6061鋁合金在高溫流動(dòng)海水中的腐蝕行為

韓東銳，韓冰，隋景堂，董彩常

（鋼鐵研究總院 青島海洋腐蝕研究所，山東 青島 266071）

6XXX鍛鋁系列合金是最重要的鋁合金之一，具有良好的可成形性、可焊接性、可機(jī)加工性，同時(shí)具有中等強(qiáng)度，廣泛應(yīng)用于要求有一定強(qiáng)度的各種工業(yè)結(jié)構(gòu)件[1—2]。

6061 鋁合金屬于 Al-Mg-Si 系合金，Al-Mg-Si固熔體的電極電位為-0.81 V[3]，很接近純鋁的電極電位。由于Mn 的加入形成電極電位和純鋁幾乎一致的化合物MnCl6，因此，6061 鋁合金耐大氣腐蝕性能類似于工業(yè)純鋁，該合金耐淡水和海水腐蝕[4]。

1 試驗(yàn)

1.1 浸泡試驗(yàn)

將6061 鋁合金制成70 mm×40 mm 的試樣，投放在燒杯中，介質(zhì)為青島海域的海水，試驗(yàn)周期為35 d。選擇試驗(yàn)溫度為32，80 ℃，每種溫度下取3個(gè)平行樣，通過水浴槽恒定溫度。采用焊接導(dǎo)線定期測量腐蝕電位。

試驗(yàn)結(jié)束后，觀察材料表面的腐蝕情況，去除腐蝕產(chǎn)物，計(jì)算腐蝕率。繪制腐蝕電位隨時(shí)間的變化曲線，分析腐蝕電位隨時(shí)間的變化情況。

1.2 點(diǎn)蝕電位測試[5]

將6061 鋁合金制成10 mm×10 mm 的試樣，非試驗(yàn)面焊接導(dǎo)線，用環(huán)氧樹脂封裝于PVC管中，固化后用砂紙由粗到細(xì)順次打磨至1200＃砂紙，用酒精擦拭試驗(yàn)面后放入電解池中。介質(zhì)為青島小麥島海水，試驗(yàn)溫度分別為25，80 ℃，鉑電極為輔助電極，甘汞電極為參比電極。

浸泡30 min 后，由自腐蝕電位開始進(jìn)行陽極極化，掃描速度為20 mV/min，當(dāng)電流密度為1 mA/cm2時(shí)試驗(yàn)結(jié)束，將電流密度為100 μA/cm2時(shí)的電位定義為材料的點(diǎn)蝕電位。

1.3 流動(dòng)海水模擬試驗(yàn)

6061 鋁合金管路共3 件，編號為1＃，2＃，3＃。管路內(nèi)通清潔無污染的海水，海水溫度為（80±1）℃，海水流量為12.8 t/h。以24 h為1個(gè)試驗(yàn)周期，每周期內(nèi)通水時(shí)間為1 h，間隔時(shí)間為23 h。試驗(yàn)分為3個(gè)階段，每階段累積通水時(shí)間為500 min，即1＃通水時(shí)間為500 min，2＃通水時(shí)間為1 000 min，3＃通水時(shí)間為1 500 min。試驗(yàn)結(jié)束后，剖開1＃，2＃，3＃管路，觀察內(nèi)流道腐蝕、結(jié)垢情況。

整個(gè)試驗(yàn)過程中要求各接口處不允許出現(xiàn)漏水現(xiàn)象，管路內(nèi)的海水在停止通水后可自然排空。

2 結(jié)果和討論

2.1 浸泡試驗(yàn)結(jié)果

圖 1 是 6061 鋁合金分別在 32，80 ℃海水中 35 d的腐蝕形貌。6061 鋁合金在32 ℃海水中腐蝕更為嚴(yán)重；在80 ℃海水中，6061 鋁合金保持了與未試驗(yàn)材料接近的光澤。去除腐蝕產(chǎn)物后計(jì)算腐蝕率，6061 鋁合金在32 ℃海水中腐蝕率為0.026 mm/a，在80 ℃海水中為0.001 mm/a。

圖1 不同海水溫度下6061鋁合金浸泡35 d后的腐蝕形貌Fig. 1 Corrosion morphology of 6061 after 35 d immersion in different temperature seawater

由圖2可以看出，鋁合金浸泡于海水中，80 ℃時(shí)自腐蝕電位負(fù)于32 ℃時(shí)的腐蝕電位，初始電位負(fù)約300 mV（vs.SCE，后同），隨浸泡時(shí)間延長，電位波動(dòng)較大，可見6061 鋁合金浸泡于80 ℃海水中，其表面經(jīng)歷不斷形成鈍化膜和鈍化膜點(diǎn)蝕的過程。在32 ℃海水中，電位較穩(wěn)定，約在-700～-750 mV之間。

圖2 不同海水溫度下6061 鋁合金浸泡35 d 后腐蝕電位的變化Fig. 2 Variations of corrosion potential after 35 d immersion in different temperature seawater

