潮差區(qū)的耐蝕性能較好，暴露4 年未發(fā)現可測量的蝕點，同時耐縫隙腐蝕性能也較好，5A03 青島潮差區(qū)暴露4 年的最大點蝕深度為0.21 mm，5A02，5A03 鋁合金在三亞潮差區(qū)暴露8 年的平均點蝕深度分別為0.04，0.27 mm。同時5A02，5A03 鋁合金在飛濺區(qū)也表現出較好的耐蝕性能，在青島飛濺區(qū)暴露2 年的平均點蝕深度分別為0.18，0.22 mm，最大點蝕深度為0.32，0.43 mm[20]。5A03鋁合金在廈門飛濺區(qū)暴露8 年的平均點蝕深度和最大點蝕深度分別為0.24，0.39 mm。

Al-Si 系鋁合金耐海水腐蝕性能低于Al-Mg 系鋁合金，6A02 在廈門和三亞全浸區(qū)暴露1 年的最大點蝕深度分別為1.44，1.20 mm，在三亞全浸區(qū)暴露2 年的最大點蝕深度增加到1.53 mm。在青島潮差區(qū)暴露1年的平均點蝕深度為0.14 mm，最大點蝕深度為0.17mm。暴露16 年的平均點蝕深度為0.76 mm，最大點蝕深度為1.62 mm。在三亞6A02鋁合金暴露16年的平均點蝕深度為0.58 mm，最大點蝕深度為1.52 mm。在飛濺區(qū)6A02 的點蝕容易形成，密度很大，但點蝕速度較慢，深度較小。在青島飛濺區(qū)暴露8 年的最大點蝕深度0.18 mm，16 年的最大點蝕深度0.30 mm。

2.3 深海環(huán)境

Venkatesan 采用腐蝕失重的方法研究了2000 系鋁合金在太平洋和印度洋不同深度海水環(huán)境中的腐蝕速率，結果發(fā)現，2000 系鋁合金在深海環(huán)境下腐蝕速率增大。Reinhart 研究了Al-Mg 系5086 鋁合金在700~1600 m 深海中的腐蝕行為，發(fā)現在深海中其點蝕深度在1.3～1.9 mm/a 之間，而在表層海水中典型點蝕深度則在0.13 mm/a 以下，點蝕深度增加了10 倍以上。Schumacher 報道了在太平洋2060 m 深度下，Al-Si 系6061 鋁合金的平均點蝕深度為1.07 mm/a，遠高于表層海水中0.20 mm/a 的試驗結果。同點蝕一樣，深海環(huán)境下鋁合金的縫隙腐蝕也比較嚴重。Groover 對5050 鋁合金在深海環(huán)境下的腐蝕研究發(fā)現，其最大縫隙腐蝕深度為0.16 mm。5052 鋁合金在表層海水中未出現縫隙腐蝕，但在深海試驗中不到200 天就出現了1.65 mm 的縫隙，并導致穿孔。

隨深度的增加，海水的溫度、溶解氧等環(huán)境因素具有顯著差異，對深海環(huán)境下金屬腐蝕產生重要影響。郭為民等對5083 鋁合金在不同溫度和溶解氧條件下的腐蝕規(guī)律進行了研究，結果表明，溶解氧含量越高，5083 鋁合金表面越易形成氧化膜，自腐蝕電位越正；溫度越低，其耐蝕性也越好。他還采用具有自主知識產權的深海環(huán)境試驗裝置在國內首次于我國南海海域不同深度成功開展了深海實海環(huán)境實驗，結果發(fā)現，不同深度暴露的5083 試樣均在固定孔周圍發(fā)生嚴重的縫隙腐蝕，并向周圍擴展。隨著暴露深度的增大，局部腐蝕的面積和深度增加，在800m 處和1200 m 處暴露3 年的平均腐蝕速率分別為0.048，0.054 mm/a。北京科技大學的李曉剛[26]等搭載此裝置進行了5052 和6061 鋁合金在不同深度的實海暴露試驗，結果表明，5052 和6061 鋁合金在1200 m深度下最大蝕坑深度低于800 m 下的數據，并且同種環(huán)境下5052 鋁合金腐蝕速率和最大點蝕坑深度遠低于6061 鋁合金。Al-Mg 合金在太平洋表層海水和深海中的腐蝕行為表明，深海環(huán)境下點蝕速率要快于表層海水環(huán)境，并隨深度增加呈現先增加后降低的過程，在700 m 深度點蝕速率達到最大值。在相同環(huán)境條件下，Al-Cu 系合金2014 在各深海環(huán)境下均腐蝕嚴重，Al-Mg 系合金則表現為均勻腐蝕及少量稀疏的點蝕，Al-Si 系合金6061 在深海暴露后表面表現為泥裂特征。

