液態(tài)金屬腐蝕研究進(jìn)展

付沙沙 ，馬勝?gòu)?qiáng)，馬勝超，王嘉琪，呂 萍，陳翰韜，邢建東

(1.西安交通大學(xué)金屬材料強(qiáng)度國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西西安 710049；2.中航工業(yè)陜西航空電氣有限責(zé)任公司，陜西興平 710056)

液態(tài)金屬因其優(yōu)異的傳熱性能，常被用作傳熱介質(zhì)，例如以Na、K、Li 等低熔點(diǎn)液態(tài)金屬作為工質(zhì)的高溫?zé)峁?。又因液態(tài)金屬具有高導(dǎo)熱、高熱容、低蒸氣壓等特點(diǎn)，其腐蝕研究大多涉及核反應(yīng)堆（如Na、Li、Pb、Pb-Bi 等金屬用作核反應(yīng)堆冷卻劑）[1]。此外，在壓鑄工業(yè)（Al 等合金壓鑄產(chǎn)品）、熱鍍鋅工業(yè)（Zn 液腐蝕）中都存在嚴(yán)重的液態(tài)金屬腐蝕，近年來(lái)液態(tài)金屬更是在液態(tài)金屬電池、計(jì)算機(jī)技術(shù)、生物靶向給藥等領(lǐng)域迅猛發(fā)展，而液態(tài)金屬帶來(lái)的靜態(tài)和流動(dòng)腐蝕以及空化損傷問(wèn)題是制約各個(gè)行業(yè)發(fā)展的重要原因之一，成為當(dāng)前工業(yè)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。本文主要綜述了工業(yè)領(lǐng)域中各類(lèi)液態(tài)金屬的腐蝕進(jìn)展以及液態(tài)金屬空化腐蝕近況，并討論了液態(tài)金屬腐蝕的主要機(jī)理和防護(hù)對(duì)策。

1 工業(yè)中各類(lèi)液態(tài)金屬的腐蝕

表1 不同溫區(qū)堿金屬熱管工質(zhì)物理性質(zhì)及其可相容包殼材料[4-6]

1.1 熔融堿金屬（Na、K、Li）

近年來(lái)，高溫?zé)峁埽?50℃以上）因其優(yōu)異的傳熱性能，廣泛應(yīng)用于空間核反應(yīng)堆冷卻、高超聲速飛行器熱防護(hù)、太陽(yáng)能利用等工作溫度較高的場(chǎng)合[2]。由于堿金屬（Na、K、Li 等）具有熱物性?xún)?yōu)良、等溫性好、傳輸因數(shù)高、傳熱功率大等優(yōu)點(diǎn)，常被用作高溫?zé)峁芄べ|(zhì)，因此高溫?zé)峁芤卜Q(chēng)為堿金屬熱管，典型的應(yīng)用有鈉熱管冷卻空間堆SAIRS、鋰熱管冷卻空間堆HP-STMCs（如圖1、2 所示）、鈉鉀共熔合金高溫?zé)峁艿萚3]。但堿金屬具有高的化學(xué)活性，會(huì)對(duì)高溫?zé)峁馨鼩げ牧霞拔盒静牧显斐蓢?yán)重腐蝕?？紤]堿金屬熱管的應(yīng)用場(chǎng)合和運(yùn)行溫度，其包殼材料一般選用不銹鋼、鎳基合金、鉬基合金、鈮基合金以及鉭基合金和鎢基合金等，表1列出了不同溫區(qū)堿金屬熱管工質(zhì)物理性質(zhì)及其可相容包殼材料[4-6]。

圖1 SAIRS 空間堆結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 HP-STMCs 堆芯鋰熱管橫截面示意[3]

目前，對(duì)于難熔合金（鉬基合金、鈮基合金、鉭基合金、鎢基合金）在熔融堿金屬中的腐蝕研究鮮有報(bào)道，學(xué)者們大多將研究聚焦在不銹鋼在熔融堿金屬中的腐蝕。