2.2 點(diǎn)蝕電位測試結(jié)果

圖3 是鋁合金在室溫海水中的陽極極化曲線。根據(jù)定義，鋁合金在室溫海水中的點(diǎn)蝕電位為-0.634 V，如圖3 所示。在80 ℃海水中自腐蝕電位不穩(wěn)定，無法獲得其陽極極化曲線，求得點(diǎn)蝕電位。不過，從其自腐蝕電位隨時(shí)間變化的曲線可以看出鋁合金表面鈍化-活化過程反復(fù)交替進(jìn)行，鈍化膜形成時(shí)其電位約為-0.600 V，鈍化膜破裂時(shí)其電位約為-1.08 V，交替變化，如圖4所示。

圖3 6061鋁合金在室溫海水中點(diǎn)蝕電位測量曲線Fig.3 Pitting potential of 6061 in room temperature sea water

圖4 6061鋁合金在80 ℃海水中自腐蝕電位變化曲線Fig.4 Corrosion potential of 6061 in 80 ℃sea water

2.3 模擬試驗(yàn)腐蝕形貌

模擬試驗(yàn)完成后，用線切割的方法切開試驗(yàn)管路，觀察內(nèi)流道的腐蝕形貌照片（如圖5 所示）。由圖5可以看出，經(jīng)歷500 min試驗(yàn)的管路表面有點(diǎn)蝕發(fā)生，沉積了一層紅褐色的鐵銹，銹層未完全覆蓋，部分區(qū)域可看到鋁合金基體；經(jīng)歷1 000 min試驗(yàn)的管路表面無點(diǎn)蝕，沉積銹層較經(jīng)歷500 min試驗(yàn)的管路??；經(jīng)歷1 500 min 試驗(yàn)的管路，其整個(gè)剖面觀察到2 個(gè)蝕點(diǎn)，銹層沉積程度與經(jīng)歷1 000 min 試驗(yàn)的冷卻面板差別不大。

分析原因發(fā)現(xiàn)，加熱水浴槽內(nèi)壁為碳鋼涂塑材料，在高溫海水的作用下發(fā)生腐蝕，導(dǎo)致管路內(nèi)部產(chǎn)生紅褐色鐵銹。試驗(yàn)正式開始前，試驗(yàn)設(shè)備幾經(jīng)改進(jìn)，使用1＃管路驗(yàn)證試驗(yàn)設(shè)備效果，結(jié)果是1＃管路在一段時(shí)間內(nèi)海水未排空，這是經(jīng)歷500 min試驗(yàn)的冷卻面板反而發(fā)生較嚴(yán)重點(diǎn)蝕的原因。

80 ℃的流動(dòng)海水在較長時(shí)間內(nèi)并未導(dǎo)致管路內(nèi)流道點(diǎn)蝕，而短期內(nèi)的常溫沉積水卻引起了大范圍的點(diǎn)蝕發(fā)生。因此工作過程中，管路使用結(jié)束后，內(nèi)流道冷卻水的排空對防腐蝕至關(guān)重要。

2.4 微觀腐蝕形貌

圖6 是內(nèi)流道的微觀腐蝕形貌。圖7 是去除腐蝕產(chǎn)物后的微觀形貌，圖7a中，冷卻面板已經(jīng)全面出現(xiàn)點(diǎn)蝕萌芽，圖7b 和圖7c 中金屬基體仍保持完好，原因如前文所述。

圖5 不同試驗(yàn)時(shí)間內(nèi)流道腐蝕形貌照片F(xiàn)ig.5 Corrosion morphology of internal flow channel with different time

圖6 不同試驗(yàn)時(shí)間內(nèi)流道微觀形貌Fig.6 Microscopic morphology of internal flow channel with different time

圖7 去除腐蝕產(chǎn)物后不同試驗(yàn)時(shí)間內(nèi)流道的腐蝕微觀形貌Fig.7 Microscopic morphology of internal flow channel with different time after removing corrosion products

圖8 是內(nèi)流道沉積物的成分分析。從圖8 中可以看出，表面的主要成分是鐵的氧化物，由于鐵銹沉積層很薄且并未完全覆蓋住鋁基體，因此圖8 中基體的峰最強(qiáng)。

圖8 內(nèi)流道沉積物成分分析Fig.8 Composition analysis of deposition on internal flow channel

3 結(jié)論

1）在80 ℃海水中，6061鋁合金表面鈍化-活化過程反復(fù)交替進(jìn)行，鈍化膜形成時(shí)其電位約為-0.600 V，鈍化膜破裂時(shí)其電位約為-1.08 V，交替變化，自腐蝕電位不穩(wěn)定。

2）80 ℃的流動(dòng)海水在較長時(shí)間內(nèi)并未導(dǎo)致試驗(yàn)管路內(nèi)流道點(diǎn)蝕，而短期內(nèi)的常溫沉積水卻引起了大范圍的點(diǎn)蝕發(fā)生。管路使用結(jié)束后，內(nèi)流道冷卻水的排空對防腐蝕至關(guān)重要。

3）內(nèi)流道沉積物成分分析表明，表面的主要成分是鐵的氧化物。

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[5]GB/T 17899—1999，不銹鋼點(diǎn)蝕電位測量方法[S].