研究鎳鋁青銅合金的海水腐蝕行為

1、鎳鋁青銅合金在海水中的腐蝕行為

文獻“報道了鑄造鎳鋁古銅合金的腐蝕，而在商含朵質(zhì)的海水中高強度黃銅脫成分腐蝕的傾向比鎳鉛青銅要大得多”。鎳切青銅有良好的力學(xué)性能，添加不同的合命元索使共在含砂海水中不銹鋼有相當?shù)哪臀g性能"。鎳鋁吉制在海水中表現(xiàn)出較強的耐空泡腐蝕性能，網(wǎng)時也具有優(yōu)良的耐腐蝕疲勞性能回。因此，鎳鋁吉銅在船用螺旋槳中有若廣泛的應(yīng)用間。

1.1、靜態(tài)海水腐蝕

鎳鋁青銅在海水中耐蝕性優(yōu)異，Tuthill ”"指出，在含Cl的溶液中，Cu具有較為復(fù)朵的腐蝕過程，主要是山于銅表面形成復(fù)雜的保護膜，并認為鎳鋁青銅最主要的電化學(xué)過程是銅的陽極溶解，陰極主要為氧氣的還原，化學(xué)反應(yīng)式為: Cu+2C1~-e →CuCI: ; 02+2H0+2c →40H: 2CuCI~+20H→0u0+ H0+4CI, 在這個過程中形成了Cu:0保護膜。另外Al增加了Cu在海水中的耐腐蝕性能，化學(xué)反應(yīng)式為: A1+4C1 →AlCl +3e; A1C1+310-→Al (OHD)+3H +4C1，在這個過程中形成了A1(OH)。。Schissler等C1”認為材料表面形成了厚度約為900-1000 nm咖的包含Al和Cu的保護膜(主要是Cu0和A120)，該保護膜使得鎳鋁青鋼具有較好的耐腐蝕性，但保護膜長期暴露于海水中會形成Cu:(OH)LCl 和Cu(OHDCl之類的腐蝕產(chǎn)物，保護膜中的產(chǎn)物Cu:(OH):C1 可能會;發(fā)生偏聚，形成島狀沉積啊。Yang 等“采用原位掃描振動電極技術(shù)，研究了腐蝕產(chǎn)物膜在浸泡過程中局部電化學(xué)性質(zhì)的變化，K相在短時間內(nèi)形成穩(wěn)定致密的保護膜，有效地防止了腐蝕的發(fā)生。而Ei-Meligi認為鎳鋁青銅優(yōu)異的性能可能源于Ni0和Fe0s對合金非常明顯的保護作用。

1.2、空泡腐蝕

鎳鋁青鋼優(yōu)異的力學(xué)性能使共作為船用螺旋槳材料得到廣泛應(yīng)用， 常見的空泡腐蝕是高速運行的螺旋槳加快周田水流速度所產(chǎn)生的破壞，與螺旋槳接觸的水體各部分壓力不均勻引起氣泡迅速產(chǎn)生并破火，且該過程持續(xù)產(chǎn)生的沖擊力會破壞金屬表而層，導(dǎo)致材 料的變形與質(zhì)量損失，空泡腐蝕的發(fā)生過程如圖1"所示。Wood 等網(wǎng)設(shè)計了.種全塑性空化隧道，用于研究鎳鋁節(jié)銅表面的空泡腐蝕，金屬表面起初因’i泡破裂發(fā)生腐蝕破壞，當存在輕度腐蝕時，空泡沖山與腐蝕破壞的協(xié)同效應(yīng)最為顯著，嚴重的二次空泡腐蝕會對螺旋槳的工作效率產(chǎn)生較大影響。Song繁“研究了鉤態(tài)鎳鋁古銅合企和經(jīng)摩擦攪拌處照的鎳鋁古銅(FSP-NAB)在蒸館水和3. 5%\acCl溶液中的空泡腐蝕過程，F(xiàn)SP-NAB 由于微觀結(jié)構(gòu)史加細化和均勻，其在蒸餾水和3. 5%NaCl溶液中的累計質(zhì)量損失為鑄態(tài)NAB的2/3和1/2，鑄態(tài)MB的質(zhì)量損火上要是山J大K顆粒的脫落、大而深的空洞和K裂紋。Al-Hashem等”利用杠聲空化裝置礬究了鎳鋁古銅的微結(jié)構(gòu)對其在海水中空泡腐蝕行為的影響，長時間空泡使合金表而非常粗糙，產(chǎn)生大的空穴或凹坑，切性撕裂和a相性狀晶粒邊界的腐蝕，在與K沉淀相鄰的a相中觀察到5 10μm長的微裂紋，這些裂紋是從空脫的底部開始的，使合金受到的破壞更加嚴重。ZChang等“認為遭受初期空泡腐蝕損傷后的a相中存在大量的位錯和變形李品，這些位錯和變形李品可以阻止疲勞裂紋的形核和擴展，從而使鎳鋁青銅具有優(yōu)異的耐空泡腐蝕性能。