Rivollier等人[7]研究了316L（N）不銹鋼在650℃液態(tài)Na 中的氧化，結(jié)果表明，鋼表面形成了一層NaCrO2氧化層，并伴有富鉬、富鐵的M6C 碳化物顆粒，還可在金屬的氧化層下觀察到由于氧化、滲碳和溶解造成的空洞。韓麗青等人[8]研究了進(jìn)口T91、國(guó)產(chǎn)T91 和T22 三種鋼在500℃液態(tài)Na 介質(zhì)中的腐蝕，研究表明在靜態(tài)Na 中腐蝕后，3 種鋼表面都出現(xiàn)少量氧化腐蝕產(chǎn)物（國(guó)產(chǎn)T91 表面為Cr2O3、Fe2O3，進(jìn)口T91 表面為Fe2O3、Cr2O3、Na0.52CrO2，T22 表面僅有Fe3O4），在動(dòng)態(tài)或靜態(tài)鈉中的耐腐蝕性依次為：進(jìn)口T91＞國(guó)產(chǎn)T91＞T22。

Krasin 等人[9]研究了釩基合金在液態(tài)Na-K 中的腐蝕行為，研究表明釩基合金表面形成高間隙濃度硬化區(qū)的腐蝕現(xiàn)象是Na-K 合金在氧雜質(zhì)存在下腐蝕過(guò)程的主要結(jié)果，只有考慮Na0.32K0.68合金中三元氧化物NaVO2的形成和O 雜質(zhì)對(duì)液態(tài)金屬冷卻液中釩溶解度的影響，才能建立釩在Na0.32K0.68合金中腐蝕的模型。

孟獻(xiàn)才[10]研究了靜態(tài)液態(tài)Li 對(duì)不銹鋼304SS、純Mo、純W 的腐蝕特性，研究表明304SS 腐蝕過(guò)程包括三個(gè)階段（組分元素向液態(tài)Li 中溶解擴(kuò)散、溶解在液態(tài)Li 中的元素生成腐蝕產(chǎn)物并沉積在材料表面、腐蝕產(chǎn)物誘導(dǎo)液態(tài)Li 沿晶界向304SS 材料內(nèi)部滲透），Mo 和W 在靜態(tài)液態(tài)Li 中的腐蝕機(jī)制包括溶解擴(kuò)散和等溫質(zhì)量遷移，與液態(tài)Li 相容性由好到壞的順序?yàn)椋篧＞Mo＞304SS。

難熔合金在熔融堿金屬中的腐蝕機(jī)理是結(jié)構(gòu)材料在熱區(qū)溶解而在冷區(qū)沉積遷移，同時(shí)還包括難熔合金與雜質(zhì)的反應(yīng)，如與液態(tài)金屬中的O、C、N 和溶解的Si 之間的反應(yīng)，腐蝕失效也可能是微量雜質(zhì)與結(jié)構(gòu)材料反應(yīng)形成可溶于堿金屬工作液的化合物遷移所致[11]。其中鉬基合金和鈮基合金具有優(yōu)良的高溫強(qiáng)度和耐液態(tài)堿金屬腐蝕性，是先進(jìn)核電站結(jié)構(gòu)應(yīng)用的理想材料，即使在快速增殖反應(yīng)堆的惡劣核環(huán)境中也能持久，有望成為超耐熱材料之一[12，13]。但是目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于鉬基合金、鈮基合金在熔融堿金屬的腐蝕研究鮮有報(bào)道，國(guó)內(nèi)更是幾乎空白，對(duì)于該方面有必要進(jìn)行系統(tǒng)、深入的研究，以理清難熔合金在熔融堿金屬中的腐蝕機(jī)理，為推動(dòng)高溫?zé)峁茉诳臻g核反應(yīng)堆冷卻、高超聲速飛行器熱防護(hù)、太陽(yáng)能利用等方面的應(yīng)用奠定理論基礎(chǔ)。

