高湿高盐雾环境下双光激光除锈装置抗腐蚀性能分析

陈 浩，余兴建，谭 震，王瑞强，张风如

（贵州电网有限责任公司凯里供电局，贵州凯里 556000）

钢材使用时间长便会出现生锈情况。铁锈在高湿高盐雾环境中将会加快钢铁腐蚀速度。若钢铁材料使用于存在酸、氯气、电介质的溶液里，将因为锈蚀而成为废材[1-2]。根据相关部门整理可知，全球因锈蚀而致使钢铁材料变成废材的情况屡见不鲜。钢铁材料锈蚀将致使产品质量变差、环境出现污染，且对人体健康存在较为显著的负面影响。所以，针对长时间使用钢铁产品而言，需要定期除锈保护[3-4]。尤其是海洋工作船舶，船体长时间接触海水，遭到海水里海量的盐碱侵蚀，将致使船体材料出现电化学腐蚀[5]。激光除锈也可以理解成激光清洗方法，是目前新研发的除锈方法。其通过高峰值功率的脉冲激光照射生锈区域，生锈区域获取激光能量后温度快速提升，致使其出现蓬松、热震动等相关变动，实现生锈部位和材料本体分离，实现除锈[6]。但是，在高湿高盐雾环境中，双光激光除锈装置也会出现腐蚀，装置生锈将大大降低其除锈效果，为此，本文提出高湿高盐雾环境下双光激光除锈装置抗腐蚀性能分析方法，对高湿高盐雾环境下双光激光除锈装置抗腐蚀性能实施深入研究[7]。

1 双光激光除锈装置抗腐蚀性能分析

1.1 双光激光除锈装置

双光激光除锈装置的详情图如图1 所示。

该装置的除锈清洗激光器为脉冲CO2激光器。此激光器和紫外、红外YAG 激光相比，紫外、红外YAG 激光容易导致钢材基底出现黄化现象。使用脉冲CO2激光器作为该装置的除锈清洗激光器时，其峰值功率符合清洗目标的烧蚀阈值要求，且平均功率大，可以完成高效率除锈清洗任务。该装置的钝化激光器是声光调Q Nd:YAG 激光器[8-9]。脉冲 激光器不可以使用传统传能光纤传输，能够选取的传播模式依次为自由空间传播、导光臂传播。声光调Q Nd:YAG 激光器能够采用传能光纤、导光臂传播传输[10]。

图1 双光激光除锈装置的详情图Fig.1 Detail drawing of derusting device of double light machine tool

按照两类波长激光的传播属性，能够使用多关节双镜筒导望远镜类导光臂实施激光传播，传播两个激光时以并行性传播模式为主。此类导光臂前方两种关节不存在关联性，依次把脉冲CO2激光器与声光调Q Nd:YAG激光器衍生的激光耦合至导光臂的两种分支镜筒中，后端的多种关节存在合并性，不但符合导光臂灵活性的需求，还能够实现非长程闭路的激光光束传播[11-12]。

1.2 高湿高盐雾环境建模

1.2.1 高湿环境建模与求解

计算空气与水蒸气建立的混合物组分输运方程能够得到湿度场[13]。湿度场第j个组分的湿度含量设成Xj，那么质量守恒方程是：

式（1）中，h表示时间；∂表示质量守恒方程参数；∇代表哈密顿算符；组分j因为化学反应的生成项设成Sj；组分j 因为别的原因衍生的源项设成Zj；β代表介质孔隙水平；Xj表示第j 类核心组分浓度值；u代表核心组分流量；组分j的扩散通量设成Kj。Kj处于湍流里的运算方法是：

