鋁合金犧牲陽(yáng)極材料的研究進(jìn)展

孫明先，馬力，張海兵，閆永貴，劉少通

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鋁合金犧牲陽(yáng)極材料的研究進(jìn)展

孫明先，馬力，張海兵，閆永貴，劉少通

（中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七二五研究所 海洋腐蝕與防護(hù)國(guó)防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266237）

論述了鋁合金犧牲陽(yáng)極材料的發(fā)展歷程，闡述了適用于不用環(huán)境的鋁合金犧牲陽(yáng)極研發(fā)情況，綜述了鋁合金犧牲陽(yáng)極的幾種活化溶解理論，對(duì)影響陽(yáng)極電化學(xué)性能的因素進(jìn)行了探討，分析了鋁合金犧牲陽(yáng)極材料技術(shù)目前存在的問(wèn)題，并展望了鋁合金犧牲陽(yáng)極未來(lái)的發(fā)展方向。常規(guī)海水環(huán)境的犧牲陽(yáng)極材料已發(fā)展得較為成熟，特殊工況環(huán)境的犧牲陽(yáng)極尚有待進(jìn)一步開(kāi)發(fā)和完善。

犧牲陽(yáng)極；鋁合金；電化學(xué)性能；活化機(jī)理

海洋環(huán)境是苛刻的腐蝕環(huán)境，海洋構(gòu)筑物在服役過(guò)程中不可避免會(huì)遭受海水腐蝕。腐蝕不僅會(huì)縮短海洋構(gòu)筑物的服役壽命，造成顯著的經(jīng)濟(jì)損失，還直接影響其安全性和可靠性，甚至引發(fā)突發(fā)性事故，導(dǎo)致人員傷亡，威脅環(huán)境和生態(tài)。犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù)法是海洋構(gòu)筑物常用的腐蝕防護(hù)方法，具有簡(jiǎn)單可靠、成本低、免維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，其保護(hù)效果和犧牲陽(yáng)極材料密切相關(guān)。

目前發(fā)展較為成熟的犧牲陽(yáng)極材料主要分為四大類(lèi)，包括鎂合金、鋅合金、鋁合金及鐵合金。上述不同材料的陽(yáng)極適用于不同的服役環(huán)境，其中鎂合金陽(yáng)極主要應(yīng)用于土壤和淡水環(huán)境，鋅合金陽(yáng)極和鋁合金陽(yáng)極應(yīng)用于海水環(huán)境，鐵合金陽(yáng)極主要是針對(duì)銅合金海水管路的防腐需求研發(fā)的，目前已廣泛應(yīng)用于海軍艦船海水管路系統(tǒng)的腐蝕防護(hù)中。鋁陽(yáng)極由于密度低、電容量大、原料易得等優(yōu)勢(shì)，在海洋構(gòu)筑物的防腐領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，取得了良好的保護(hù)效果。

目前海洋開(kāi)發(fā)事業(yè)發(fā)展迅速，我國(guó)已建成和正在興建的海上平臺(tái)、港工碼頭、海底管道等基礎(chǔ)設(shè)施眾多，這些設(shè)施常采用鋁合金犧牲陽(yáng)極進(jìn)行腐蝕控制，年需求量巨大。如海上平臺(tái)導(dǎo)管架橋墩保護(hù)用的陽(yáng)極質(zhì)量達(dá)500 kg/支，一座平臺(tái)用量可達(dá)500多支，需要量近300 t。海上大橋的鋼樁陰極保護(hù)所需鋁合金犧牲陽(yáng)極數(shù)量也非?？捎^，如東海大橋使用的陽(yáng)極達(dá)2000多支，質(zhì)量達(dá)幾千噸。我國(guó)每年出口的陽(yáng)極數(shù)量近萬(wàn)噸，按2.5萬(wàn)元/t計(jì)，可獲得上億的產(chǎn)值。因此，鋁合金犧牲陽(yáng)極具有極大的市場(chǎng)需求。近年來(lái)，隨著深海資源的開(kāi)發(fā)和北極航道的開(kāi)通，以及海洋工程裝備輕量化的發(fā)展，對(duì)犧牲陽(yáng)極材料提出了新的要求。文中概述了鋁合金犧牲陽(yáng)極材料的發(fā)展過(guò)程，綜述了鋁陽(yáng)極的活化溶解機(jī)理，并分析了影響陽(yáng)極工作性能的合金成分及雜質(zhì)元素，指出了鋁合金犧牲陽(yáng)極材料技術(shù)目前存在的問(wèn)題，以期為鋁合金犧牲陽(yáng)極材料的發(fā)展提供參考。