1.2 熔融鉛

第四代核能系統(tǒng)國(guó)際論壇（Generation ⅣInternational Forum）成立后，計(jì)劃在2030 年前開(kāi)發(fā)六種第四代核反應(yīng)新堆型，分別為鉛冷卻快堆系統(tǒng)、熔鹽反應(yīng)堆系統(tǒng)、鈉冷塊堆系統(tǒng)、超臨界水堆系統(tǒng)、超高溫氣冷堆系統(tǒng)和氣冷快堆系統(tǒng)，表2 為核反應(yīng)堆常用液態(tài)金屬冷卻劑的中子學(xué)性能和熱物理特性對(duì)比[14]。Pb（Bi）具有優(yōu)良的化學(xué)性質(zhì)、中子學(xué)性能等，有著廣闊發(fā)展前景，但其對(duì)結(jié)構(gòu)材料會(huì)造成嚴(yán)重的腐蝕問(wèn)題，成為近年來(lái)的研究熱點(diǎn)。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者主要研究了ODS 鋼、T91 鋼、奧氏體不銹鋼、CLAM鋼等在液態(tài)Pb、Pb-Bi 中的腐蝕。

合肥中國(guó)科學(xué)院研究所在抗液態(tài)Pb-Bi 腐蝕耐高溫結(jié)構(gòu)材料研究方面取得新進(jìn)展[15]，研究發(fā)現(xiàn)Si 元素的添加可提高氧化物彌散強(qiáng)化9Cr 鋼（9Cr-ODS 鋼）的高溫力學(xué)性能，并顯著改善其抗Pb-Bi 腐蝕性能，鉛鉍腐蝕環(huán)境下Si 元素易生成富Si 內(nèi)氧化層，可有效阻礙Pb-Bi 中氧向基體的擴(kuò)散及基體元素被Pb-Bi 溶解。Ingrid 等人[16]研究了T91 鋼在Pb、Bi 和鉛鉍共晶（LBE）中的液態(tài)金屬脆化敏感性，研究表明液態(tài)金屬脆化程度由高到低為L(zhǎng)BE＞Bi＞Pb，T91 鋼在液態(tài)金屬作用下的反應(yīng)潤(rùn)濕性差異可能是導(dǎo)致液態(tài)金屬脆化敏感性不同的原因。

表2 核反應(yīng)堆常用冷卻劑的中子學(xué)性能和熱物理特性對(duì)比[14]

李明揚(yáng)等人[17]對(duì)T91 和316L 鋼在氧控鉛鉍600 小時(shí)后的腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行了研究，結(jié)果表明T91和316L 鋼基體均未發(fā)生鉛鉍滲透，腐蝕類(lèi)型均為氧化腐蝕，316L 鋼表面是主要成分為（Fe，Cr）3O4的單層氧化層，T91 鋼表面為雙氧化層（外層結(jié)構(gòu)疏松主要成分為Fe3O4，內(nèi)層結(jié)構(gòu)致密主要成分為（Fe，Cr）3O4）。陳鋼等人[18]研究了中國(guó)低活化馬氏體鋼（CLAM）母材和焊縫在550℃流動(dòng)Pb-Bi 中的腐蝕機(jī)理（如圖3 所示），研究表明CLAM 鋼在流動(dòng)液態(tài)鉛鉍（LBE）中的腐蝕過(guò)程包括氧化腐蝕和沖蝕，與母材相比焊縫耐蝕性較弱，表面氧化膜為雙層（外層Fe3O4，內(nèi)層（Fe，Cr）3O4）。

1.3 熔融鋁

鋁和鋁合金具有密度小、質(zhì)量輕、比強(qiáng)度高、加工性能好、焊接性能優(yōu)良、可再生等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于國(guó)民經(jīng)濟(jì)（建筑、交通、食品包裝）和國(guó)防軍工（航空航天、儲(chǔ)能材料）等領(lǐng)域，是一種重要的輕質(zhì)高強(qiáng)結(jié)構(gòu)材料[19]。但是在其生產(chǎn)過(guò)程中，由于鋁液具有極強(qiáng)的腐蝕性，在熔煉、成型（鑄造）、熱浸鍍鋁、連鑄連軋等生產(chǎn)工業(yè)中會(huì)對(duì)直接與鋁液接觸的關(guān)鍵零部件（如熔鋁坩堝、保溫坩堝、鋁錠模、吸鋁管、打殼錘頭等）造成嚴(yán)重腐蝕，減少設(shè)備使用壽命，甚至造成嚴(yán)重事故[19，20]。

