0 引言

    B10 銅鎳合金是國際上公認(rèn)的耐海水腐蝕性能優(yōu)良的銅鎳合金，廣泛應(yīng)用于國內(nèi)外的海洋工程中。B10 銅鎳合金不僅具有銅合金優(yōu)異的物理傳導(dǎo)性能，而且在流動(dòng)海水中耐腐蝕性能較好，抗生物污損性能優(yōu)良。國內(nèi)外對銅鎳合金腐蝕行為進(jìn)行了廣泛的研究。文獻(xiàn)研究了在NaCl 溶液中B10 銅鎳合金的電化學(xué)腐蝕行為，認(rèn)為B10 銅鎳合金在流動(dòng)海水中隨海水流速的增大，陽極鈍化區(qū)范圍減小，合金腐蝕受陽極反應(yīng)過程控制。文獻(xiàn)研究表明： B10 銅鎳合金在海水介質(zhì)中，表面會(huì)形成一層鈍化膜，從而阻止合金腐蝕反應(yīng)的進(jìn)一步擴(kuò)展，使合金的耐腐蝕性能提高。因此，影響該鈍化膜的因素均會(huì)影響其耐蝕性。目前，針對B10 銅鎳合金耐腐蝕性能的研究，主要集中在自然環(huán)境變量（ 如溫度、pH 值和鹽度等） 對小試樣腐蝕過程的影響，但是對其在實(shí)際管流狀態(tài)下耐腐蝕問題的研究比較少。本文主要通過自制的模擬人工海水管材沖刷腐蝕試驗(yàn)機(jī)，研究流動(dòng)海水中B10 銅鎳合金管材的沖刷腐蝕情況。

    1 試驗(yàn)材料與方法

    1. 1 試驗(yàn)材料

    試驗(yàn)采用國產(chǎn)B10 銅鎳合金管材作為試樣，外徑12 mm，壁厚1 mm，長80 mm。B10 銅鎳合金管材的化學(xué)成分如表1 所示。

    試驗(yàn)前，將試樣放在無水乙醇中用超聲波振蕩，去除表面的雜質(zhì)和油污。試樣清洗干凈后，在120 ℃烘箱中干燥10 min。采用FA2004N 型分析天平（ 精度為0. 1 mg） 稱量試樣試驗(yàn)前的質(zhì)量。試驗(yàn)介質(zhì)為人工配制的海水。

    1. 2 試驗(yàn)方法

    將已經(jīng)處理好的試樣安裝在自制的管材沖刷試驗(yàn)機(jī)上，設(shè)定流動(dòng)海水的流速分別為1. 5 m/s、2. 0 m/s、2. 5 m/s、3. 0 m/s 和3. 5 m/s，沖刷時(shí)間分別為12 h、24 h、48 h、96 h 和192 h。沖刷完成后用無水乙醇清洗試樣表面的雜質(zhì)。待試樣清洗干凈后，放入120 ℃的烘箱中干燥10 min。將試樣在線切割機(jī)上切割成表面積（ 與海水接觸的部分） 為1 mm2 的小試樣，對這些小試樣進(jìn)行電化學(xué)測試和微觀腐蝕形貌的觀察。

    在CHI660D 型電化學(xué)工作站上，通過三電極體系測試合金的電化學(xué)性能，飽和甘汞電極（ saturatedcalomel electrode，SCE） 作為參比電極，石墨作為輔助電極，電解質(zhì)溶液為分析純試劑配制的人工海水，試驗(yàn)溫度為室溫。交流阻抗譜的測試頻率為0. 1 Hz ～ 100 kHz，交流激勵(lì)信號幅值為5 mV，線性極化掃描速率為5 mV/s，開路電位（ open circuit potential，OCP） 測試時(shí)間為900 s。

    通過JSM-5610 型掃描電鏡觀察合金在不同條件下的微觀腐蝕形貌。

    2 結(jié)果與分析

    2. 1 腐蝕質(zhì)量損失與腐蝕速率

    圖1 為不同模擬海水流速下B10 銅鎳合金管材隨沖刷時(shí)間變化的質(zhì)量損失圖。從圖1 中可以看出： 在流動(dòng)海水流速相同的條件下，隨著沖刷時(shí)間的延長，質(zhì)量損失是不斷增大的，這是由于整個(gè)試驗(yàn)過程中合金的腐蝕反應(yīng)在持續(xù)進(jìn)行。在流動(dòng)海水中，合金的表面會(huì)有一部分金屬因與溶液中的化學(xué)物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而被沖走，也有一部分金屬通過化學(xué)反應(yīng)生成化合物附著于合金表面，從而在合金表面形成一層鈍化膜。鈍化膜能夠阻止腐蝕反應(yīng)的發(fā)生，降低合金的腐蝕速率。

    在試驗(yàn)的初始階段合金的質(zhì)量損失增長率較高，試驗(yàn)后期質(zhì)量損失增長率降低，這是因?yàn)闆_刷初期B10 銅鎳合金管材是整個(gè)裸露在人工海水中的，無任何保護(hù)措施，所以初期腐蝕得較快。但是隨著沖刷時(shí)間的延長，合金的表面逐漸形成氧化膜層即鈍化膜，降低了合金表面陰極反應(yīng)和陽極反應(yīng)的傳質(zhì)速度和電荷轉(zhuǎn)移速度，使得合金表面發(fā)生腐蝕反應(yīng)的速率降低。圖2 為不同模擬海水流速下B10 銅鎳合金管材隨沖刷時(shí)間變化的腐蝕速率圖。從圖2 可以看出： B10 銅鎳合金管材在流速為3. 0 m/s 時(shí)的腐蝕速率要比其余流速時(shí)的大，流速為1. 5 m/s 時(shí)腐蝕速率最小，所以選擇海水流速為1. 5 m/s 和3. 0 m/s時(shí)的管材進(jìn)行對比研究。