1.3、沖刷腐蝕

沖刷腐蝕是腐蝕流體與材料表面高速作用而對材料造成的損傷，以及材料表而受因相顆粒沖擊造成材料損耗*。螺旋槳高速運轉(zhuǎn)時，在表面保護膜或腐蝕產(chǎn)物膜遭受腐蝕損耗后，材料腐蝕速度會進一步加快。沖刷腐蝕是流體作用下的機械磨損與電化學(xué)腐蝕協(xié)同作用產(chǎn)生的腐蝕結(jié)果，對常見應(yīng)用環(huán)境中的鎳韶青銅合金的危害性較大。

杜鵬等x采用旋轉(zhuǎn)圓桶沖刷腐蝕試驗機研究了不同流速海水沖刷銅鎳合金的腐蝕行為，認為合會的商蝕速率在靜態(tài)海水中明顯低于在流動海水中，流速增大會導(dǎo)致內(nèi)外雙層腐蝕保護膜磨損、腐蝕迷率增大，腐蝕受用極反應(yīng)和傳質(zhì)過程控制，海水的切力會降低材料表面腐蝕保護膜的保護作用，使得腐蝕速率變大。維婭楠'I在舟山海水腐蝕試驗站，利用模擬沖刷腐蝕測試系統(tǒng)研究了侗合余的沖刷腐蝕行為，發(fā)現(xiàn)共沖刷腐蝕網(wǎng)時受流速和泥沙含量的影響，腐蝕速率與海水流速呈正線性關(guān)系，H試驗結(jié)果|j實海沖制腐蝕失審結(jié)果致。

2、提高鎳鋁青銅耐海水腐蝕性能的方法

在海洋工況條件下，與材料接觸的水體各部分產(chǎn)生壓力不均勻的現(xiàn)象，針對鎳鋁古銅的常見工況，空泡腐蝕'”為共較為常見的腐蝕類型?，F(xiàn)階段，通常采用鑄造加工工藝控制M.則、添加Sn.Cr.稀土等微量元素“以及表面處理等方法，來提高鎳鋁吉制合金的耐海水腐蝕性能。

2.1、鑄造加工工藝控制

鎳鋁青銅的溶體流動性好，不容易產(chǎn)生支晶偏析，在獲得一*定 形狀的前提下，可以采取鑄造加工改善材料的力學(xué)性能。鎳鋁青銅合金通常應(yīng)用于船用螺旋槳和海水泵泵體方面，鑄造件的鑄造工藝繁瑣，操作難度大。鎳鋁青銅易于收縮形成集中縮孔，按照合理的爐襯、氣氛和加科順序，再配合溶劑覆蓋、精煉和除氣措施快速熔煉，熔煉過程選擇有效的冒口設(shè)計,同時設(shè)置冷鐵，促進補縮，消除縮孔，產(chǎn)生細小均勻的組織，能使連續(xù)的Kπ 共析相球化，提高鎳鋁青銅的機械性能和耐侵蝕-腐蝕性能。

2.2、表面改性

海洋工程中應(yīng)用的鑄態(tài)鎳鋁青銅存在晶粒粗大、疏松和應(yīng)力集中等問題”"，常見的局部腐蝕對鎳鋁青銅有較大影響”。腐蝕一般開始于材料表面，且腐蝕過程通常不受基體結(jié)構(gòu)的影響，而表面處理可以不改變基體結(jié)構(gòu)，并有效簡化防腐蝕策略，因而該類方法被廣泛應(yīng)用于鎳鋁青銅的腐蝕防護。常見的表而處理方法有攪拌摩擦處理3、物理氣相沉積技術(shù)(VD)"!.超音速火焰熱噴涂”、激光表面處理洞、電沉積網(wǎng)等，這幾種表面處理方法可以使表層材料晶粒細化。組織均勻，從而有效提高表層材料的機械性能和耐腐蝕性能。

3、結(jié)語

在耐苛刻海水腐蝕環(huán)境條件方面，鎳鋁青銅合金無疑是最現(xiàn)想的銅合金材料。針對鎳鋁青銅合金綜合性能提升的技術(shù)需要，將來可以將新合金元素改性和合金元素含量的精準控制作為重點研究方向，并嘗試通過摻雜不同合金元素來開發(fā)出不同系列的新型鎳鋁青銅合金，逐漸完善我國海洋環(huán)境用銅鎳合金材料體系。同時，應(yīng)不斷加強合金組織調(diào)控、表面改性等方面的應(yīng)用研究工作，并與新型合金開發(fā)工作緊密結(jié)合，進-.步提高鋼鎳合金耐空泡腐蝕和沖刷腐蝕的性能，研制開發(fā)出綜合性能優(yōu)異的新型銅鎳合金材料，以滿足新時期不同海洋工程技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用需求。