1 鋁合金犧牲陽(yáng)極材料的發(fā)展

純鋁因表面易產(chǎn)生致密的氧化膜而使得其電極電位較正，不能作為犧牲陽(yáng)極材料使用[1]。需要通過(guò)添加微量元素進(jìn)行合金化，限制或阻止鋁表面形成連續(xù)致密的氧化膜，使得鋁合金持續(xù)活化溶解，實(shí)現(xiàn)對(duì)被保護(hù)結(jié)構(gòu)的保護(hù)作用[2-3]。20世紀(jì)60年代，J.T.Reding等系統(tǒng)研究了元素周期表中大部分元素對(duì)鋁合金電極電位的影響[4]，為鋁陽(yáng)極后續(xù)開(kāi)發(fā)工作提供了重要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

鋁合金犧牲陽(yáng)極由基本的二元合金開(kāi)始發(fā)展，但由于二元合金電流效率偏低，不能滿足實(shí)際應(yīng)用的需要，于是在鋁合金中再加入Hg，In，Sn，Mg等元素提升其組分?jǐn)?shù)量，通過(guò)其結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的改變使陽(yáng)極的性能持續(xù)獲得改進(jìn)和提升。由此開(kāi)發(fā)出多種新型材料，其中電位能夠穩(wěn)定處于工作要求區(qū)間且具有高電流效率的有Al-Zn-Hg，Al-Zn-Sn，Al-Zn-In系合金。Al-Zn-Hg系陽(yáng)極電流效率高，溶解均勻，但因環(huán)保問(wèn)題，該系陽(yáng)極已被大多數(shù)國(guó)家和組織禁止使用[5]。Al-Zn-Sn系陽(yáng)極長(zhǎng)期工作性能不佳，且須進(jìn)行熱處理，使得熔煉成本升高，因此也逐漸被淘汰。目前海洋環(huán)境應(yīng)用最為廣泛的是Al-Zn-In系合金陽(yáng)極[6-9]。為了進(jìn)一步提升陽(yáng)極性能，在Al-Zn-In合金的基礎(chǔ)上，不斷調(diào)整合金元素的種類(lèi)以及添加比例，形成了一系列的犧牲陽(yáng)極材料。鋁陽(yáng)極的發(fā)展大致經(jīng)歷了三個(gè)階段，由常規(guī)鋁陽(yáng)極到高效鋁陽(yáng)極，再到近期針對(duì)特殊工作環(huán)境而研發(fā)的新型犧牲陽(yáng)極。

常規(guī)鋁陽(yáng)極是指電容量≥2400 A·h/kg的陽(yáng)極材料，主要有Al-Zn-In，Al-Zn-In-Cd，Al-Zn-In-Si，Al-Zn-In-Sn，Al-Zn-In-Sn-Mg等[10-13]。為更好地優(yōu)化陽(yáng)極性能，獲得更長(zhǎng)的服役期限，在原有基礎(chǔ)上研發(fā)了電容量提升至超過(guò)2600 A·h/kg的高效鋁陽(yáng)極，目前已發(fā)展有Al-Zn-In-Mg-Ti，Al-Zn-In-Mg-Ga-Mn等。上述陽(yáng)極在全浸海水環(huán)境中均表現(xiàn)出極佳的工作性能。含Cd陽(yáng)極因環(huán)保問(wèn)題已基本被淘汰，含Sn陽(yáng)極通常需要進(jìn)行熱處理，應(yīng)用也相對(duì)較少。Al-Zn-In-Si陽(yáng)極適合工作于海泥環(huán)境，主要針對(duì)海底管線的腐蝕防護(hù)。海洋工程中應(yīng)用最為廣泛的則是Al-Zn-In系陽(yáng)極和Al-Zn-In-Mg-Ti高效陽(yáng)極。

近年來(lái)，主要是針對(duì)干濕交替環(huán)境、深海環(huán)境、淡海水環(huán)境等特殊環(huán)境，或?qū)σ讱浯嗟扔刑厥庑枨蟮牟牧习l(fā)展了一系列特種陽(yáng)極。

