鋁合金流道防腐蝕技術(shù)研究概況

王 超，姚 曄，鐘劍鋒

(南京電子技術(shù)研究所， 江蘇 南京 210039)

鋁合金流道防腐蝕技術(shù)研究概況

王 超，姚 曄，鐘劍鋒

(南京電子技術(shù)研究所， 江蘇 南京 210039)

液態(tài)冷卻系統(tǒng)的性能直接影響雷達(dá)戰(zhàn)技指標(biāo)的可靠性，流道腐蝕是液態(tài)冷卻系統(tǒng)中經(jīng)常發(fā)生且難以解決的技術(shù)問題。文中從金屬腐蝕的基本機理、影響金屬腐蝕的主要因素、金屬防腐蝕的主要方法3個方面介紹流道防腐蝕技術(shù)的研究現(xiàn)狀，并列舉了相關(guān)技術(shù)在雷達(dá)液態(tài)冷卻系統(tǒng)上的應(yīng)用。最后簡單介紹了冷卻系統(tǒng)中冷卻液的成份及配比對冷卻系統(tǒng)性能的影響。

雷達(dá)；腐蝕；鋁合金；流道；冷卻液

引 言

液態(tài)冷卻系統(tǒng)是雷達(dá)總體結(jié)構(gòu)上的重要系統(tǒng)，其性能直接影響雷達(dá)戰(zhàn)技指標(biāo)的可靠性。目前，各雷達(dá)研制單位都致力于開發(fā)和生產(chǎn)性能優(yōu)異的液態(tài)冷卻系統(tǒng)，其中鋁合金流道液態(tài)冷卻系統(tǒng)最為常用和典型，但某些雷達(dá)液態(tài)冷卻系統(tǒng)隨著工作時間的增加，其鋁合金流道會發(fā)生較嚴(yán)重的腐蝕，進(jìn)而影響冷卻系統(tǒng)的冷卻效果和雷達(dá)的正常工作。因此，鋁合金流道的防腐蝕研究已經(jīng)成為許多雷達(dá)研制單位的重點攻關(guān)課題。文中從金屬腐蝕的基本機理、影響金屬腐蝕的因素和金屬防腐的主要技術(shù)等方面介紹流道防腐蝕技術(shù)研究的概況，并列舉了相關(guān)技術(shù)在雷達(dá)冷卻系統(tǒng)上的應(yīng)用。最后，還簡單介紹了冷卻液的成分及配比對冷卻系統(tǒng)性能的影響。通過對流道防腐蝕研究概況的介紹，可為后續(xù)相關(guān)研究提供有益的借鑒。

1 鋁合金腐蝕的基本機理

鋁是化學(xué)性質(zhì)很活潑的金屬，相對于飽和甘汞電極(SCE)，其平衡電極電位為-1.67V，在海水中鋁及其合金的腐蝕電位(相對SCE)較低，約為-850～-1 250 mV。在海水中，鋁及其合金的耐蝕性完全取決于氧化鋁保護膜的完好性和破裂后的修復(fù)能力。研究表明：在靜止海水中，鋁的耐蝕性與其自然腐蝕電位值存在一定的相關(guān)性。電位值越小耐腐蝕性能越好，但這類耐蝕鋁合金易遭電流腐蝕的危害，須嚴(yán)格避免與還原性較弱的金屬耦合使用。

1920年，人們首次發(fā)現(xiàn)鋁表面氧化膜的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)對基體的腐蝕具有重要影響，并對鋁表面氧化膜的結(jié)構(gòu)及其與金屬腐蝕速率之間的關(guān)系進(jìn)行了深入研究，認(rèn)為鋁及其合金的腐蝕一般分為如下4個步驟[1]：