圖3 CLAM鋼-金屬基體在液態(tài)LBE 中的腐蝕機(jī)理示意圖[18]

目前對(duì)于熔融Al 腐蝕的研究，主要聚焦在液態(tài)Al 對(duì)鐵基材料、陶瓷材料、復(fù)合材料、難熔金屬、抗Al 液腐蝕防護(hù)層等的腐蝕。

鐵基材料中，不銹鋼由于耐氧化、高溫性能穩(wěn)定等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于鋁工業(yè)生產(chǎn)，因此學(xué)者對(duì)不銹鋼在鋁液中的腐蝕機(jī)理進(jìn)行了大量研究。目前，徐高鵬等人[21]最新研究了一種新型鐵合金（JDF 合金）在750℃動(dòng)態(tài)鋁熔體中的多尺度耐腐蝕機(jī)理，研究表明JDF3 合金中的化合物能在多尺度上抑制Al 原子的擴(kuò)散，腐蝕層中的硼化物能阻止腐蝕產(chǎn)物的剝落和溶解，JFD3 合金的耐蝕性是FeCrB基合金的2 倍。

Al-Si 儲(chǔ)能合金是金屬相變儲(chǔ)能的主要儲(chǔ)能材料[22]，但該材料會(huì)對(duì)其儲(chǔ)存容器造成高溫腐蝕，鄒世軒等人[23]研究了結(jié)構(gòu)陶瓷材料碳化硅和氮化硅在熔融Al-Si 合金中的腐蝕，研究表明R-SiC和Si3N4-SiC 與鋁硅不發(fā)生反應(yīng)，表面無(wú)新相生成，兩者與熔融鋁硅不浸潤(rùn)，具有較好的化學(xué)穩(wěn)定性。Weigelt 等人[24]最新研究了以CrMnNi-TRIP 鋼為基體，添加TiO2或Al2O3-TiO2的復(fù)合材料在800℃鋁液中的腐蝕，并對(duì)其在Al 液中的應(yīng)用前景進(jìn)行了展望。

華南理工大學(xué)陳維平等人對(duì)耐鋁液熔蝕的復(fù)合材料、金屬材料、新型合金鑄鐵等進(jìn)行了研究。陳維平[25]研究發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)e-Cr-B 鑄鋼耐鋁液腐蝕性能受基體耐鋁液腐蝕性能和共晶硼化物的共同影響，并且適當(dāng)?shù)臒崽幚砟軌蛱岣逨e-Cr-B 鑄鋼的耐鋁液腐蝕性能。劉健[26]制備了三種耐鋁液腐蝕的金屬間化合物增強(qiáng)高錳高鋁鐵基復(fù)合材料，研究表明腐蝕產(chǎn)物硼化物（Al-Fe-Cr-Mn-B）和鋁化物（FeAl3）呈兩相交替排列的周期性片層結(jié)構(gòu)，起到“樹(shù)根”效應(yīng)阻礙腐蝕產(chǎn)物的剝落。凌自成等人[27]設(shè)計(jì)了一種新型Fe-15.3wt%Cr-3.1wt%B-6.2wt%Mo 合金，研究發(fā)現(xiàn)該合金比H13 鋼具有更好的抗鋁液腐蝕-磨損性能。羅洪峰等人[28]將QT350、HT300、H13、Cr13、Ta、Mo 在鋁液中的腐蝕行為進(jìn)行了對(duì)比研究，研究表明以上金屬材料在試驗(yàn)條件下均與Al 液反應(yīng)生成金屬間化合物層，平均腐蝕深度由高到低為QT350＞H13＞Cr13＞HT300＞Ta＞Mo。雖然難熔金屬（如Mo、Ta、W 等）在Al 液中具有優(yōu)異的耐腐蝕性能，但是由于難熔金屬成本及成型工藝的限制，使得難熔金屬材料的應(yīng)用較少。