1）干濕交替環(huán)境高活化犧牲陽(yáng)極。干濕交替環(huán)境主要指潛艇上層建筑或位于海洋潮汐帶的鋼構(gòu)件等，因服役需求或潮位漲落而處于干濕交替的狀態(tài)，結(jié)構(gòu)表面因介質(zhì)鹽濃度的增加以及溶解氧的充分?jǐn)U散腐蝕更為苛刻。常規(guī)陽(yáng)極在這種干濕交替環(huán)境中，腐蝕產(chǎn)物不容易脫落，而是結(jié)殼粘附于表面，阻礙了陽(yáng)極繼續(xù)活化溶解，致使陽(yáng)極提前失效。為解決上述問(wèn)題，中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七二五研究所通過(guò)加入Mg，Ga，Mn等活化元素，開(kāi)發(fā)了高活化犧牲陽(yáng)極材料[14-16]，目前已形成企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。該陽(yáng)極在干濕交替條件下表現(xiàn)出良好的活化性能，從干態(tài)浸入水中后，可快速活化溶解，在1:1的干濕交替條件下工作電位為-1.10 V，電流效率大于85%，腐蝕產(chǎn)物易脫落，目前已在我海軍艦船中得到了廣泛應(yīng)用。

2）淡海水環(huán)境高負(fù)電位犧牲陽(yáng)極。淡海水主要是指江河入?？诟浇娮栎^高的環(huán)境，因其氯離子含量低，要求陽(yáng)極活性較強(qiáng)。通過(guò)添加Zn，In，Sn，Mn，Bi等合金元素，研制了高負(fù)電位鋁合金犧牲陽(yáng)極。該陽(yáng)極工作電位負(fù)于-1.40 V(vs.SCE)，實(shí)際電容量≥2175 A·h/kg，表面活性高，溶解均勻，可用于江河入海口的港工設(shè)施的腐蝕防護(hù)[17-18]。

3）深海犧牲陽(yáng)極。深海具有高壓、低溫、低溶解氧等特點(diǎn)，材料腐蝕行為與水面環(huán)境不同。常規(guī)的犧牲陽(yáng)極在深海環(huán)境中局部腐蝕溶解嚴(yán)重，電流效率大幅度降低，無(wú)法對(duì)深海設(shè)施提供持續(xù)有效保護(hù)[19]。針對(duì)深海環(huán)境特點(diǎn)，在Al-Zn-In三元合金的基礎(chǔ)上，通過(guò)添加Mg，Ti，Ga，Mn等合金元素，利用合金元素間的復(fù)合活化作用，獲得其在深海中的高活化性能，研制出深海鋁合金犧牲陽(yáng)極材料[20]。該陽(yáng)極在模擬600 m深海環(huán)境中的工作電位為-1.05~-1.15 V，電流效率大于90%，溶解性能良好，可用于深海環(huán)境各類(lèi)金屬構(gòu)件的腐蝕防護(hù)[21]。

4）低電位犧牲陽(yáng)極。在鋁合金犧牲陽(yáng)極的發(fā)展歷程中，無(wú)論是從陽(yáng)極成分上還是熱處理工藝上，人們一直在致力于開(kāi)發(fā)開(kāi)路電位和工作電位均比較負(fù)（負(fù)于-1.05 V），電流效率高的鋁合金犧牲陽(yáng)極。直到20世紀(jì)80年代，美國(guó)海軍實(shí)驗(yàn)室證實(shí)UNS G43406高強(qiáng)鋼失效是由陰極保護(hù)引起的氫脆造成的，由此引發(fā)了人們對(duì)傳統(tǒng)犧牲陽(yáng)極材料可能導(dǎo)致高強(qiáng)鋼氫脆這一問(wèn)題的重視，進(jìn)而推動(dòng)了低驅(qū)動(dòng)電位犧牲陽(yáng)極的開(kāi)發(fā)。1996年，美法海軍率先開(kāi)展研究，以Ga為活化元素開(kāi)發(fā)了AG系列的低驅(qū)動(dòng)電位犧牲陽(yáng)極，工作電位為-700~-870 mV。2002年，美國(guó)海軍試驗(yàn)室對(duì)該陽(yáng)極進(jìn)行了長(zhǎng)時(shí)間的實(shí)海性能研究。盡管其保護(hù)電位能夠滿足高強(qiáng)鋼的防護(hù)需求，但無(wú)法有效溶解，局部腐蝕溶解嚴(yán)重。中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七二五研究所在Al-Ga二元合金的基礎(chǔ)上，通過(guò)引入硅和鋅，改善了犧牲陽(yáng)極的溶解能力，開(kāi)發(fā)出電位處于要求范圍、溶解相對(duì)均勻、電流效率高的低電位犧牲陽(yáng)極材料，已在高強(qiáng)鋼、不銹鋼及鈦合金等氫脆敏感材料的腐蝕防護(hù)中得到應(yīng)用[22-23]。

