热带海洋大气环境异种结构材料电偶腐蚀及防护技术研究

王荣祥，龚雨荷，王春辉,2,3，张博,2,3，张洪彬,2,3

（1.工业和信息化部电子第五研究所，广州 510610；2.广东省电子信息产品可靠性技术重点实验室，广州 510610；3.电子信息产品可靠性分析与测试技术国家地方联合工程研究中心，广州 510610）

引言

设备在热带海洋大气环境下工作时，不可避免会受到热带海洋大气环境其高温、高湿、高盐、强辐射等特点的影响。已有经验表明，在内陆服役表现良好的设备在热带海洋大气环境下使用时，腐蚀故障频发，这严重影响了设备的使用寿命和使用安全。例如，在2016-2018年期间，某航空设备在热带海洋大气环境下使用了3个月后，即发现在电子设备紧固件连接部位及动力连接部位有大量的电偶腐蚀现象，这严重影响了设备的使用安全。

电偶腐蚀是指电连接的两种或以上的金属在同种导电介质中，因腐蚀电位差的存在，形成了腐蚀原电池，加速了低电位金属的腐蚀，并使高电位金属腐蚀减缓的现象。大型设备在设计使用过程中，出于功能考虑，会存在较多异种金属接触现象。例如，航空设备机体铝合金蒙皮与钛合金承力构件连接，机体铝合金蒙皮与平尾大轴、垂尾后梁铝合金与复合材料连接。这些连接件在长期的服役过程中，会受到电偶腐蚀的影响，加之热带海洋大气环境中腐蚀因素的作用，将导致设备连接部位发生严重的电偶腐蚀现象，典型失效案例见图1。

图1 典型热带海洋环境电偶腐蚀失效示例

近年来，随着我国“一代一路”“海洋强国”等国家战略的发展，大量电子设备仪器已在热带海洋大气环境下服役，开展数据积累、勘察侦测等工作，为了应对未来可能发生的腐蚀问题及突发状况，保障设备仪器在热带海洋大气环境下的安全运营，亟需对设备的防腐蚀设计、使用维护等提出新的要求。

1 电偶腐蚀行为影响因素研究现状

1.1 材料特性

在电偶腐蚀中，两种接触金属之间的电位差越大，则腐蚀的趋势越大，具有低电势的金属就越容易充当阳极，而具有高电势的金属就越容易充当阴极极[1]。Zhang[2]等研究发现，0CrI3Ni8Mo2Al不锈钢与铝合金之间的电偶腐蚀严重，而与钛合金之间几乎没有电偶腐蚀，主要原因是0CrI3Ni8Mo2Al不锈钢与铝合金之间的电位差相差过大，电偶驱动力大，而与钛合金间的电位差相差较小。黄宸[3]等研究发现，高强度耐候钢焊接接头的不同区域存在着电位差，导致耐候钢焊接接头发生电偶腐蚀，其中热影响区为阳极区，母材为阴极区。郭泽亮等研究者发现当阴极极化速率较高时，某些电偶对腐蚀速率反而小于初始电位差小的电偶对。

1.2 几何因素

阳极和阴极的面积比对电偶腐蚀的速度有很大的影响[4]。在常温下，电偶腐蚀速率与阴阳极面积比呈现出线性关系，即阴阳极面积比越大，阳极金属的腐蚀速率则越大[5]。肖葵[6]等研究发现阴极材料、试验时间、试样尺寸（偶接面积）和试验环境都会对镁合金的电偶腐蚀效应产生影响。何积铨[7]等研究发现，Bright O.Okonkwo[8]等采用了多元分析方法研究了面积比和显微组织对A508/309L/308L异种金属焊缝电偶腐蚀的协同效应。研究结果表明，降低阳极/阴极比可以显著提高A508的局部和整体腐蚀速率。

1.3 环境因素

环境因素包括介质成分、浓度、温度等因素。Ezuber[9]等研究发现，随着温度的升高，铝合金的电偶腐蚀速率增加。Gui[10]等研究发现，不同环境因素下铝合金与不锈钢的电偶腐蚀程度随着NaCl浓度的增加、溶液pH值的降低和拉伸应力的增加而越加严重。李淑英[11]等研究了碳钢、紫铜在NaCl介质中的电偶行为。由试验结果看出，随着温度的升高，电偶电流明显增大，60 ℃的电偶电流是20 ℃时的六倍。

1.4 热带海洋环境电偶腐蚀机理研究及防护技术分析

在电偶腐蚀机理研究方面，国外多采用外场试验与实验室研究相结合的方式，而国内一般集中在实验室，研究周期短、见效快，便于系统、快速摸索材料特性、极化特性、几何形状等电偶腐蚀要素对腐蚀的影响[12,13]。然而，对于热带海洋环境而言，其具有高温、高湿、高盐、强辐射的热带海洋性综合环境特点，这种综合环境影响效应很难通过简单实验室环境进行模拟。需要有针对性的结合使用环境特点来开展自然环境试验工作，储备可用数据。

我国市场上腐蚀控制产品种类繁多，质量参差不齐，且大部分产品仅进行过实验室理化性能测试，较为缺乏真实外场试验鉴定考核结果。而我国地域辽阔，气候类型跨度广，未经实际、实地试验而盲目选用不恰当的腐蚀控制方法，易导致“欠保障”或“过保障”问题。尤其是对于热带海洋环境电偶腐蚀而言，电偶腐蚀发展迅速，腐蚀控制方法除应考虑环境隔离、离子缓蚀外，还应重点关注对阴阳极的绝缘作用，腐蚀环境因素。

