摘要：金屬材料腐蝕現(xiàn)象隨處可見，電偶腐蝕是金屬材料的一種特殊腐蝕形式，不僅會導(dǎo)致金屬材料使用壽命下降，加快金屬構(gòu)件失效，還會引發(fā)其他一系列局部腐蝕行為，具有嚴(yán)重的破壞性。針對異種金屬材料電偶腐蝕問題介紹了電偶腐蝕基本原理和主要特點(diǎn);闡述了異種金屬材料電偶腐蝕研究進(jìn)展與常用研究方法，并對電偶腐蝕防護(hù)技術(shù)進(jìn)行了總結(jié)，提出電偶腐蝕與防護(hù)未來可能研究方向;探討了電磁場作為新型物理防腐技術(shù)對金屬材料腐蝕行為的影響，提出電磁場在金屬材料電偶腐蝕防護(hù)方面應(yīng)用的設(shè)想，為電偶腐蝕防護(hù)技術(shù)研究提供了新方向。

　　關(guān)鍵詞：電偶腐蝕;金屬材料;防腐;防護(hù)措施;電磁場

　　在日常生活中金屬材料的腐蝕隨處可見，腐蝕不僅影響能源科技、醫(yī)療器械、國防安全以及一系列新興產(chǎn)業(yè)的發(fā)展等，也造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失和帶來不可忽視的安全危害。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國每年因腐蝕問題造成的經(jīng)濟(jì)損失約占全國GDP的3%[1]。研究金屬材料的腐蝕問題，探索金屬材料的防腐新技術(shù)具有重要現(xiàn)實(shí)意義。電偶腐蝕是金屬構(gòu)件中常見的一種電化學(xué)腐蝕，一般發(fā)生于電解液環(huán)境中的兩種不同金屬或合金之間，也稱為接觸腐蝕或雙金屬腐蝕[2]。

　　金屬材料論文： 金屬材料熱處理節(jié)能工藝優(yōu)化分析

　　在工程應(yīng)用中，基于對材料性能和功能要求，以及對構(gòu)件成本的考慮，常常需要將兩種或多種材料配合使用，采用焊接、鉚接或螺栓緊固等形式組成連接件[3-5]。就結(jié)構(gòu)件而言，若連接防腐不當(dāng)，材料使用壽命下降，會導(dǎo)致系統(tǒng)構(gòu)件在使用周期結(jié)束前發(fā)生嚴(yán)重的腐蝕損害。如運(yùn)輸管道系統(tǒng)中法蘭等零部件連接處，海洋油氣平臺管道、西氣東輸埋地管道和核電廠海水管道的連接部位，極易發(fā)生電偶腐蝕，導(dǎo)致管道設(shè)備受到破壞引起泄漏事故，易造成嚴(yán)重的土壤環(huán)境、大氣和海洋水資源污染等[6-9]。

　　電偶腐蝕行為不僅會促使金屬材料腐蝕進(jìn)程加速、產(chǎn)品或構(gòu)件使用壽命降低等問題，在實(shí)際服役過程中還會因?yàn)閭�別零件的電偶腐蝕，使整個系統(tǒng)的服役壽命降低，對經(jīng)濟(jì)安全造成巨大威脅，腐蝕狀況嚴(yán)重的還可能會引起人員傷亡事故。在腐蝕性環(huán)境下，金屬材料與導(dǎo)電非金屬材料相連接也極易發(fā)生電偶腐蝕。電偶腐蝕的主要研究熱點(diǎn)：一是實(shí)驗(yàn)研究異種材料接觸是否會發(fā)生電偶腐蝕以及腐蝕程度和影響因素[10-12];二是從電偶腐蝕發(fā)生條件和影響因素出發(fā)，采用不同防腐技術(shù)對金屬材料電偶腐蝕進(jìn)行預(yù)防和控制[13-15]。然而實(shí)際服役環(huán)境更為復(fù)雜，一些可能在大氣環(huán)境中沒有表現(xiàn)明顯電偶腐蝕的金屬構(gòu)件在其他環(huán)境，如深海環(huán)境中則會發(fā)生明顯的電偶腐蝕，事實(shí)上，還有很多特殊環(huán)境條件對金屬材料電偶腐蝕的影響有待研究。