2 鋁合金犧牲陽(yáng)極活化機(jī)理

為獲得性能優(yōu)異的鋁合金犧牲陽(yáng)極材料，自鋁合金犧牲陽(yáng)極誕生之日起，人們就在致力于探清鋁合金犧牲陽(yáng)極的活化溶解機(jī)理。因此在研究合金元素對(duì)鋁的活化作用的基礎(chǔ)上，形成了不同的理論，可分別解釋不同元素的活化作用機(jī)理，但至今未有統(tǒng)一定論，主要有以下幾種理論。

1）溶解-再沉積機(jī)理。該理論是在研究Al-Zn-Hg 系合金溶解過(guò)程中，利用電化學(xué)方法和顯微組織觀察，得出的被較為普遍接受的活化理論[24]。活化過(guò)程分以下三步。

第一步：鋁及固溶體中的其他金屬組分被氧化生成陽(yáng)離子（M代表Zn， Sn， Ga， In， Hg等元素），Al(M)→Al3++ M++(+3)e。

第二步：合金金屬離子電勢(shì)比鋁高，因而發(fā)生離子交換反應(yīng)：3M++Al→Al3++3M。

第三步：陰極性陽(yáng)離子M+回沉，鋁氧化膜部分脫落，合金電位負(fù)移，陽(yáng)極溶解得以繼續(xù)進(jìn)行（與第二步同時(shí)進(jìn)行）。

這種理論能夠較好地解釋為何腐蝕從活化點(diǎn)開(kāi)始擴(kuò)展。該理論認(rèn)為只有固溶于鋁基體的合金元素才能起到活化作用。另外，該機(jī)理是一種自催化機(jī)理，無(wú)法有效說(shuō)明導(dǎo)致鋁陽(yáng)極電流效率降低的因素。

2）第二相優(yōu)先脫落。對(duì)Al-Zn-In陽(yáng)極進(jìn)行電子探針觀察，發(fā)現(xiàn)摻雜有In，Si，F(xiàn)e，Cu的第二相分布于合金結(jié)構(gòu)中。溶解過(guò)程中，該相因活性最強(qiáng)而優(yōu)先溶解，此時(shí)鋁基體暴露于介質(zhì)中，與表層氧化膜組成電位差較大的局部陰陽(yáng)極，導(dǎo)致鋁元素氧化脫落。當(dāng)鋁與外界直接接觸后，取代富銦相成為陽(yáng)極相，之前溶解的In3+被還原回到合金表面。這一過(guò)程導(dǎo)致基體大量溶解，其中包含的部分富銦相未發(fā)生電子交換就耗散到環(huán)境中，造成電流效率降低[14]。

3）非常價(jià)態(tài)機(jī)理。非常價(jià)態(tài)理論即分步溶解理論，Al的穩(wěn)定價(jià)態(tài)為+3價(jià)，溶解過(guò)程中，3個(gè)活潑電子很難同時(shí)脫離，而是分步失去的，可能首先失去最活潑的一個(gè)電子，然后再失去兩個(gè)。該理論還有待后續(xù)研究來(lái)完善發(fā)展[25]。

4）表觀固溶度機(jī)理。該理論是基于合金元素In 與雜質(zhì)元素相互作用的基礎(chǔ)上提出的，其前提是合金中含有雜質(zhì)。研究者認(rèn)為合金元素的表觀固溶度就是合金元素含量加上與雜質(zhì)作用的量，當(dāng)合金元素含量小于它的表觀固溶度時(shí)，回沉的合金元素量不足以抵消回沉的雜質(zhì)影響，故電位不夠負(fù)。當(dāng)合金元素量在表觀固溶度以上時(shí)，情況則相反。