羅哲民等人[29]采用多弧離子法在8418 熱作模具鋼表面分別沉積Ti/CrN 雙層和Ti/TiN/CrN 三層鍍層，在700℃鋁合金熔體中進(jìn)行腐蝕試驗(yàn)，研究表明Ti/CrN 和Ti/TiN/CrN 鍍層都能明顯改善8418 熱作模具鋼的抗鋁液腐蝕性能。東北大學(xué)陳明輝等人[30]制備了含CaF2和不含CaF2的搪瓷涂層，研究了它們?cè)?50℃熔融鋁中的腐蝕行為，結(jié)果表明搪瓷涂層對(duì)304 不銹鋼具有很高的耐液態(tài)鋁腐蝕性能，在搪瓷中加入2.5wt%的CaF2可提高其耐蝕性。

熔融Al 的腐蝕在實(shí)際工況中大多同時(shí)伴隨著磨損、沖蝕，但由于缺乏專(zhuān)用的設(shè)備對(duì)材料高溫腐蝕與磨損交互作用進(jìn)行測(cè)試表征，目前對(duì)于材料高溫腐蝕與磨損交互作用下的行為研究很少，其腐蝕機(jī)理也尚不明確。

1.4 熔融鋅

由于熱浸鍍鋅鋼相對(duì)于其他耐腐蝕材料具有較好的防腐性和經(jīng)濟(jì)性，其需求在近年來(lái)急劇增加，是目前應(yīng)用最為廣泛的鋼鐵材料防腐措施之一。但在進(jìn)行熱鍍鋅工藝生產(chǎn)時(shí)，穩(wěn)定輥、沉沒(méi)輥、軸套等設(shè)備在連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中與鋅液發(fā)生強(qiáng)烈腐蝕反應(yīng)，顯著降低設(shè)備使用壽命，是熱鍍鋅行業(yè)亟待解決的重要問(wèn)題[31，32]。

為了延長(zhǎng)這些關(guān)鍵設(shè)備的使用壽命，學(xué)者們研究了鍍鋅應(yīng)用相關(guān)平衡相圖（先進(jìn)的鋅相圖包括Al，F(xiàn)e，Cr，Ni，Co 等）、鐵合金、鈷合金、防護(hù)涂層、焊接材料等。孫文秀[33]等人研究了液態(tài)鋅對(duì)固態(tài)金屬的腐蝕機(jī)理，研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)液態(tài)Zn 與固態(tài)金屬不形成中間相時(shí)，液態(tài)Zn 對(duì)純金屬及其固溶體的腐蝕為“溶解型腐蝕”，當(dāng)形成中間相(或固體本身就是中間相)時(shí)，液態(tài)Zn 對(duì)固態(tài)金屬的腐蝕為“瓦解型腐蝕”。

近年來(lái)，對(duì)于耐液態(tài)鋅腐蝕材料的研究，主要聚焦在Fe-B 合金、316L 不銹鋼、Fe-Al 合金等方面。Ma SQ 等人研究發(fā)現(xiàn)[34，35]，F(xiàn)e-B 合金與鋅液潤(rùn)濕性較差、具有優(yōu)異的耐鋅液腐蝕性能，因?yàn)镕e-B 合金組織為獨(dú)特的網(wǎng)格狀Fe2B 相+韌性基體，網(wǎng)格狀的Fe2B 能夠在鐵基體和鋅液之間起到良好的“阻擋效應(yīng)”，可以有效阻擋鐵鋅原子之間的擴(kuò)散，降低合金腐蝕速率。橡樹(shù)嶺實(shí)驗(yàn)室的劉興博等[36]對(duì)316L、Fe3Al 和FeCrSi 在鋅鋁熔池中的液態(tài)金屬腐蝕行為進(jìn)行了研究，研究表明少量鋁可通過(guò)降低Zn 的活性和形成抑制層來(lái)減少腐蝕，在靜態(tài)試驗(yàn)中FeCrSi 在純Zn、Zn-55Al 和Al-8Si 鍍液中的耐蝕性最好。