　　1電偶腐蝕原理與特點(diǎn)

　　1.1電偶腐蝕原理

　　電偶腐蝕本質(zhì)上是兩種電極電位不同的金屬、合金或非金屬材料(如碳纖維復(fù)合材料)相接觸構(gòu)成的宏觀原電池腐蝕。在腐蝕性溶液中，接觸區(qū)域電偶對陽極材料首先發(fā)生溶解，腐蝕速率升高，陽極材料溶解速度相對加快，腐蝕受到促進(jìn)作用;而陰極腐蝕 過程受到保護(hù)，電偶腐蝕速率減慢[2]。

　　在該電化學(xué)腐蝕電池中，電位較低金屬材料作為腐蝕原電池陽極，陽極金屬材料失去電子后陽離子通過腐蝕介質(zhì)到達(dá)陰極材料表面;電位相對較高金屬材料作為陰極，陰極反應(yīng)一般是氧的還原或析氫過程[16]。由此可知產(chǎn)生電偶腐蝕需具備3個必要條件[17]：

　　第一，兩電極存在電位差，采用不同的金屬或合金材料作為陰陽極;第二，存在電子通道，陰陽極直接或間接實(shí)現(xiàn)電接觸;第三，存在離子通道，兩電極處于同一腐蝕性電解質(zhì)溶液中。研究表明，在某一相同腐蝕介質(zhì)下，組合件電偶腐蝕敏感性與電極電位差有很大關(guān)系，兩者之間電位差是產(chǎn)生電偶腐蝕的必要條件和主要驅(qū)動力，也是判斷電偶腐蝕傾向的熱力學(xué)判據(jù)[18]。當(dāng)兩種金屬材料的電極電位差存在較小差異，一般小于閾值電位差50mV時發(fā)生電偶腐蝕可能性較小，如鑄鐵和鋼、青銅和黃銅接觸就可以不考慮電偶腐蝕效應(yīng);若兩者實(shí)際電位差值≥0.25V時，金屬材料連接區(qū)域?qū)�會發(fā)生明顯的電偶腐蝕效應(yīng)[16]。電偶序是將不同金屬材料放在特定電解質(zhì)溶液中測得的穩(wěn)定電極電位值按大小排列的列表。

　　材料排序隨腐蝕性介質(zhì)改變而發(fā)生變化。電偶序中相對較遠(yuǎn)的兩種金屬合金材料更容易發(fā)生電偶腐蝕，而距離較近金屬材料受到的腐蝕損害較小。根據(jù)電偶序可了解腐蝕介質(zhì)中不同金屬合金材料活潑性并預(yù)測電偶腐蝕發(fā)生的可能性[18]。Mansfeld等[19]研究了3.5%NaCl溶液中鋁合金與不同金屬材料耦合后電偶腐蝕行為，實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了利用電偶序判斷電偶腐蝕傾向的基本準(zhǔn)確性，還表明電偶腐蝕速率與材料自身極化特性有關(guān)。實(shí)際情況下電偶腐蝕速率不僅僅取決于兩種金屬或合金材料在電偶序中相對位置和極化性質(zhì)，還取決于電偶對中陰陽極材料面積比、偶對間距和腐蝕介質(zhì)濃度、溫度、濕度以及溶液pH值、流動狀態(tài)等[21-23]其他實(shí)質(zhì)性影響因素。

　　1.2電偶腐蝕特點(diǎn)

