機載電子電氣設(shè)備緩蝕劑的評價

李 蔭，梁小蕊，黃曉翔，趙志堅，劉 潔，郁大照

（1.海軍航空大學(xué)，山東煙臺 264001；2. 92074部隊，浙江寧波 315021）

海洋環(huán)境中,機載電子電氣設(shè)備面臨的環(huán)境復(fù)雜多變，尤其是服役于我國東南沿海地區(qū)的航空裝備，高溫、高濕、高鹽霧、強太陽輻射的海洋環(huán)境使得機載電子電氣設(shè)備的腐蝕防護工作面臨嚴峻的考驗[1-6]。

緩蝕劑是1種可以防止或減緩腐蝕的化學(xué)物質(zhì)或幾種化學(xué)物質(zhì)的混合物。采用緩蝕劑進行裝備的外場維護，不僅能夠降低維護成本，還能降低勞動強度、縮短維護時間[7-9]。針對航空裝備不同部位的腐蝕，緩蝕劑主要分為3類：機體結(jié)構(gòu)緩蝕劑，發(fā)動機緩蝕劑和電子電氣緩蝕劑。我國多個研究所研制的機體結(jié)構(gòu)緩蝕劑已應(yīng)用于多種機型，經(jīng)外場試驗，效果較好[10-13]。電子電氣緩蝕劑在英、美等國已有較多成熟的產(chǎn)品，我國航空裝備應(yīng)用較多的國產(chǎn)機載電子電氣設(shè)備緩蝕劑主要有：DZ-1[14]，TFHS-20[15]和DJB-823。目前，國產(chǎn)機載電子電氣緩蝕劑還處于應(yīng)用研究階段，大多數(shù)關(guān)于國產(chǎn)機載電子電氣緩蝕劑的研究中，對金屬腐蝕速率的測量采用的是失重法[14-15]，而失重法僅對均勻腐蝕有效，對于有嚴重局部腐蝕的試樣卻不能反映其真實腐蝕狀況[16-17]。塔爾菲（Tafel）曲線法和電化學(xué)阻抗法（EIS）2 種電化學(xué)方法具有測定性能靈敏、可操作性強、快速方便等特點，是目前評價和研究緩蝕劑性能的主要電化學(xué)方法[17]。但目前并沒有文獻采用Tafel 曲線法和EIS 法評價和研究國產(chǎn)機載電子電氣緩蝕劑的緩蝕性能。

由于機載航空設(shè)備的電子電氣系統(tǒng)中較多構(gòu)件使用了T2 銅合金、H62 銅合金以及2Al2-T4 鋁合金[18-25]，本文將Tafel曲線法和EIS法相結(jié)合，評價了美國WD-40 緩蝕劑以及3 種國產(chǎn)品牌緩蝕劑DZ-1、TFHS-20 和DJB-823 對T2 銅合金、H62 銅合金以及2Al2-T4 鋁合金的緩蝕效果，為機載設(shè)備電子電氣緩蝕劑的篩選提供一定的參考。

1 試驗部分

1.1 試驗儀器

電化學(xué)工作站為美國普林斯頓V3F型號，三電極電解池結(jié)構(gòu)如圖1 所示。參比電極為飽和甘汞電極，輔助電極為電解池自帶2 cm×2 cm 鉑網(wǎng)電極，工作電極為待測金屬電極。工作電極與電解質(zhì)溶液接觸的孔是面積為1 cm2的圓孔。為消除外界干擾，將電解池放置于屏蔽箱中。

圖1 三電極體系電解池Fig.1 Three electrode system electrolytic cell

1.2 試驗材料及處理

試驗材料為T2 銅合金、H62 銅合金以及2Al2-T4鋁合金。3種合金主要成分的質(zhì)量分數(shù)，分別見表1、2和3。試樣規(guī)格為25 mm×50 mm×6 mm。

表1 T2銅合金成分（質(zhì)量分數(shù)）Tab.1 T2 copper alloy composition(mass fraction) %

表2 H62銅合金成分（質(zhì)量分數(shù)）Tab.2 H62 copper alloy composition(mass fraction) %

表3 2Al2-T4鋁合金（質(zhì)量分數(shù)）Tab.3 2Al2-T4 aluminum alloy composition(mass fraction) %

試驗材料處理方式：合金試樣依次用800#和1 000#的砂紙打磨，再用蒸餾水、無水乙醇沖洗干凈。冷風吹干后放入干燥器待用，儲存時間不超過24 h。打磨好的試樣禁止赤手接觸。

1.3 緩蝕劑的噴涂

首先，將處理過的試樣垂直放置于距離緩蝕劑噴嘴約30 cm處。將緩蝕劑噴罐劇烈搖晃15 s后連續(xù)噴涂，使噴出的緩蝕劑在試樣金屬表面形成連續(xù)均勻膜層（噴涂后不出現(xiàn)大量氣泡或泡沫）；然后，將其垂直放置，使用吹風機冷風干燥，再噴涂第2 層緩蝕劑（噴涂方法同第1層）；最后，再用吹風機冷風干燥，使試樣金屬表面的緩蝕劑膜層均勻。