李鵬[37]運(yùn)用大氣等離子噴涂方法在316L 不銹鋼表面制備了氧化釔部分穩(wěn)定氧化鋯涂層（8YSZ）、氧化釔和氧化鐿改性鋯酸鍶涂層（SYYZ）、鋯酸鍶和鋯酸釓復(fù)合涂層（SGZ），研究發(fā)現(xiàn)三種涂層耐熔鋅腐蝕性能由好到壞的順序?yàn)镾GZ＞SYYZ＞8YSZ。王暉[38]等人采用超音速火焰噴涂技術(shù)在316L 不銹鋼基體上制備WC-12Co 涂層，研究其在430℃鋅液中的耐腐蝕性及腐蝕機(jī)理，結(jié)果表明WC-12Co 涂層與基體結(jié)合緊密，失效過(guò)程中有塊狀物脫離涂層，Co 相與Zn 反應(yīng)是涂層失效的首要原因。北科大林均品等人[39-41]研究發(fā)現(xiàn)在TiAl 合金中加入Nb 元素形成的Ti-Al-Nb金屬間化合物比WC-Co 涂層具有更優(yōu)異的耐熔鋅腐蝕性能，并研究了304 不銹鋼表面沉積Ti-45Al-8Nb 金屬間化合物后在鋅液中的腐蝕行為，結(jié)果表明涂層樣品在鋅液中的腐蝕為孕育型腐蝕（孕育期為15 天），涂層碎片與鋅液發(fā)生少量元素?cái)U(kuò)散，生成富Fe、Al 的腐蝕產(chǎn)物。

目前對(duì)液態(tài)鋅腐蝕機(jī)理及耐液態(tài)鋅腐蝕材料的研究取得一些成就，但大多研究是在靜態(tài)條件下進(jìn)行的，而實(shí)際工業(yè)中是在流動(dòng)條件下進(jìn)行，伴隨著沖刷、磨損等相互作用，極具復(fù)雜性。有待通過(guò)更多能模擬實(shí)際工況的試驗(yàn)，進(jìn)行更深入的研究探索，特別是流動(dòng)鋅液中的高速?zèng)_蝕、沖蝕腐蝕交互作用等更具有實(shí)際價(jià)值。

關(guān)于液態(tài)金屬腐蝕的主要理論為[42，43]：溶解理論，固態(tài)金屬在液態(tài)金屬中的溶解可由公式（1）表示：

積分形式為式（2）（初始條件： C=0,t=0）：

式中，C 是熔體中溶解金屬的瞬時(shí)濃度（kg/m3）；Cs 是飽和濃度（kg/m3）；K 是溶解速率常數(shù)（m/s）；A 是固體金屬的表面積（m2）；V 是熔體的體積（m3）；t 是時(shí)間（s）。

2 液態(tài)金屬空化腐蝕

空化是指在流動(dòng)的液體內(nèi)部局部壓強(qiáng)降低到液體飽和蒸氣壓之下時(shí)，液體內(nèi)部或液體與固態(tài)材料交界面上出現(xiàn)的蒸氣或氣體空泡形成、發(fā)展、坍縮和潰滅的過(guò)程[44]，除水以外，近年來(lái)隨著液態(tài)金屬的逐漸應(yīng)用，由流動(dòng)液態(tài)金屬造成的空化腐蝕也成為空化腐蝕研究方向的重要部分之一。

液態(tài)金屬空化腐蝕（簡(jiǎn)稱(chēng)空蝕）是指空泡隨著液態(tài)金屬的流動(dòng)，體積增大，當(dāng)區(qū)域壓力變高時(shí)，空泡在高壓下潰滅和回彈再生，導(dǎo)致沖擊波和微射流的形成，對(duì)結(jié)構(gòu)材料造成空化應(yīng)力的沖擊，從而造成暴露在氣穴中的材料受到侵蝕使結(jié)構(gòu)材料表面被破壞[45-47]?？栈g一般發(fā)生在流體動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)，如渦輪機(jī)、閥、泵、變窄處、水翼、螺旋槳等，實(shí)際工況中的液態(tài)金屬腐蝕大多涉及空化腐蝕，例如在核工業(yè)中用作傳熱介質(zhì)流動(dòng)的液態(tài)金屬鉛（鉍）、液態(tài)金屬鈉等對(duì)主泵葉輪及局部管路產(chǎn)生空蝕、還有熱浸鍍等流動(dòng)的工況條件下都會(huì)伴隨空蝕產(chǎn)生[48，49]。