式（2）中，H、∇H代表湍流运动系数；湍流施密特数与涡流系数依次设成Zdh、hα；湍流扩散系数设成Eh,j。

1.2.2 高盐环境模型与求解

计算标量运输方程能够获取盐度分布环境：

式（3）中，Zφ、U依次描述标量输运系数与体积源项；φ代表欧拉常数；F表示盐雾密度。

按照盐雾气溶胶释放度的经验或半经验方法，能够获取稳定环境中盐雾气溶胶浓度的分布特征：

式（4）中，c、b、ε、m、n表示独自变量，能够按照边界条件设定；地表上盐雾气溶胶浓度设成D、D0，D0和盐雾气溶胶释放通量G的关联性是：

式（5）中，sϖ代表盐雾气溶胶颗粒的沉降速度；d表示无理数；表示盐雾气溶胶质量分数。

1.3 抗腐蚀性能分析方法

试验使用1.1 提出的双光激光除锈装置实施抗腐蚀性能分析，该装置的详细信息见表1。

表1 双光激光除锈装置元素信息Table 1 Element information of double light laser derusting device

为了深度分析双光激光除锈装置的抗腐蚀性能，通过1.2 提出的方法模拟高湿高盐雾环境，分析高湿高盐雾环境中双光激光除锈装置的抗腐蚀性能[14-15]。

主要测试腐蚀坑深度、面积、腐蚀速率、巴氏硬度。腐蚀坑测量使用奥林巴斯BX53 显微镜的景深功能检测腐蚀坑的深度，通过Acd See Pro6 软件检测腐蚀面积。腐蚀速率的检测使用失重法。失重法可理解为双光激光除锈装置在高湿高盐雾环境中腐蚀固定时间后，分析腐蚀差异时间后的腐蚀状况变动结果，以此判断腐蚀速率[16]。

失重法使用范围不存在局限，可以直接判断材料的抗腐蚀性。使用失重法运算腐蚀速率的方法是：

式（6）中，腐蚀速率与检测面积依次设成P、r，测试耗时设成k，g0、g 依次描述检测前样本的重量与检测后样本的重量。

巴氏硬度可理解为按照巴氏硬度计压缩双光激光除锈装置的深浅体现双光激光除锈装置硬度的指标[17]。在各个腐蚀时间段里将双光激光除锈装置样品实施巴氏硬度检测后，按照罗曼诺夫斯基准则将双光激光除锈装置样品检测数据进行整体，以平均值描述双光激光除锈装置样品在各个腐蚀时间段中的巴氏硬度。巴氏硬度保留度（%）计算方法是：

式（7）中，巴氏硬度保留度设成Δ；双光激光除锈装置样品腐蚀前后的巴氏硬度依次设成M0、M。

2 测试结果

当高湿高盐雾环境中湿度依次是30%、40%、50%，盐雾气溶胶浓度是50% 时，双光激光除锈装置在高湿高盐雾环境中腐蚀30 天后，其腐蚀范围粗糙度、腐蚀坑数目、腐蚀坑面积最大值的检测结果见表2。

表2 腐蚀结果Table 2 Corrosion results

由表2 可知，当高湿高盐雾环境中湿度依次是30%、40%、50% 时，盐雾气溶胶浓度是50% 时，双光激光除锈装置在高湿高盐雾环境中腐蚀30 天后，腐蚀坑数目伴随湿度的增加而逐渐增多，粗糙水平与腐蚀坑面积愈发显著。

为了详细分析双光激光除锈装置在高湿高盐雾环境中腐蚀表面粗糙水平详情，以湿度为50% 为例，盐雾气溶胶浓度是50% 时，绘制5 天、10 天、15 天、20 天、25 天、30 天腐蚀范围表面粗糙水平伴随时间的变动详细示意图，结果如图2 所示。

图2 腐蚀表面粗糙水平Fig.2 Corrosion surface roughness level

分析图2 时显而易见，在盐雾气溶胶浓度是50%、湿度是50% 这种环境中，双光激光除锈装置表面粗糙水平伴随腐蚀时间的增多而变大，且双光激光除锈装置表面粗糙水平增长速度较快。

双光激光除锈装置在高湿高盐雾环境中腐蚀后，将出现腐蚀产物，腐蚀产物脱落会影响双光激光除锈装置质量。所以，本文实现高湿高盐雾环境中双光激光除锈装置重量耗损度的提取，主要通过检测腐蚀前后双光激光除锈装置样本的重量差实现。

当高湿高盐雾环境中盐雾气溶胶浓度依次是30%、40%、50%，湿度是50% 时，双光激光除锈装置在高湿高盐雾环境中腐蚀30 天后，通过电子称重仪检测双光激光除锈装置重量，检测结果见表3。