5）表面自由能理論。該理論認(rèn)為，合金的表面自由能越低，內(nèi)部金屬與表面氧化膜的作用力越小，因此也就越有利于合金的均勻溶解。印度學(xué)者通過(guò)對(duì)采用In，Sn 活化的鋁合金陽(yáng)極的電化學(xué)性能與其表面自由能之間的關(guān)系開(kāi)展研究，提出并驗(yàn)證了表面自由能理論[26]。

3 鋁合金犧牲陽(yáng)極性能影響因素

由于純鋁的鈍化性，需要引入其他微量元素，才能破壞其鈍化膜的連續(xù)性，使其可以持續(xù)溶解，從而發(fā)揮犧牲陽(yáng)極的功效。影響陽(yáng)極性能的因素主要是化學(xué)成分，熱處理工藝也有一定影響。常用的活化元素有Zn，In，Sn，Cd，Si，Mg等，不同的活化元素對(duì)鋁所起的活化作用不盡相同。

3.1 合金元素

1）Zn 是制備鋁合金犧牲陽(yáng)極的最主要合金組分，它可使鋁陽(yáng)極易合金化，增加各組分的均勻程度，腐蝕產(chǎn)物易脫落，使合金電位降低0.1~0.3 V。Zn的存在促進(jìn)了ZnAlO4的產(chǎn)生，增加了氧化膜的缺陷，并可和其他合金元素共同作用，降低氧化膜的穩(wěn)定性。

2）In 可改善鋁的活性，使其電位負(fù)移，使合金電位降低0.4 V左右。原因是組分中的In可改變表面吸附Cl-的電位，使得Cl-更容易吸附在陽(yáng)極表面，破壞表面鈍化膜。In的添加比例需要控制在0.02%~0.03%。In含量過(guò)低不能充分起到活化作用，過(guò)高則會(huì)形成偏析相，加劇陽(yáng)極的自腐蝕，降低電流效率。

3）Sn可降低鋁表面鈍化膜電阻，使鋁表面鈍化膜產(chǎn)生孔隙，破壞其連續(xù)致密性[27]。單獨(dú)添加Sn的合金的腐蝕產(chǎn)物不易脫落，導(dǎo)致溶解不均勻。因此，Sn一般作為Al-Zn-In的第四組元加入，和Zn，In具有協(xié)同效應(yīng)，可與In形成固溶體，使得鋁合金晶粒細(xì)化，減少晶間偏析相，提高Al-Zn-In-Sn合金活化性能的穩(wěn)定性，陽(yáng)極溶解更均勻。含Sn的陽(yáng)極熔煉工藝較為復(fù)雜，需進(jìn)行均質(zhì)化熱處理，以彌補(bǔ)Fe雜質(zhì)帶來(lái)的不利影響，造成生產(chǎn)成本提高。

4）Mg可以改變合金的微觀結(jié)構(gòu)，從而改善陽(yáng)極的電化學(xué)性能，使溶解更加均勻，并提升極化能力。Mg在Al中除少量以固溶形式存在外，多表現(xiàn)為化合物狀態(tài)，例如Al2Mg3Zn3，MgZn2等。它們相對(duì)基體電位較負(fù)，易成為點(diǎn)蝕核誘發(fā)點(diǎn)蝕。過(guò)量的Mg易與Al 反應(yīng)生成陽(yáng)極性中間產(chǎn)物Mg2Al3，破壞晶格結(jié)構(gòu)導(dǎo)致晶間腐蝕，使得陽(yáng)極電流效率降低。另外，過(guò)量的Mg也會(huì)導(dǎo)致陽(yáng)極的鑄造性能降低。

5）Ti具有細(xì)化晶粒的作用，添加Ti后，可迅速和Al形成高熔點(diǎn)的TiAl3，在合金的冷卻過(guò)程中，作為晶核起到組織細(xì)化的作用。Ti引起的組織細(xì)化還可以防止鑄造過(guò)程中產(chǎn)生熱裂，并可使得合金內(nèi)部晶間腐蝕程度降低。在 Al-Zn-In-Mg-Ti中，基體組織為α-Al，第二相于晶界間分散。少量Ti能促使Zn均勻分布，減少活化元素鋅、銦偏析，改善陽(yáng)極溶解狀況，在與Mg共同工作的情況下，電流效率也較高。

6）Ga 和 Al，In 屬同一主族的金屬元素，其作用在近年來(lái)得到了廣泛的研究[28-32]。Ga的添加量在0.1%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）時(shí)，可使Al的電極電位負(fù)移100 mV左右，是用于研制低電位犧牲陽(yáng)極的理想合金元素，但同時(shí)添加Zn，Ga使電位負(fù)移的效果低于單獨(dú)添加 Ga。