    2. 2 電化學(xué)測試

    2. 2. 1 動(dòng)電位極化行為的變化

    圖3 為在流動(dòng)人工海水中B10 銅鎳合金管材隨沖刷時(shí)間變化的動(dòng)電位極化曲線，其中，橫坐標(biāo)為電流密度的對數(shù)，縱坐標(biāo)為電位。圖3a 為B10 銅鎳合金管材在流速為1. 5 m/s 時(shí)，沖刷不同的時(shí)間后動(dòng)電位極化曲線。由圖3a 可以看出： B10 銅鎳合金管材在96 h 之前的腐蝕電位比較穩(wěn)定； 當(dāng)沖刷時(shí)間達(dá)到96 h 時(shí)，B10 銅鎳合金管材的腐蝕電位升高，此時(shí)形成了較為穩(wěn)定的腐蝕鈍化膜。圖3b 為B10 銅鎳合金管材在流速為3. 0 m/s 的海水沖刷下的動(dòng)電位極化曲線，與圖3a 不同的是，在流速3. 0 m/s 的海水沖刷192 h 后，腐蝕電位才升高，這說明在較高的流速下，B10 銅鎳合金管材的表面形成鈍化膜較晚。

    2. 2. 2 交流阻抗譜的變化

    圖4 為在人工海水流速為1. 5 m/s 和3. 0 m/s 的條件下，B10 銅鎳合金管材隨著沖刷時(shí)間的延長電化學(xué)阻抗的變化，其中，橫坐標(biāo)為阻抗的實(shí)部，縱坐標(biāo)為－ 1 倍的阻抗虛部。從圖4a 可以看出： 人工海水流速為1. 5 m/s 時(shí)，隨著沖刷時(shí)間的延長，高頻區(qū)容抗弧的半徑增大，說明隨著沖刷時(shí)間的增加，合金表面電荷轉(zhuǎn)移電阻是增大的。沖刷96 h 時(shí)，容抗弧半徑突然變大，說明此時(shí)合金的表面已經(jīng)形成較為完整的鈍化膜層。從圖4b 可以看出： 人工海水流速為3. 0 m/s 時(shí)，沖刷192 h 后，容抗弧半徑急劇增大，說明合金表面的電阻變大，腐蝕速率開始下降。

    2. 3 微觀腐蝕形貌觀察

    圖5 為B10 銅鎳合金管材在1. 5 m/s 和3. 0 m/s 流速下，隨著沖刷時(shí)間的延長，其微觀腐蝕形貌的掃描電鏡照片。其中，圖5a 和圖5b 分別為流速1. 5 m/s 和3. 0 m/s 時(shí)，試樣在人工海水中沖刷12 h 后的微觀掃描照片。從圖5a 和圖5b 中可以看出： 在流動(dòng)海水中腐蝕12 h 后，合金表面經(jīng)砂紙打磨之后的打磨條紋依然清晰。圖5c 為試樣在流速1. 5 m/s 的海水中沖刷96 h 的表面微觀形貌，從圖5c 中可以看出： 合金表面已經(jīng)形成較為完整的鈍化膜，此時(shí)的表面膜較為致密，孔隙率低。圖5d 為試樣在流速3. 0 m/s 的海水中沖刷96 h 的表面微觀形貌，隨著沖刷時(shí)間的延長，合金表面已經(jīng)有腐蝕產(chǎn)物生成并附著，但腐蝕產(chǎn)物膜并不完整。圖5e 為試樣在流速1. 5 m/s 的海水中沖刷192 h的表面微觀形貌，合金表面膜更加完整致密。圖5f 為試樣在流速3. 0 m/s 的海水中沖刷192 h 的表面微觀形貌，此時(shí)合金表面打磨劃痕已經(jīng)消失，表面形成一層致密均勻的鈍化膜，能有效降低腐蝕反應(yīng)速率。合金表面這一變化過程表明： 當(dāng)模擬海水的流速為1. 5 m/s 時(shí)，銅鎳合金初期的腐蝕速率高于后期，沖刷96 h 后開始形成鈍化膜。當(dāng)模擬海水的流速為3. 0 m/s 時(shí)，銅鎳合金腐蝕速率達(dá)到最大，并且在沖刷192 h 后才開始形成鈍化膜，但是鈍化膜很不穩(wěn)定，容易被破壞。

    3 結(jié)論

    （ 1） 當(dāng)沖刷時(shí)間相同時(shí)，B10 銅鎳合金管材的腐蝕速率隨著人工海水流速的增加而變大，但是當(dāng)人工海水流速達(dá)到3. 0 m/s 后，腐蝕速率迅速增大，合金表面破壞嚴(yán)重，有蝕坑出現(xiàn)。

    （ 2） 流速不同時(shí)鈍化膜形成時(shí)間不同。當(dāng)模擬海水的流速為1. 5 m/s 時(shí)，B10 銅鎳合金管材初期的腐蝕速率高于后期，沖刷96 h 后開始形成鈍化膜。當(dāng)模擬海水的流速為3. 0 m/s 時(shí)，B10 銅鎳合金管材腐蝕速率達(dá)到最大，并且在沖刷192 h 后才開始形成鈍化膜，但是鈍化膜很不穩(wěn)定，容易被破壞。

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責(zé)任編輯：龐雪潔

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