21世紀以來,隨著海洋經濟的發展,中國低合金船體結構材料發展較快,但是隨之而來的材料腐蝕問題日趨嚴重。我國典型海洋大氣環境為高溫高濕高鹽霧海洋大氣,代表性地區為西沙和青島。西沙擁有我國最惡劣的海洋環境條件,南海“高溫、高濕、高鹽、高輻照”的腐蝕條件會加劇船體結構用鋼的腐蝕,根據ISO 9223-2012標準,南海區域的大氣腐蝕性為C5（腐蝕性很高）級。 

某型艦艇目前服役于我國三亞海域,其某類傳動部件材料為HDR鋼。在南海高腐蝕海洋環境中,由于高日照輻射強度、高鹽霧、高濕熱、高降雨量、海洋生物污損等多重腐蝕因素的影響,HDR出現腐蝕,導致某類部件傳動功能受損,影響艦船整體的安全性和穩定性[1-10]。為此需要了解HDR鋼在真實海洋環境中的腐蝕數據和行為規律,為某類部件防腐蝕方案設計提供數據支撐。筆者通過電化學腐蝕測試、人造海水全浸試驗以及三亞實海條件下的腐蝕試驗,獲取了HDR鋼的腐蝕數據,并探究了腐蝕行為規律。 

1.   試驗

1.1   試驗材料

試驗采用的HDR鋼與傳動裝置制作用材料為同批次鋼板,由造船廠直接提供,鋼板來料尺寸為1 000 mm×800 mm×3 mm。HDR鋼屬高鉻、雙相、耐蝕不銹鋼,具有較好的力學和耐應力腐蝕性能,被應用于艦船海水管路系統,其主要化學成分如表1所示。 

1.2   試驗方法

1.2.1   電化學測試

依據GB/T 24196-2009《金屬和合金的腐蝕電化學試驗方法恒電位和動電位極化測量導則》,測量試樣的極化曲線,并擬合得到自腐蝕電位、點蝕電位和自腐蝕電流密度等試驗參數,具體過程和參數如下： 

將尺寸為10 mm×10 mm的試樣單面焊接銅導線后,利用環氧樹脂進行封裝并進行拋光（表面粗糙度Ra小于1 μm）,拋光后利用無水乙醇、丙酮等有機試劑進行表面清洗和脫脂處理,干燥后置于干燥器中。電化學腐蝕試驗采用標準三電極體系,其中工作電極為待測試樣,參比電極為飽和甘汞電極（SCE）,輔助電極為高純鉑片電極。試驗介質為3.5%（質量分數,下同）NaCl溶液,電位掃描區間為（Ecorr-300 mV,Ecorr+300 mV）,掃描速率為0.5 mV/s。 

1.2.2   鹽霧/干/濕交替循環試驗

參照GB/T 20854-2007《金屬和合金的腐蝕循環暴露在鹽霧、“干”和“濕”條件下的加速試驗》,開展HDR鋼的鹽霧/干/濕交替循環腐蝕試驗。采用砂紙去除試樣（尺寸為100 mm×50 mm×2 mm）的原始金屬表面層,并打磨拋光后,及時用水、氧化鎂粉等充分去油,并用丙酮、酒精等試劑進行脫脂處理并迅速干燥后,將其置于干燥器內,待其冷卻到室溫后測量尺寸和質量。試驗噴霧溶液為（50±5）g/L的NaCl溶液,試樣擺放角度相對于垂直方向成20°。在單次循環過程中：鹽霧2 h,溫度（35±2）℃；干燥4 h,溫度（60±2）℃,相對濕度（RH）小于30%；潮濕2 h,溫度為（50±2）℃,RH要求大于95%RH。試驗結束后記錄試樣宏觀形貌,稱量后計算試樣的腐蝕速率。 

1.2.3   人造海水腐蝕試驗

依據JB/T 7901-1999《金屬材料實驗室均勻腐蝕全浸試驗方法》進行人造海水（化學組成見表2）中均勻腐蝕全浸試驗,評價海水完全浸沒狀態下試樣的腐蝕行為[11-17]。采用砂紙逐級打磨試樣（尺寸為100 mm×50 mm×2 mm）表面后,用無水乙醇、丙酮等有機試劑清洗脫脂,將其置于干燥皿內存放24 h以上,測量試樣質量與外觀尺寸。 

在室溫下,將3片平行試樣全部浸入人造海水中,試驗時間為1 000 h,頻率為每7 d更換人造海水；記錄全浸試驗過程中發生的現象,清洗腐蝕產物（電解及化學清洗法）后,計算試樣腐蝕速率。 