1)活性陰離子吸附在鋁表面氧化膜上；

2)吸附的陰離子與氧化物晶格中的鋁離子發(fā)生反應(yīng)或與沉積的氫氧化鋁發(fā)生反應(yīng)；

3)溶解導(dǎo)致氧化膜厚度減?。?/p>

4)陰離子直接進(jìn)攻暴露的金屬基體(這可能是在陽極電位的輔助之下)，這個過程有時也稱為點蝕的發(fā)展階段，可能與步驟3在同一材料表面的不同位置同時進(jìn)行。其中，引起點蝕的陰離子等侵蝕性粒子在鋁表面氧化膜上的吸附反應(yīng)是一個競爭過程，它們與氫基或水分子在氧化膜表面發(fā)生競爭吸附，而水分子的吸附將導(dǎo)致鋁表面的鈍化。當(dāng)鈍化膜破壞后會發(fā)生腐蝕，主要的腐蝕形式是局部腐蝕，常見的局部腐蝕是點蝕，有時還發(fā)生晶間腐蝕和剝層腐蝕。

2 影響金屬腐蝕的主要因素

影響金屬腐蝕的因素大體上可分為內(nèi)在因素和外在因素兩方面[2]：內(nèi)在因素是金屬材料本身的問題；外在因素是指金屬所處的環(huán)境介質(zhì)對其腐蝕的影響。金屬的腐蝕速度雖然由腐蝕原電池的電極過程所決定，但各種內(nèi)在的和外界的因素又直接或間接地影響電極過程的進(jìn)行。總體來說主要有以下一些影響因素：

(1)合金成分

單相合金的腐蝕速度與合金的成份及含量間有一定的轉(zhuǎn)換規(guī)律。如果一種金屬的化學(xué)穩(wěn)定性很差，另一種穩(wěn)定性很高的金屬與它形成固熔體時，其耐蝕性能能夠提高。兩相或多相合金，由于各相金屬具有不同的電位，合金表面形成腐蝕原電池，所以一般來說，它比單相合金容易腐蝕。設(shè)計金屬結(jié)構(gòu)時, 應(yīng)盡量避免電位差別很大的金屬材料互相接觸, 以避免產(chǎn)生腐蝕原電池。如果無法避免接觸， 盡可能設(shè)計成大陽極(面積大)、小陰極，使陽極電流密度減小，可減緩腐蝕速度。

(2)變形及應(yīng)力

設(shè)備制造過程中，金屬受到冷、熱加工(如拉伸、沖壓、焊接)會變形并有一定的內(nèi)應(yīng)力，進(jìn)而加速腐蝕過程，且在許多場合下還會產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕破裂。金屬設(shè)備在交變應(yīng)力和腐蝕介質(zhì)共同作用下還會發(fā)生腐蝕疲勞。

(3)金屬表面狀態(tài)

粗糙的金屬表面比光滑的表面更容易腐蝕。因為在粗糙的金屬表面，氧到達(dá)深洼部分比到達(dá)表面部分困難，結(jié)果深洼與表面形成氧濃差電池腐蝕；粗糙表面的保護膜比光滑表面的保護膜致密性差，所以容易腐蝕；粗糙表面的實際表面積比光滑表面大，因此極化性能小。

(4)介質(zhì)pH值

pH值是金屬腐蝕的重要影響因素，且對金屬腐蝕的影響比較復(fù)雜。一般來講，金屬在非氧化性酸中，pH值降低能促使陰極的氫去極化過程的進(jìn)行，同時金屬表面膜的溶解度也增加，所以加速金屬的腐蝕。但在氧化性酸中，酸的濃度提高又會使金屬鈍化而降低腐蝕速度。

(5)溶解鹽及鹽濃度

溶于水中的鹽對金屬腐蝕過程的影響往往較復(fù)雜。一般情況下，隨溶解鹽濃度增加，溶液導(dǎo)電率增加，氧的溶解度減小，使金屬的保護膜遭到破壞，進(jìn)而腐蝕速度增大。另外，某些鹽類水解后，使溶液的pH值發(fā)生變化，進(jìn)而對腐蝕過程產(chǎn)生影響。

(6)溫度

一般情況下溫度升高會使電化學(xué)腐蝕加速。因為溫度升高增加了反應(yīng)速度，加速溶液對流，使?jié)舛葮O化降低，但在80 ℃以上時氧的溶解度降低，對于開口設(shè)備會減少腐蝕。