表3 腐蚀失重测量结果Table 3 Measurement results of corrosion loss

分析表3 可知，在差异盐雾气溶胶浓度环境中，双光激光除锈装置腐蚀前后重量存在差异。为了直观分析双光激光除锈装置在高湿高盐雾环境中腐蚀失重情况，根据表3 数据绘制盐雾气溶胶浓度依次是30%、40%、50%，湿度是50% 时，双光激光除锈装置腐蚀重量耗损度变化趋势如图3 所示。

图3 腐蚀失重Fig.3 Corrosion loss

由图3 可知，双光激光除锈装置在高湿高盐雾环境中，盐雾气溶胶浓度增大，双光激光除锈装置重量耗损度逐渐增大。

当盐雾气溶胶浓度、湿度均为50% 时，依次测试双光激光除锈装置在此环境中腐蚀10 天、15 天、20 天、25 天、30 天的腐蚀速率，结果如图4 所示。

图4 腐蚀速率Fig.4 Corrosion rate

双光激光除锈装置在高湿高盐雾环境中的腐蚀速率能够描述双光激光除锈装置腐蚀状态的变化、状态。分析图4 可知，双光激光除锈装置在高湿高盐雾环境中，伴随腐蚀时间的增多，双光激光除锈装置的腐蚀速率出现先变大后变小的趋势。腐蚀10 天时，双光激光除锈装置在高湿高盐雾环境中的腐蚀速率高速增长，双光激光除锈装置质量耗损速度快。腐蚀时间为15 天时，双光激光除锈装置的腐蚀速度变动不大；腐蚀时间为20 天时，腐蚀速率和15 天的速率相比有所降低，但在第25 天时，双光激光除锈装置的腐蚀速率再次提升，腐蚀时间为30天时，双光激光除锈装置的腐蚀速率再次下降，腐蚀率降低。

同样在盐雾气溶胶浓度、湿度均为50% 的环境中双光激光除锈装置的腐蚀样貌检测结果如图5 所示。

图5 腐蚀样貌Fig.5 Corrosion appearance

分析图5 可以直接看出，双光激光除锈装置在高湿高盐雾环境中腐蚀10 天时，腐蚀产物的密集度较低；腐蚀15 天时，腐蚀产物的密集度十分密集；腐蚀20～30 天时，双光激光除锈装置基体已经暴露，腐蚀产物的增加数目降低，但是腐蚀结果已经步入稳定期，对双光激光除锈装置质量存在不良影响。

当盐雾气溶胶浓度、湿度均为50% 时，依次测试双光激光除锈装置在此环境中腐蚀10 天、15 天、20 天、25 天、30 天的巴氏硬度，结果如图6 所示。

图6 巴氏硬度Fig.6 Hardness of Babbitt

根据图6 检测结果显示，随着双光激光除锈装置在高湿高盐雾环境中腐蚀时间的增多，双光激光除锈装置的巴氏硬度逐渐降低，表明双光激光除锈装置在高湿高盐雾环境中将出现硬度降低的情况。

测试本文方法上述实验结果的均方误差，以此分析本文方法的分析效度，结果如图7 所示。

图7 本文方法分析效度Fig.7 Validity of the method in this paper

根据图7 显示，本文方法对双光激光除锈装置在高湿高盐雾环境中的腐蚀表面粗糙水平、腐蚀失重、腐蚀速率、巴氏硬度的分析结果均方误差极小，本文方法的分析效度极高，分析结果可信。

3 结论

在同金属存在关联的整个行业中，准确去除金属表面锈蚀部分是目前各个领域均高度关注的问题之一。以往使用化学除锈法对金属表面的腐蚀进行处理时，处理效率极低。而双光激光除锈装置能够实现高精度金属表面锈蚀清洗。但双光激光除锈装置属于金属类装置，在高湿高盐雾环境中也易出现锈蚀情况，对其功能存在一定影响。本文围绕此问题实施深入研究，并在不同腐蚀时间、不同湿度、不同盐雾气溶胶浓度的环境中检测双光激光除锈装置腐蚀情况，对双光激光除锈装置的保养与应用均存在一定辅助作用。