　　工程應(yīng)用中金屬材料與其他結(jié)構(gòu)件材料配套使用不可避免，電偶腐蝕幾乎遍布航空、艦船、橋梁、管道、建筑、高速公路和醫(yī)療器械等各大領(lǐng)域。根據(jù)腐蝕外觀形態(tài)觀察可知，電偶腐蝕屬于局部腐蝕的一種，腐蝕主要集中發(fā)生在金屬材料表面局部區(qū)域，宏觀上易于判別，文獻(xiàn)[24]描述了管道系統(tǒng)中發(fā)生的電偶腐蝕現(xiàn)象，可知，在碳鋼管和黃銅閥的連接部位腐蝕最為嚴(yán)重。電偶腐蝕不僅會加速材料腐蝕進(jìn)程還會引發(fā)其他一系列局部腐蝕，比如點(diǎn)蝕、縫隙腐蝕、應(yīng)力腐蝕和氫脆等[25]，進(jìn)一步加重腐蝕損害，直至設(shè)備失效。鎂/鋁合金電偶腐蝕對比實(shí)驗(yàn)表明，電偶腐蝕效應(yīng)加速了鎂合金的全面腐蝕，連接處外圍鎂合金表面腐蝕坑加深[26]。

　　2E12鋁合金與不銹鋼偶接處與非偶接處腐蝕形貌差異明顯，非偶接時鋁合金試樣表面腐蝕程度較低，偶接處2E12鋁合金在電偶因素作用下表面發(fā)生嚴(yán)重剝蝕，次表面出現(xiàn)明顯的腐蝕孔洞并伴有二次裂紋，應(yīng)力腐蝕開裂現(xiàn)象加重[27]。文獻(xiàn)[28]描述了黃銅與B10銅鎳合金偶接后電偶腐蝕與非偶接處的腐蝕形貌，電偶腐蝕效應(yīng)明顯加劇黃銅栓狀和層狀脫鋅腐蝕。在3.5%NaCl溶液中，7B04鋁合金與TA15鈦合金偶接，導(dǎo)致鋁合金電位升高達(dá)到點(diǎn)蝕電位，加速7B04鋁合金點(diǎn)蝕的產(chǎn)生和發(fā)展[29]。

　　2金屬材料電偶腐蝕及防護(hù)

　　近年來，人們對雙金屬材料電偶腐蝕行為大量研究，開發(fā)了相應(yīng)電偶腐蝕研究方法和電偶腐蝕防護(hù)技術(shù)，以解決材料連接件的電偶腐蝕失效問題。

　　2.1異種材料電偶腐蝕研究

　　鋼結(jié)構(gòu)橋梁、船舶、風(fēng)電行業(yè)中結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)廣受歡迎，特別是航空航天領(lǐng)域?qū)�輕質(zhì)鋁合金、鈦合金以及碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(CFRP，carbonfiberreinforcedpolymer)等應(yīng)用廣泛，電偶腐蝕是導(dǎo)致連接結(jié)構(gòu)件或復(fù)合材料損傷的主要原因之一[30]。針對海洋環(huán)境下船體主要結(jié)構(gòu)材料電偶腐蝕問題，研究了5083鋁合金與TA2鈦合金在3.5%NaCl溶液中的電偶腐蝕行為，鋁合金電偶腐蝕電流比偶接鈦合金前增大數(shù)倍，根據(jù)電偶腐蝕程度評定標(biāo)準(zhǔn)，5083鋁合金與TA2鈦合金耦合件不能直接接觸使用[31]。

　　采用超音速微粒沉積方法在5083鋁合金表面制備鈦鋁基(Ti-45Al-7Nb-4Cr)防護(hù)涂層，可有效緩解甚至消除鋁/鈦合金連接的電偶腐蝕問題[32]。在 pH=7的NaCl溶液中，溫度對6061鋁合金與碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料體系中的碳纖維腐蝕影響不大，電偶腐蝕主要作用在鋁合金材料表面[33]。

　　當(dāng)溫度低于45℃時，復(fù)合材料電偶腐蝕效應(yīng)不明顯，隨溫度升高，電解質(zhì)溶液中離子運(yùn)動和擴(kuò)散速度加快，加深了6061鋁合金電偶腐蝕程度[33]。鎂合金/低碳鋼電偶接頭在1.6wt%NaCl溶液中，應(yīng)力和電化學(xué)會發(fā)生復(fù)雜的相互作用，在交替腐蝕和疲勞載荷雙重作用下鎂合金電鍍接頭的電偶腐蝕效應(yīng)顯著增加[34]。國內(nèi)外相關(guān)研究主要是針對實(shí)際服役過程中暴露出的電偶腐蝕問題，通過對不同金屬材料電偶腐蝕行為進(jìn)行研究來判斷兩種材料能否接觸使用，并探討材料結(jié)構(gòu)、表面處理工藝及外界因素條件等對電偶腐蝕程度的影響[35]。