(7)壓力

壓力增加常常使金屬的腐蝕速度增大，這主要是因為參與電化學(xué)過程的氣體的溶解度隨著壓力增加而增大的緣故。特別是在氧去極化過程的情況下，壓力對金屬腐蝕的影響尤為突出，在高壓鍋爐內(nèi)，系統(tǒng)中只要有很少一點氧，就會引起劇烈的腐蝕。

(8)溶液運動速度

一般情況下，溶液運動速度的增加會引起腐蝕速度的增大。因為溶液的流度增加，加強了物質(zhì)的擴散與對流，同時也加強了腐蝕產(chǎn)物的去除，可能會破壞金屬保護膜。

3 金屬防腐蝕的基本技術(shù)

為了延長金屬材料的使用壽命，增強設(shè)備的可靠性，現(xiàn)在通常采用的防腐技術(shù)有：防腐涂層技術(shù)、外加電流保護陰極法和犧牲陽極保護陰極法，也有一些采用新型包覆防腐技術(shù)進(jìn)行防腐。

3.1 防腐涂層技術(shù)

防腐涂層技術(shù)是普遍使用的防腐方法。日常生活中所能接觸到的絕大部分設(shè)施設(shè)備，無論是否采用其他防腐方法，基本都會涂上防腐涂層。所謂防腐涂層就是將涂層材料涂裝于物體表面，結(jié)成具有保護、裝飾或其他特種功能的薄膜。涂層材料的防腐機理主要有以下3種[3]：

1)涂層對腐蝕介質(zhì)的屏蔽作用。當(dāng)防腐涂層在金屬表面形成連續(xù)的涂膜以后，可將金屬和腐蝕介質(zhì)隔離開。根據(jù)電化學(xué)腐蝕原理，如果能完全將腐蝕介質(zhì)、氧氣隔離，并保證不和金屬接觸，就可避免金屬的腐蝕。

2)涂膜的陰極保護作用。有機高分子聚合物一般都是絕緣體，如果在成膜物質(zhì)中加入能成為犧牲陽極材料的金屬顏料，當(dāng)金屬顏料和金屬表面直接接觸，有腐蝕介質(zhì)滲入后，金屬顏料被腐蝕，可以保護金屬。例如富鋅底漆中的顏料為金屬鋅的粉末，將其涂刷在鋼板上時，鋅可作為犧牲陽極。

3)涂料的陽極鈍化和緩蝕作用。涂料中含有水溶性顏料，當(dāng)水滲入涂膜后，顏料溶解會使金屬表面緩蝕或鈍化。

防腐涂層具有價格便宜、施工簡單、適應(yīng)性好和外形美觀等優(yōu)點。若采用合適的涂層和精良的施工工藝，就能達(dá)到很好的防腐效果。因此涂層防腐在防腐方法中應(yīng)用最廣泛，圖1為涂層防腐技術(shù)在雷達(dá)冷卻系統(tǒng)上的典型應(yīng)用。不過涂層防腐也有不足之處，如保護時間較短、施工周期較長，且某些涂料有一定毒性、刺激性氣味和易燃易爆性。另外，涂層防腐的后期維護比較麻煩，尤其是水下和高空維護。

圖1 涂層防腐技術(shù)在雷達(dá)冷卻系統(tǒng)上的應(yīng)用

3.2 陰極保護法

陰極保護法可分為犧牲陽極保護法和外加電流保護法[4-5]。該方法廣泛應(yīng)用于橋梁、碼頭、船舶、海底油氣管道和其他海洋結(jié)構(gòu)物上，是長期有效的防腐技術(shù)。