2 防护技术研究现状

2.1 国外研究现状

国外发达国家对电子设备腐蚀控制工作极为重视，例，在大量数据支撑下，波音、麦道、空客等飞机制造公司在各自维护修理手册中严格规定了符合要求可供选用的清洗剂、缓释剂制造商及其牌号，包括英国Ardrox 6025、6045、6402系列，美国Cee-Bee、Turco系列及Aerowash、Delchem、Turco、B&B等，制定了清洗剂、缓释剂选用标准，阐述了各类腐蚀控制剂的用途、组成及性能指标，以保障设备的良好运营状态，获得更大的技术经济效益。

在具体实施方面，美国有公司开展了硼酸盐-亚硝酸盐缓蚀剂在设备上的应用研究，发现该缓释剂能明显改善高强钢和高强铝合金的抗氯离子侵蚀能力；英国有公司采用脱水防锈剂作为发动机清洗后的防锈措施，发现Ardrox3961适用于发动机短期防腐，Ardrox3140/3302适用于发动机长期防腐；澳大利亚航空研究室研究了6种常用牌号脱水防锈剂对铝合金7075-T651和2024-T6的缓蚀效果，结果表明脱水防锈剂在腐蚀控制方面富有成效。

2.2 国内研究现状

在国内，随着设备服役范围的扩大，越来越多仪器设备在热带海洋大气环境下使用，腐蚀控制技术在设备全寿命期内所扮演的角色越来越重要。国内各科研院所已在设备腐蚀控制技术研究方面开展了大量研究工作，相继设计、开发了多种清洗剂、缓释剂，并制定了相应的标准和规范。如航材院研制了多种飞机缓蚀清洗剂，航空发动机清洗剂，硬膜脱水防锈剂、钼酸盐复合缓蚀剂；六维公司研制了多种清洗剂；北京化工大学研制了多种燃气轮机发动机清洗剂。各单位制订了HB 5334-1985《飞机表面水基清洗剂》、MH/T 6007-1998《飞机清洗剂》，GJBZ 20356-1996《航空燃气涡轮发动机燃气通道清洗剂通用要求》等标准规范，取得了一定的技术成果。

3 热带海洋环境异种结构材料电偶腐蚀行为研究展望

3.1 典型异种结构材料热带海洋环境腐蚀行为研究

首先以典型设备材料为主要应用对象，选取典型设备异种结构材料如铝合金/钛、铝合金/碳纤维制备连接件，依托自然环境试验站，开展连接件在热带海洋大气环境下的腐蚀行为与腐蚀机理研究，采用宏/微观分析、电化学测试、力学性能测试、腐蚀失重、腐蚀产物分析等测试手段，揭示热带海洋大气环境对连接件腐蚀性能退化的影响。

3.2 热带海洋环境电偶腐蚀主要影响因素研究

热带海洋大气环境下电偶腐蚀影响因素众多，包括材料电偶序、材料极化特性、阴阳极面积比及环境因素等要素信息。各要素信息相互作用，共同促进金属材料的电偶腐蚀。本部分建议采用改变阴阳极面积比、等要素信息对电偶腐蚀的影响，确定典型材料连接件在热带海洋大气下电偶腐蚀的主要影响因素。

3.3 典型异种结构材料连接件腐蚀防护技术研究

建议使用缓蚀的方式对典型异种结构材料连接件的腐蚀防护技术进行研究，针对热带海洋大气环境的特点（高温、高湿、高盐雾），建立自然环境试验方法，并制定实验室试验谱，如采用专用交变盐雾谱，按试验谱优选缓蚀剂种类，然后采用测试分析方法定量测试表征，对方案有效性进行验证。

3.4 热带海洋环境电偶腐蚀研究难点分析

热带海洋大气环境下的电偶腐蚀试验会产出大量基础数据，如何对产出数据进行有效利用，甚至利用现有数据推测未来变化趋势或寿命规律，是热带海洋大气环境下电偶腐蚀防治工作中亟需解决的问题。其中，在性能退化建模研究中，首先需要面对的就是关键指标的选取问题，而热带海洋大气环境下电偶腐蚀的对应性能参数指标有多种，有电极电位、电偶电流、阳极腐蚀速率、腐蚀电化学特征值等多项指标。如何选取有意义的性能参数是热带海洋大气环境电偶腐蚀研究工作中的一个关键问题。

4 结论

海洋是我国领土不可分割的一部分，是我国与世界各地联接的重要通道，同时也是太平洋和印度洋之间的海上走廊。海洋权益的得失，将直接影响到我国未来主权利益和国民经济的发展空间。

尤其是近年来，随着我国“一带一路”、“远海防卫”等国家战略的发展，加之其他国家在海洋地区不断挑衅，周边海域局势紧张。为了应对未来的冲突与挑战，保障我国领海主权，大量大型先进设备已经在热带海洋环境部署，改善我国热带海洋环境国土防卫能力。

由此可见，开展热带海洋大气环境下电偶腐蚀研究，揭示电偶腐蚀机制，掌握电偶腐蚀防治方法，这将为异种结构材料电偶腐蚀的防治工作提供理论依据；取得的防护方法将协助国内有关单位因地制宜制定电偶腐蚀防治方案，降低保障成本与负担。