　　在某些特殊復(fù)雜環(huán)境條件下，如油氣田高溫高酸腐蝕性環(huán)境中金屬材料電偶腐蝕、海洋干濕交替環(huán)境下多金屬體系電偶腐蝕問題，以及深海低溫低氧環(huán)境下負(fù)載壓力與溫度和溶解氧多重因素對金屬材料電偶腐蝕的綜合影響還有待深入研究和解決[36-38]。

　　2.2研究方法

　　研究和測試電偶腐蝕的方法很多，如傳統(tǒng)的浸泡實(shí)驗(yàn)法(間浸實(shí)驗(yàn)、全浸實(shí)驗(yàn))研究電偶材料的腐蝕行為[39];采用電化學(xué)工作站測量偶對件的電偶電位和電偶電流并結(jié)合電化學(xué)阻抗譜技術(shù)、動電位極化技術(shù)研究電偶腐蝕的熱力學(xué)和動力學(xué)特性[40-41]。采用浸泡試驗(yàn)和電化學(xué)測試技術(shù)研究不同陰陽極面積比的1020碳鋼與304L不銹鋼電偶對在硫化物溶液中的腐蝕行為，發(fā)現(xiàn)碳鋼可作為陽極材料其表面形成的一層硫化膜保護(hù)碳鋼可減輕腐蝕;且碳鋼電偶腐蝕效應(yīng)與陰陽極面積比呈正相關(guān)，當(dāng)陰陽極面積比增大到一定范圍，電化學(xué)方法無法準(zhǔn)確測量電偶腐蝕效應(yīng)[42]。

　　2.3電偶腐蝕的防護(hù)

　　電偶腐蝕造成的系統(tǒng)故障具有潛在危險(xiǎn)性，目前對金屬材料電偶腐蝕的防護(hù)研究主要是針對特定條件下電偶腐蝕產(chǎn)生的原因和影響因素，對其采取不同表面處理技術(shù)進(jìn)行防護(hù)[50]。通過應(yīng)用微弧氧化(microarcoxidation，MAO)技術(shù)在鈦合金表面制備一層TiO2基陶瓷涂層，并模擬研究30CrMnSiA鋼與微弧氧化涂層TA15合金偶對件在3.5%NaCl的海水中的電偶腐蝕，發(fā)現(xiàn)涂覆的微弧氧化涂層具有優(yōu)良阻隔性，能有效緩解了電偶腐蝕效應(yīng)[51]。陽極氧化處理的鋁合金表面形成一層耐腐蝕性能好的致密氧化膜，增加鋁合金電偶電位，可降低2124和2024鋁合金分別與TC4鈦合金的電偶腐蝕程度[52]。

　　根據(jù)產(chǎn)生電偶腐蝕的3個必要條件，預(yù)防異種金屬材料電偶腐蝕可從以下幾個方面著手控制，選擇防護(hù)措施時應(yīng)具體考慮工件結(jié)構(gòu)和實(shí)際服役環(huán)境的影響：①正確選材。避免電位差大的金屬相接觸，控制陰陽極金屬材料面積比，適當(dāng)減小陰極材料面積，避免“大陰極—小陽極”組合情況發(fā)生。②對于某些連接部位不可避免要采用電位差異懸殊的異種金屬，電絕緣保護(hù)措施是防止電偶腐蝕的可靠方法之一。在陰陽極材料接觸部位添加絕緣隔離措施進(jìn)行電絕緣處理來消除電子導(dǎo)電支路，使用絕緣墊片將兩極有效隔開或使用緩蝕劑增大腐蝕介質(zhì)電阻。