1.4 試驗過程

將試樣合金金屬空白樣固定于圖1所示的三電極電解池上，電解池中注入天然海水，將三電極電解池放入屏蔽箱中，連接好三電極體系，依次進行開路電位、EIS 和Tafel 測試?？瞻讟訙y試完后，更換電解池中海水，再將噴涂緩蝕劑的試樣固定于電解池上，重復(fù)進行開路電位、EIS和Tafel測試。

1.5 試驗條件

試驗溫度：20±2 ℃。

EIS 法：正弦波交流激勵信號幅值為5 mV，頻率范圍為10-5～10-2Hz，采用Zsimpwin 軟件進行數(shù)據(jù)擬合。EIS測量前，金屬電極已經(jīng)測試過開路電位，開路電位穩(wěn)定后在開路電壓下進行EIS測試。

Tafel 曲線法：掃描范圍為-0.25～0.25 V（相對于開路電位），掃描速度為0.5 mV/s，采用儀器自帶的軟件進行Tafel 曲線擬合處理。每次Tafel 測試前，金屬電極已經(jīng)經(jīng)過開路電位及EIS測試。

2 結(jié)果與討論

2.1 Tafel曲線法

通過軟件可以得到Tafel 曲線的擬合結(jié)果，其中Ecorr為自腐蝕電位（mV），Icorr為自腐蝕電流密度（A·cm-2）。通過計算可以得到η緩蝕效率，其計算公式為：

式（1）中：I0是未噴涂緩蝕劑的合金材料自腐蝕電流密度；I是噴涂緩蝕劑后的合金材料自腐蝕電流密度[26]。

2.1.1 T2銅合金

圖2為噴涂4種類型緩蝕劑的T2銅合金及其空白樣在天然海水中的Tafel 曲線圖。表4 為其極化曲線的擬合結(jié)果。

圖2 噴涂不同緩蝕劑的T2銅合金Tafel曲線Fig.2 Tafel curves of T2 copper alloy sprayed with different corrosion inhibitors

表4 噴涂不同緩蝕劑的T2銅合金Tafel曲線擬合結(jié)果Tab.4 Fitting results of Tafel curves of T2 copper alloy sprayed with different corrosion inhibitors

由圖2 和表4 可知，T2 銅合金噴涂不同緩蝕劑之后，自腐蝕電位與自腐蝕電流密度與空白樣相比都發(fā)生了變化，且自腐蝕電流密度都有不同程度的降低。其中：噴涂DZ-1 緩蝕劑的T2 銅合金自腐蝕電流密度最小，緩蝕效率最高，為99.6%；TFHS-20、DJB-823 的緩蝕效率均在90%以上；WD-40 的緩蝕效率為85.1%。結(jié)果表明，4種緩蝕劑的緩蝕效率從高至低依次為DZ-1、TFHS-20、DJB-823、WD-40。

2.1.2 H62銅合金

圖3為噴涂4種類型緩蝕劑的H62銅合金及其空白樣在天然海水中的Tafel 曲線圖。表5 為其極化曲線的擬合結(jié)果。

圖3 噴涂不同緩蝕劑的H62銅合金Tafel曲線Fig.3 Tafel curves of H62 copper alloy sprayed with different corrosion inhibitors

表5 噴涂不同緩蝕劑的H62銅合金Tafel曲線擬合結(jié)果Tab.5 Fitting results of Tafel curves of H62 copper alloy sprayed with different corrosion inhibitors

由圖3和表5可知，H62銅合金噴涂不同緩蝕劑之后，其自腐蝕電位與自腐蝕電流密度與空白樣相比都發(fā)生了變化，且自腐蝕電流密度都有不同程度的降低。其中：噴涂DZ-1緩蝕劑的H62銅合金自腐蝕電流密度最小，緩蝕效率最高，為99.8%；DJB-823、WD-40和TFHS-20 也都有較好的緩蝕效果。結(jié)果表明，4 種緩蝕劑的緩蝕效率從高至低依次為DZ-1、DJB-823、WD-40、TFHS-20。

2.1.3 2Al2-T4鋁合金

圖4 為噴涂4 種類型緩蝕劑的2Al2-T4 鋁合金及其空白樣在天然海水中的Tafel 曲線圖。表6 為其極化曲線的擬合結(jié)果。由圖4和表6可知，2Al2-T4鋁合金噴涂不同緩蝕劑之后，其自腐蝕電位與自腐蝕電流密度與空白樣相比都發(fā)生了變化，自腐蝕電流密度都有不同程度的降低。其中：噴涂DZ-1 緩蝕劑的2Al2-T4 鋁合金自腐蝕電流密度最小，緩蝕效率最高，為99.7%；WD-40和DJB-823也都有較好的緩蝕效果，緩蝕效率都高于90%，TFHS-20 的緩蝕效率較低，為74.4%。結(jié)果表明，4種緩蝕劑的緩蝕效率從高至低依次為DZ-1、WD-40、DJB-823、TFHS-20。