日本福井大學(xué)對(duì)液態(tài)金屬空化腐蝕進(jìn)行了較為系統(tǒng)的研究[50-53]，建立了空化腐蝕數(shù)據(jù)庫(kù)（包括鐵、鋼、鑄鐵、不銹鋼、鑄件、Al 合金、Cu 合金、Ti 合金、Ni 合金、Co 合金、塑料、陶瓷等），對(duì)液態(tài)金屬空化腐蝕機(jī)理、溫度對(duì)液態(tài)金屬空化腐蝕的影響等進(jìn)行了探索，研究發(fā)現(xiàn)通過(guò)材料硬度可以準(zhǔn)確估算出碳鋼、不銹鋼、鑄鐵、鋁合金、銅合金和鈦合金的抗沖蝕性能，提出了SUS304 和ST6 鈷合金的空化腐蝕模型。其中Hattori S 等人[53]研制了一種用于液態(tài)金屬?zèng)_蝕試驗(yàn)的裝置，研究發(fā)現(xiàn)在14℃相對(duì)溫度下，鉛鉍合金的沖蝕率是去離子水的10 倍，鈉的沖蝕率是去離子水的5 倍，沖蝕率可通過(guò)材料密度和聲速的函數(shù)來(lái)計(jì)算。

Ma SQ 等人[54]研究了沖蝕角和Fe2B 取向?qū)Χㄏ蚰蘁e-B 合金在鋅液中空化沖蝕的影響，研究表明垂直于界面方向Fe2B[001]取向的定向凝固Fe-B 合金具有較好的抗沖蝕性能，沖蝕角對(duì)沖蝕性能影響很大。國(guó)內(nèi)江蘇大學(xué)團(tuán)隊(duì)研究了316L、304 奧氏體不銹鋼、中國(guó)低活化馬氏體鋼（CLAM）焊接接頭在液態(tài)鉛鉍合金中的空蝕行為。其中張波研究了316L 焊接接頭在550℃液態(tài)鉛鉍（LBE）中空化腐蝕行為[55]，316L 焊接接頭受空化應(yīng)力的作用，表面會(huì)發(fā)生加工硬化，空蝕后材料的表面硬度升高，且Ni 元素能夠顯著提升316L 焊接接頭抗空蝕能力。唐冬梅研究了304 奧氏體不銹鋼、CLAM焊接接頭在液態(tài)鉛鉍合金中的空蝕行為[56]，304 奧氏體不銹鋼焊縫可通過(guò)固溶處理提高抗空蝕性能，相比較下，CLAM 鋼焊縫的耐空蝕性差，是由于馬氏體相屬于硬脆組織，空泡潰滅沖擊下易發(fā)生脆性斷裂。

空化腐蝕涉及力、熱、物、化以及材料等多方面,具有很強(qiáng)復(fù)雜性、關(guān)聯(lián)性、耦合性,目前很多學(xué)者研究方向?yàn)椴牧显谒?、NaCl 等溶液中的空化腐蝕，有關(guān)材料在液態(tài)金屬中空化腐蝕行為的研究還較少。

液態(tài)金屬空化沖蝕的主要理論為：沖擊波理論、微射流理論和能量理論等。液態(tài)金屬空化沖蝕主要采用微射流理論，微射流理論認(rèn)為空泡受到梯度壓力的影響，會(huì)發(fā)生形變，形成不對(duì)稱(chēng)氣泡，在空泡潰滅時(shí)，反方向兩端壁面速度不均，遠(yuǎn)離固液界面的空泡壁外圍壓力相對(duì)更大使其破裂較早，從而形成垂直于固體表面的高速微射流，在極短時(shí)間對(duì)材料產(chǎn)生定向沖擊（類(lèi)似于水錘沖擊），產(chǎn)生極高的壓力，水錘沖擊壓力（PW）公式可由下式推出[53，54，57]：