　　③采用合適的表面處理技術(shù)對材料表面進(jìn)行處理，覆蓋涂鍍層或?qū)⒉牧媳砻孢M(jìn)行改性，減小異種材料電位差或增大兩者之間電阻值以隔斷離子通道。如對鈦合金表面進(jìn)行離子鍍鋁，對鋁合金表面進(jìn)行陽極氧化或微弧氧化處理來降低電偶腐蝕效應(yīng)。④對某些不適于表面處理的連接結(jié)構(gòu)(如螺栓緊固連接處)可使用密封料或塑料薄膜將偶對件材料進(jìn)行完全包裹，讓工件與外界環(huán)境實(shí)現(xiàn)隔離，如將緊固件材料涂密封漆進(jìn)行密封處理。⑤根據(jù)電化學(xué)腐蝕原理，可利用電磁學(xué)等物理技術(shù)手段減緩金屬連接件電偶腐蝕行為。

　　雖然目前關(guān)于磁場防護(hù)方面理論上還缺乏系統(tǒng)性認(rèn)識，但電磁場作為一種新型防腐技術(shù)，有望保證耦接件實(shí)現(xiàn)長期有效防護(hù)。最近德國弗勞恩霍夫研究院團(tuán)隊(duì)開發(fā)出一種新型碳纖維復(fù)合材料部件制造技術(shù)，實(shí)現(xiàn)金屬緊固件材料與碳纖維復(fù)合材料可靠連接[53]，并在碳纖維復(fù)合材料構(gòu)件上涂覆耐高溫保護(hù)層，研制出一系列鋁系金屬材料和碳纖維復(fù)合材料連接新技術(shù)[54]。

　　相比較而言，國內(nèi)金屬材料的電偶腐蝕研究起步相對較晚，現(xiàn)階段防護(hù)技術(shù)和實(shí)驗(yàn)設(shè)備條件等皆有限，對電偶腐蝕預(yù)防措施方面的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范比較匱乏，導(dǎo)致有關(guān)電偶腐蝕的理論分析內(nèi)容不夠完善、防腐形式比較單一。未來的研究發(fā)展應(yīng)針對具體腐蝕實(shí)驗(yàn)要求調(diào)整實(shí)驗(yàn)方案，進(jìn)一步研究防護(hù)機(jī)理，對結(jié)構(gòu)件材料采取一種或同時使用多種經(jīng)濟(jì)有效的防腐技術(shù)手段進(jìn)行系統(tǒng)性、全面性防護(hù)。

　　3電磁場對電偶腐蝕的影響

　　金屬材料電偶腐蝕是一個動力學(xué)和熱力學(xué)綜合的復(fù)雜電化學(xué)過程。電偶腐蝕微電池中存在兩個導(dǎo)電支路，陽極金屬材料溶解后陽離子從耦合陽極區(qū)不斷向耦合陰極區(qū)移動，構(gòu)成離子導(dǎo)電支路;陽極金屬材料表面過剩的電子與陰極區(qū)具有還原性物質(zhì)在腐蝕溶液中發(fā)生還原反應(yīng)，構(gòu)成電子導(dǎo)電支路[17]。

　　4結(jié)語

　　(1)應(yīng)加強(qiáng)注重金屬材料自身結(jié)構(gòu)因素和實(shí)際工況條件下外部環(huán)境因素對電偶腐蝕的綜合影響，并對特殊環(huán)境下三電偶體系以及多金屬電偶體系腐蝕進(jìn)行深入探索。(2)改進(jìn)傳統(tǒng)電偶腐蝕防護(hù)措施，研制新型電偶腐蝕防護(hù)技術(shù)，將傳統(tǒng)的電偶腐蝕防護(hù)技術(shù)與新型防腐技術(shù)進(jìn)行對比研究;同時考慮將多種防護(hù)措施結(jié)合使用，保證耦接件的長期有效防護(hù)。(3)研究電磁場環(huán)境下不同材料間電偶腐蝕防護(hù)機(jī)理，探尋磁場強(qiáng)度、磁場取向和工頻磁場對電偶腐蝕影響規(guī)律，設(shè)計(jì)新型磁場防腐裝置，采用電磁場物理防護(hù)技術(shù)實(shí)現(xiàn)裝備結(jié)構(gòu)件安全可靠服役。

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