(1)犧牲陽極保護陰極法

犧牲陽極保護陰極法是將還原性較強的金屬作為保護極，與被保護金屬相連進(jìn)而構(gòu)成原電池，還原性較強的金屬將作為負(fù)極發(fā)生氧化反應(yīng)而被消耗，被保護的金屬作為正極避免了腐蝕。該法是一種較古老的防止金屬腐蝕的方法，早在1824年英國的Davy 就提出用鋅塊來保護船舶，以后逐步推廣到港灣設(shè)施、地下管道和化工機械設(shè)備等方面，圖2所示為應(yīng)用在太陽能熱水器不銹鋼搪瓷內(nèi)膽上的犧牲陽極保護陰極技術(shù)。

圖2 太陽能熱水器內(nèi)膽上的犧牲陽極防腐技術(shù)[4]

犧牲陽極法的電流分布均勻，利用率高，施工方便，不干擾附近的金屬設(shè)施，不需要附加設(shè)備和專門人員管理。但是該法的保護電流不可調(diào)，投產(chǎn)調(diào)試工作復(fù)雜，不適合高電阻率環(huán)境，且犧牲陽極會不斷被消耗，需要定期更換。因此這種方法較適用于局部保護的場合。

(2)外加電流保護陰極法

如圖3所示，外加電流保護陰極法是利用電化學(xué)腐蝕的原理，由連接外部直流電源的陽極直接向被保護的金屬施加陰極電流，這樣金屬表面就會富集電子。通過控制電位或電流密度使金屬發(fā)生陰極極化，降低甚至完全抑制水下部位的金屬腐蝕。

圖3 外加電流保護陰極法原理圖

3.3 優(yōu)化工藝

(1)結(jié)構(gòu)設(shè)計與焊接方法優(yōu)化

制定焊接工藝時，應(yīng)減少焊縫交叉進(jìn)而避免局部應(yīng)力集中；多層多道焊縫應(yīng)相互錯開；焊縫接頭應(yīng)避免Y形連接；保留適當(dāng)?shù)暮缚p余高或徹底去除余高。為避免縫隙腐蝕和便于表面處理，應(yīng)盡量采用對接焊和連續(xù)焊，避免搭接焊和間斷焊。焊接過程中應(yīng)保證焊縫質(zhì)量和平滑度，避免縫隙腐蝕。

(2)焊接工藝優(yōu)化

合理選擇焊絲和焊條，使焊縫熔敷金屬與母材的化學(xué)成分和機械性能相似，避免因焊縫金屬與母材電位差較大，進(jìn)而產(chǎn)生雙金屬腐蝕。同時應(yīng)嚴(yán)格規(guī)定焊接電流、焊接速度，使焊接路徑上各位置的受熱量相差不大。焊前對厚板(>34 mm)進(jìn)行預(yù)熱，焊后立即進(jìn)行熱處理以消除焊接殘余應(yīng)力，減少在特定環(huán)境下產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕的風(fēng)險。

(3)焊接表面清理及預(yù)涂裝

焊縫附近的表面不再平整且車間底漆已被破壞，因此需清理焊縫處鋼結(jié)構(gòu)的表面并加強焊縫預(yù)涂裝。

(4)涂裝工藝優(yōu)化

主要通過加強預(yù)涂裝、控制噴嘴口徑與噴幅及濕膜現(xiàn)場檢驗等方法來優(yōu)化涂裝工藝。

3.4 優(yōu)化結(jié)構(gòu)

通過合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計可以有效地減緩金屬結(jié)構(gòu)的腐蝕，提高其使用壽命。表1列出了優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計時的基本著眼點及各自克服的材料腐蝕類型[6]。

表1 優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本方法

圖4為雷達(dá)冷卻系統(tǒng)上冷板結(jié)構(gòu)的水道貫通口的優(yōu)化設(shè)計方案，使水道截面漸變過渡，避免了流道截面發(fā)生突變進(jìn)而控制了流道的湍流腐蝕。