式中，PC是由液態(tài)鋅包圍的氣泡潰滅引起的初始階段的壓力；ρL、ρs、CL、Cs 分別是液體和固體的密度和沖擊速度。通常固體聲阻抗遠(yuǎn)大于液體聲阻抗，因此簡(jiǎn)化式（3）可得水錘沖擊壓力（PW）公式[53，54，57]：

式中，PW是由液態(tài)鋅包圍的氣泡潰滅引起的水錘沖擊壓力。另外空泡潰滅產(chǎn)生的局部能量耗散會(huì)導(dǎo)致極高的壓力和溫度，從而使變形能變化，如果球形凹坑（即空穴）是由沖擊載荷產(chǎn)生的，則塑性應(yīng)變能可由下式計(jì)算[54，58]：

式中，PD為平均沖擊壓力；a 為球形凹坑半徑（m）；r 為凹坑曲率半徑（m）；V 為凹坑體積（m3）。

3 液態(tài)金屬腐蝕損傷的防護(hù)對(duì)策

基于液態(tài)金屬的腐蝕主要是溶解、合金反應(yīng)與擴(kuò)散過(guò)程。因此，主要的防護(hù)對(duì)策應(yīng)該從反應(yīng)介質(zhì)的溶解特性、與固態(tài)金屬的化學(xué)反應(yīng)、熔體潔凈化、以及固態(tài)材料自身抗蝕性的改善上入手。近年來(lái)，除了液態(tài)金屬介質(zhì)特性外，更多的應(yīng)該關(guān)注材料表面防護(hù)性的設(shè)計(jì)與制備，如表面難熔涂層、高熵涂層、非晶涂層以及腐蝕界面功能性防護(hù)微結(jié)構(gòu)的構(gòu)筑。此外，在腐蝕過(guò)程中，也應(yīng)該關(guān)注固態(tài)材料與液態(tài)金屬反應(yīng)層之間的交互作用來(lái)削弱腐蝕損傷的程度，這些都是未來(lái)液態(tài)金屬腐蝕與防護(hù)的關(guān)注焦點(diǎn)。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，液態(tài)金屬的腐蝕涉及面廣且極具復(fù)雜性，雖然已經(jīng)取得不少成就，但仍有很多問(wèn)題亟待解決。

（1）難熔金屬及合金：難熔金屬及合金在液態(tài)堿金屬中腐蝕機(jī)理的研究，是推動(dòng)堿金屬高溫?zé)峁茉诳臻g核反應(yīng)堆冷卻等領(lǐng)域應(yīng)用的關(guān)鍵。

（2）液態(tài)金屬流動(dòng)腐蝕：目前大多液態(tài)金屬腐蝕的研究是在靜態(tài)條件下進(jìn)行的，而在核工業(yè)、熱浸鍍、壓鑄工業(yè)等實(shí)際工況下，液態(tài)金屬對(duì)材料的腐蝕都為流動(dòng)腐蝕，液態(tài)金屬的不同流速對(duì)材料腐蝕的影響還需進(jìn)一步深入研究。

（3）腐蝕、沖刷、磨損交互作用：在流動(dòng)液態(tài)金屬腐蝕過(guò)程中常常伴隨著沖刷、磨損，目前對(duì)于腐蝕-沖刷、腐蝕-磨損、腐蝕-沖刷-磨損的交互作用研究及相關(guān)表征測(cè)試設(shè)備都較少。

（4）液態(tài)金屬空化腐蝕：液態(tài)金屬空化腐蝕涉及多學(xué)科且無(wú)法測(cè)定空泡潰滅時(shí)產(chǎn)生的高溫、高壓、空泡內(nèi)物質(zhì)變化等，極具復(fù)雜性，是液態(tài)金屬腐蝕研究的難點(diǎn)之一。