7）加入少量的 Mn可與雜質(zhì)元素反應(yīng)，令其失去化學(xué)活性，降低鋁錠中雜質(zhì)Fe對(duì)陽(yáng)極溶解性能的有害作用。

3.2 雜質(zhì)元素

除合金元素外，鋁錠中的雜質(zhì)也是影響陽(yáng)極性能的因素之一，常見(jiàn)的雜質(zhì)有Fe，Cu，Si。Fe是鋁陽(yáng)極中的主要雜質(zhì)元素，F(xiàn)e和Si少量存在時(shí)（Si的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.041%~0.212%），可減小陽(yáng)極局部腐蝕傾向，但過(guò)量時(shí)則增加陽(yáng)極局部腐蝕傾向，使得陽(yáng)極效率降低，溶解形貌變差。Cu是有害元素，少量的Cu就會(huì)造成陽(yáng)極發(fā)生點(diǎn)蝕，降低陽(yáng)極的溶解性能，且使得腐蝕產(chǎn)物不易脫落。因此，在熔煉陽(yáng)極時(shí)需考慮鋁錠原材料的雜質(zhì)情況。

3.3 熔煉工藝

由于熱處理工藝影響元素的分布、金相結(jié)構(gòu)等，因此熱處理工藝對(duì)其性能也有重要的影響。熱處理可以使陽(yáng)極性能優(yōu)化，還可減少雜質(zhì)元素對(duì)陽(yáng)極性能的影響。通過(guò)適當(dāng)?shù)臒崽幚矸绞娇梢允龟?yáng)極微觀組織更均勻，從而提高其電化學(xué)性能[26]。針對(duì)熱處理對(duì)于陽(yáng)極性能的影響研究，多是針對(duì)含Sn和Mg的陽(yáng)極配方。通過(guò)均勻化熱處理，使得大多數(shù)合金元素固溶到基體中，減少偏析相，分布更均勻，從而達(dá)到改善陽(yáng)極溶解性能提高電流效率的目的。由于熱處理工藝成本較高，從生產(chǎn)應(yīng)用的角度，應(yīng)設(shè)法避免熱處理步驟。

4 當(dāng)前存在問(wèn)題分析

鋁合金犧牲陽(yáng)極經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，已經(jīng)形成了較為完善的材料體系，但隨著材料技術(shù)的發(fā)展和海洋工程裝備的發(fā)展，尚存在以下方面的問(wèn)題有待解決。

1）原材料的變化引起陽(yáng)極性能下降。隨著鋁熔煉技術(shù)的發(fā)展，以及我國(guó)關(guān)于鋁錠原材料標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的變化，熔煉鋁合金犧牲陽(yáng)極原材料的雜質(zhì)含量特點(diǎn)發(fā)生了變化，導(dǎo)致在實(shí)際生產(chǎn)中出現(xiàn)陽(yáng)極成分合格，但電化學(xué)性能不滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的現(xiàn)象。主要表現(xiàn)為：按照標(biāo)準(zhǔn)成分生產(chǎn)的陽(yáng)極，電化學(xué)性能不能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，具體表現(xiàn)為電容量低，溶解形貌不均勻；有時(shí)陽(yáng)極成分不符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，電化學(xué)性能反而可滿足要求。按規(guī)定陽(yáng)極成分和電化學(xué)性能有一項(xiàng)不合格，均應(yīng)按不合格產(chǎn)品處理，應(yīng)予以材料報(bào)廢，導(dǎo)致巨大的經(jīng)濟(jì)損失和極大的資源浪費(fèi)。鋁合金犧牲陽(yáng)極中的微量元素成分與鋁錠原材料的雜質(zhì)元素含量往往在一個(gè)數(shù)量級(jí)，而且高效鋁合金犧牲陽(yáng)極中，微量元素種類(lèi)較多，與雜質(zhì)元素的作用較為復(fù)雜，導(dǎo)致有些微量元素的作用失效，使得犧牲陽(yáng)極的效率降低。因此，須對(duì)原材料變化導(dǎo)致的犧牲陽(yáng)極性能變化進(jìn)行深入的研究，掌握其影響規(guī)律，針對(duì)原材料的特點(diǎn)，研制出新型高效鋁合金犧牲陽(yáng)極材料。