2.4 模擬海洋環(huán)境

劉艷潔等利用循環(huán)鹽霧腐蝕實驗模擬了2024鋁合金在海洋大氣環(huán)境中的腐蝕過程。腐蝕過程中2024 鋁合金的表面形成了具有較好保護性的銹層，其保護性呈現隨腐蝕時間的延長先增強后減弱然后再略增強的變化過程。張正貴等研究了Al-Cu 系鋁合金2A12在3.5%（質量分數）NaCl溶液中的腐蝕疲勞行為，在自腐蝕條件下，其腐蝕疲勞過程屬于陽極溶解機制控制，微觀斷口仍然以解理、準解理及沿晶開裂等脆性特征為主。張曉云等[12]利用2A12鋁合金C形環(huán)試樣在3.5%NaCl溶液中開展了周期浸潤腐蝕試驗，證明2A12鋁合金具有較高的應力腐蝕敏感性，多數2A12鋁合金在1 周之內產生應力腐蝕開裂。王曰義研究了不同流速狀態(tài)下鋁合金的腐蝕行為以及海水流速對鋁合金腐蝕的影響，2A12 鋁合金在海水流速大于3.4 m/s時，出現蜂窩狀腫脹或腐蝕潰瘍，在5.3 m/s 時，最大蝕坑深度達0.9 mm。5A05 在海水流速低于3.4 m/s 時，無明顯腐蝕出現，在海水流速為7.6 m/s 時，所有試樣表面上都發(fā)現有少量點蝕。

單毅敏等研究發(fā)現在3.5%NaCl 溶液中Al-Mg系鋁合金5083 在熱處理情形相同的條件下，Mg 含量低的5083 鋁合金耐腐蝕能力要比Mg 含量高的好。張波等比較了5083 鋁合金在靜態(tài)和流動海水條件下的腐蝕行為的差異，在靜止海水中5083 鋁合金的耐蝕性比較好，腐蝕率較小。隨著海水流速的增加，耐蝕性迅速降低，當海水流速為2 m/s 時，平均腐蝕速率即增加到靜水中的8 倍。鄭傳波等研究了6061 鋁合金在模擬海洋大氣環(huán)境中的腐蝕電化學行為，其在模擬海洋大氣環(huán)境中表面不同區(qū)域活性溶解程度不同，腐蝕產物數量較少，分布不均勻，腐蝕點主要呈圓形。韓東銳等研究了6061 鋁合金在室內模擬海水中的腐蝕行為。研究表明6061 鋁合金在常溫海水中的腐蝕形貌為點蝕，在高溫海水中6061 鋁合金表面易形成鈍化膜且腐蝕輕微。

3 總結與展望

鋁合金在減輕船體質量、提升航速以及減少能耗等方面的巨大優(yōu)勢，使其作為造船的基本材料已成為趨勢。為繼續(xù)拓展應用，船用耐蝕鋁合金研究需要更進一步的發(fā)展完善。一是注重現有材料的改進和新型產品的開發(fā)，如改進鑄造工藝，提升耐蝕鑄造鋁合金的鑄造工藝性能；探索新型輔助元素的增加，改進耐蝕變形鋁合金的焊接性能等。研發(fā)新型船用耐蝕鋁合金材料，通過添加諸如鈧、錳、鉻、鋯、鈦等微量元素、控制加工及熱處理工藝，保證鋁合金具有較高耐蝕性能的同時生產工藝簡單可行。二是加強對船用鋁合金材料腐蝕理論與防護方法的研究，對鋁合金材料在實際環(huán)境中的腐蝕機理進行更加深入的探討。同時在實際施工應用中綜合采用防腐涂層及包鋁等保護措施減少因鋁合金材料固有特性而導致的局部腐蝕，并應盡量避免電偶腐蝕和應力腐蝕的發(fā)生。

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船用鋁合金在海洋環(huán)境中的腐蝕研究