圖4 水道貫通口形式優(yōu)化

4 冷卻液的成份與配比對冷卻系統(tǒng)性能的影響

冷卻液的成份及配比對冷卻系統(tǒng)的冷卻及防腐性能的影響較為顯著。如采用乙二醇和丙二醇混合的冷卻液[7]，在中低溫度下由于黏度大、流速低，其換熱系數(shù)明顯低于水和乙二醇混合的冷卻液，起到隔熱作用，可減少暖機時間。增加乙二醇的比例，可以增強換熱能力。乙二醇和丙二醇混合液的沸點高，換熱平均，熱平衡能力強，且可改善傳統(tǒng)冷卻系統(tǒng)氣化、氣蝕、氣阻、水垢、生銹等問題。中國石油大連潤滑油研究開發(fā)中心研制開發(fā)的硅酸鹽(緩蝕劑)型汽車?yán)鋮s液對于鋁合金材料具有優(yōu)異的防腐蝕性能[8]。

5 結(jié)束語

鋁合金流道防腐蝕技術(shù)是雷達(dá)工業(yè)中重點關(guān)注的研究課題，徹底解決該問題還需一段時間深入的技術(shù)攻關(guān)。目前，國內(nèi)的研究單位如中國科學(xué)院金屬研究所、中國科學(xué)院海洋研究所等單位在金屬防腐蝕研究方面具有較強的科研實力，因此產(chǎn)學(xué)研結(jié)合不失為解決雷達(dá)液態(tài)冷卻系統(tǒng)鋁合金流道防腐蝕問題的一種好方法。文中詳細(xì)介紹了鋁合金等金屬材料腐蝕的基本機理、影響金屬腐蝕的主要因素、防腐蝕的基本技術(shù)等內(nèi)容，并簡單介紹了冷卻液的配方對冷卻系統(tǒng)散熱、防腐性能的影響，可為后續(xù)相關(guān)研究提供便利。

[1] 張正. 飛行器用鋁合金大氣腐蝕的電化學(xué)監(jiān)測研究[D]. 天津: 天津大學(xué), 2007.

[2] 紀(jì)大偉. 管道內(nèi)壁腐蝕監(jiān)測技術(shù)研究[D]. 大連: 大連理工大學(xué), 2010.

[3] 王華飛, 李德堂, 史陸將. 舟山群島新區(qū)海洋防腐現(xiàn)狀分析及展望[J]. 中國水運, 2013, 13(1): 70-72.

[4] 趙杰, 賀勝民, 趙積紅. 電子防腐在太陽能熱水器中的應(yīng)用設(shè)計[J]. 全面腐蝕控制, 2009, 23(3): 61-65.

[5] 趙杰, 賀勝民, 劉春喜. 嵌入電子防腐功能的太陽能控制系統(tǒng)設(shè)計[J]. 全面腐蝕控制, 2011, 25(1): 35-37.

[6] 武川哲也. 防腐結(jié)構(gòu)設(shè)計[J]. 化學(xué)工業(yè)與工程, 1991, 9(1): 55-61.

[7] 孫飛, 左承基. 發(fā)動機不同成分冷卻液對冷卻性能的影響[J]. 合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報: 自然科學(xué)版, 2011, 34(2): 1795-1798.

[8] 包華輝, 朱天一, 孫旭日. 硅酸鹽型汽車?yán)鋮s液的研制[J]. 潤滑油, 2009, 24(3): 32-36.

王 超(1984-)，男，博士，主要研究方向為大型陣面結(jié)構(gòu)系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)。

Research Survey of Corrosion Resistance Techniques for Aluminum Alloy Flow Channel

WANG Chao，YAO Ye，ZHONG Jian-feng

(NanjingResearchInstituteofElectronicsTechnology，Nanjing210039,China)

The performance of liquid cooling system directly affects the reliability of radar tactical and technical indexes. The corrosion of flow channels is frequently occurred and is difficult to solve. The mechanism and influence factors of metal corrosion and some corrosion resistance techniques are introduced to describe the research status of flow channel corrosion resistance, and then some corrosion resistance applications in radar cooling system are listed. Finally, the effects of ingredient and proportion of coolant on the performance of the cooling system are briefly described.

radar; corrosion; aluminum alloy; flow channel; coolant

2013-11-13

國防基礎(chǔ)科研重點項目(JCKY2013210B004)

TG178

A

1008-5300(2014)02-0001-04