2）特殊環(huán)境中應(yīng)用的陽(yáng)極材料性能仍需改善。隨著深海武器裝備以及新材料的發(fā)展，對(duì)陽(yáng)極材料提出了新的要求。如潛艇上浮下潛要求陽(yáng)極在水面、深海以及深淺海交變環(huán)境均具有優(yōu)異的性能。北極航道的開(kāi)通，要求陽(yáng)極在低溫海水環(huán)境中具有良好的活化性能，且能夠經(jīng)受浮冰的沖擊摩擦。另外，港口環(huán)境存在污染物增多、有淡水注入等特點(diǎn)，也需服役于其中的犧牲陽(yáng)極具有相應(yīng)的環(huán)境適應(yīng)性?，F(xiàn)有犧牲陽(yáng)極材料在上述工況環(huán)境中的性能不理想[33]。

3）犧牲陽(yáng)極熔煉工藝水平有待提高。我國(guó)犧牲陽(yáng)極材料熔煉水平整體不高，存在大量的作坊式生產(chǎn)，熔煉工藝標(biāo)準(zhǔn)化程度差，陽(yáng)極產(chǎn)品性能不穩(wěn)定。一方面，合金元素含量極低，且部分元素熔點(diǎn)低，添加過(guò)程中可能發(fā)生燒損，導(dǎo)致成分控制精度差；另一方面，澆鑄大塊陽(yáng)極時(shí)容易產(chǎn)生氣孔，導(dǎo)致陽(yáng)極不合格，廢品率提高。因此，須進(jìn)一步提高生產(chǎn)工藝水平，降低能耗，提高陽(yáng)極質(zhì)量，占領(lǐng)國(guó)際高端市場(chǎng)[34]。

5 結(jié)語(yǔ)

鋁合金犧牲陽(yáng)極材料經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，已形成一系列的產(chǎn)品，并在海洋工程裝備的腐蝕防護(hù)中得到了廣泛應(yīng)用，取得了良好的保護(hù)效果。隨著海洋工程的發(fā)展，對(duì)鋁合金犧牲陽(yáng)極的性能不斷提出新的需求，鋁合金犧牲陽(yáng)極的發(fā)展趨勢(shì)如下：高性能、綠色環(huán)保、低成本是鋁合金犧牲陽(yáng)極材料的總體發(fā)展方向；海洋構(gòu)筑物陰極保護(hù)用犧牲陽(yáng)極材料體系不斷發(fā)展和完善，以滿足不同工況環(huán)境、不同被保護(hù)材料的腐蝕防護(hù)需求；進(jìn)一步探清雜質(zhì)元素對(duì)陽(yáng)極性能的影響及相應(yīng)的控制方法，并改善陽(yáng)極生產(chǎn)工藝，提高陽(yáng)極生產(chǎn)質(zhì)量；犧牲陽(yáng)極的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)也將不斷修訂，以適應(yīng)材料技術(shù)發(fā)展的需求，提高鋁合金犧牲陽(yáng)極材料標(biāo)準(zhǔn)化水平。

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Research Progress in Aluminum Alloy Sacrificial Anode Materials

SUN Ming-xianMA LiZHANG Hai-bingYAN Yong-guiLIU Shao-tong

(State Key Laboratory for Marine Corrision and Protection, Luoyang Ship Material Research Institute, Qingdao 266237, China)

The development history of the aluminum alloy sacrificial anode materials was discussed. This critical review outlined the research development of the aluminum alloy sacrificial anodes utilized in different environments, and reviewed the mechanism of their activation dissolution, and analyzed factor affecting electrochemical property of anode. The existing problems of aluminum alloy sacrificial anode technique were pointed out. And the trend of development of the aluminum alloy sacrificial anode materials was discussed. The anode materials under ordinary sea water conditions is highly developed while those under special working situations still require further development and improvement.

sacrificial anode; aluminum alloy; electrochemical property; activation mechanism

TJ04

A

1672-9242(2018)03-0009-05

10.7643/ issn.1672-9242.2018.03.002

2017-10-14；

2017-12-14

工信部高技術(shù)船舶科研項(xiàng)目（浮式保障平臺(tái)工程（二期））

孫明先（1964—），男，山東煙臺(tái)人，研究員，主要研究方向?yàn)楹Ｑ蟾g與防護(hù)。