1.2.4   實海腐蝕試驗

為研究HDR金屬在海洋環境中的腐蝕行為,為傳動部件在海洋環境中的使用提供指導,在三亞海域開展了實海腐蝕試驗,試驗地點無大的波浪沖擊,一般流速在1 m/s以下,試樣（尺寸為200 mm×100 mm×2 mm）安裝位置為平均中潮位±0.3 m以內,試驗周期為3個月、6個月、9個月、12個月、18個月和24個月,試驗結束后記錄試樣宏觀形貌,依照GB/T 6384-2008《船舶及海洋工程用金屬材料在天然環境中的海水腐蝕試驗方法》,對試樣在海洋環境中的腐蝕行為進行驗證[18-20],并按照GB/T 16545-2015《金屬和合金的腐蝕　腐蝕試樣上腐蝕產物的清除》相關要求去除試樣表面腐蝕產物并計算腐蝕速率。 

2.   結果與討論

2.1   動電位極化曲線

由圖1和表3可見：試樣的點蝕電位（Eb）為1.061 V,保護電位（Ep）為1.022 V,說明試樣表面鈍化膜保護性強,不易發生點蝕；Ep與Eb相差較小（39 mV）,說明鈍化膜擊穿后,在電位負移過程中鈍化膜易完成修復,即鈍化膜的修復能力較強。 

圖  1  試樣在3.5%NaCl溶液中的動電位極化曲線

Figure  1.  Potentiodynamic polarization curve of the sample in 3.5% NaCl solution

2.2   鹽霧/干/濕交替循環試驗

由圖2可見：經過1 000 h鹽霧/干/濕交替循環試驗后,試樣表面未見明顯腐蝕產物附著,說明其在海洋干、濕交替環境中的耐蝕性較好。清洗腐蝕產物,計算得試樣的平均腐蝕速率為0.369 0 μm/a,詳見表4。 

圖  2  試樣經過1 000 h鹽霧/干/濕交替循環試驗后的表面宏觀形貌

Figure  2.  Surface macro morphology of the sample after 1 000 h of salt spray/dry/wet alternating cycle test

2.3   人造海水腐蝕試驗

由圖3可見：經過1 000 h人造海水全浸腐蝕試驗后,試樣表面均無明顯腐蝕產物,表明其在人造海水全浸條件下的耐蝕性較好。由表5可見：經過1 000 h全浸試驗后,HDR鋼的平均腐蝕速率為0.374 2 μm/a。 

圖  3  試樣在人造海水中經全浸腐蝕試驗后的表面宏觀形貌

Figure  3.  Surface macro morphology of the sample after full immersion corrosion test in artificial seawater

2.4   實海腐蝕試驗

由圖4可見：經過實海腐蝕試驗后,試樣表面未見明顯腐蝕產物附著,僅有少量海洋泥沙、懸浮物附著。在螺紋固定處出現明顯的局部腐蝕現象,表面因腐蝕而變得粗糙,有海生物附著現象,且海生物附著處發生局部腐蝕。試樣的實海腐蝕速率見圖5,可以看出,經過2 a腐蝕后,試樣總體腐蝕速率較低。經過2 a實海腐蝕試驗,HDR主要發生局部腐蝕,對其防腐蝕和腐蝕監測工作應重點放在局部腐蝕上。 

圖  4  試樣經不同時間實海腐蝕試驗后的表面宏觀形貌

Figure  4.  Macro morphology of the surface of the sample after undergoing sea corrosion tests at different times

圖  5  試樣的實海試驗腐蝕速率

Figure  5.  Real sea test corrosion rates of the samples

3.   結論

（1）HDR鋼在3.5%NaCl溶液中的自腐蝕電流密度為3.46×10-7 A·cm-2,自腐蝕電位為-0.151 6 V,點蝕電位和保護電位分別為1.061 V和1.022 V,極化曲線無鈍化區間。 

（2）HDR鋼在人造海水全浸腐蝕試驗和交替循環腐蝕試驗中的腐蝕速率分別為0.374 2 μm/a和0.369 0 μm/a；在三亞實海中的腐蝕速率從3個月時的0.91 μm/a降至24個月時的0.08 μm/a,HDR鋼主要發生了局部腐蝕,對其防腐蝕和腐蝕監測工作應重點放在局部腐蝕上。 

（3）HDR鋼耐海水腐蝕性能優異,可作為現役材料40Cr、2Cr13的替換材料。

文章來源——材料與測試網