圖4 噴涂不同緩蝕劑的2Al2-T4鋁合金Tafel曲線Fig.4 Tafel curves of 2Al2-T4 aluminum alloy sprayed with different corrosion inhibitors

表6 噴涂不同緩蝕劑的2Al2-T4鋁合金Tafel曲線擬合結(jié)果Tab.6 Fitting results of Tafel curves of 2Al2-T4 aluminum alloy sprayed with different corrosion inhibitors

2.2 EIS

EIS 測得的Nyquist 圖，采用Zsimpwin 軟件擬合。試驗得到的Nyquist 圖主要分為2 類：只有1 個容抗??；有2 個容抗弧。結(jié)合Nyquist 圖對應(yīng)的Bode 圖來看，Nyquist 圖為1 個容抗弧的，其Bode 圖對應(yīng)單一的時間常數(shù)；Nyquist 圖為2 個容抗弧的，其Bode 圖對應(yīng)2個時間常數(shù)。對于Bode圖為單一時間常數(shù)的，采用R（QR）等效電路進行擬合；對于Bode圖體現(xiàn)為2個時間常數(shù)變化的，采用R（QR）（QR）等效電路進行擬合。擬合結(jié)果中，Rct是電荷轉(zhuǎn)移電阻（Ω·cm2），通過計算可以得到緩蝕效率η，其計算公式為：

式（2）中：Rct,0是未噴涂緩蝕劑的合金材料的電荷轉(zhuǎn)移電阻；Rct是噴涂緩蝕劑后的合金材料的電荷轉(zhuǎn)移電阻[26-27]。

2.2.1 T2銅合金

圖5為噴涂4種類型緩蝕劑的T2銅合金及其空白樣在天然海水中的Nyquist圖。表7為其Nyquist圖的擬合結(jié)果。

圖5 噴涂不同緩蝕劑的T2銅合金Nyquist圖Fig.5 Nyquist diagrams of T2 copper alloy sprayed with different corrosion inhibitors

表7 噴涂不同緩蝕劑的T2 銅合金Nyquist圖擬合結(jié)果Tab.7 Fitting results of Nyquist diagrams of T2 copper alloy sprayed with different corrosion inhibitors

從圖5 和表7 可以看出，噴涂不同緩蝕劑后的T2銅合金的Nyquist 圖中圓弧的半徑都要大于未噴涂緩蝕劑的T2 銅合金，其中DZ-1 的圓弧半徑最大。從擬合結(jié)果來看，DZ-1的Rct最大，達到2.182×106Ω·cm2，遠大于空白樣的Rct（6.788×102Ω·cm2）。Nyquist 圖中圓弧的半徑越大，對應(yīng)的Rct越大，表明緩蝕劑的緩蝕效果越好。結(jié)果表明，4 種緩試劑的緩蝕效率都大于90%，緩蝕效率從高到低依次為DZ-1、TFHS-20、DJB-823、WD-40，其中：DZ-1、TFHS-20 和DJB-823 的緩蝕效率與Tafel曲線法得到的結(jié)果吻合較好，偏差不超過5%；WD-40 的緩蝕效率EIS 與Tafel 曲線法得到的結(jié)果偏差為10%。

2.2.2 H62銅合金

噴涂4種類型緩蝕劑的H62銅合金及其空白樣在天然海水中的Nyquist 圖，如圖6 所示。表8 為其Nyquist 圖的擬合結(jié)果。從圖6 和表8 可以看出，噴涂不同緩蝕劑后H62 銅合金的Nyquist 圖中圓弧的半徑都要大于未噴涂緩蝕劑的H62 銅合金，其中，DZ-1 的圓弧半徑最大。從擬合結(jié)果來看，DZ-1的Rct最大，達到1.696×106 Ω·cm2， 遠 大 于 空 白 樣 的Rct(4.035×103 Ω·cm2) 。Nyquist 圖中圓弧的半徑越大，對應(yīng)的Rct越大，表明緩蝕劑的效果越好。結(jié)果表明，DZ-1、DJB-823 和WD-40 緩蝕劑的緩蝕效率都大于90%，緩蝕效率從高到低依次為DZ-1、DJB-823、WD-40、TFHS-20。其中：DZ-1、WD-40 和DJB-823 的緩蝕效率與Tafel曲線法得到的結(jié)果吻合很好，偏差不超過1.5%；TFHS-20的緩蝕效率EIS與Tafel曲線法得到的結(jié)果偏差為8.7%。

圖6 噴涂不同緩蝕劑的H62銅合金Nyquist圖Fig.6 Nyquist diagrams of H62 copper alloy sprayed with different corrosion inhibitors

表8 噴涂不同緩蝕劑的H62 銅合金Nyquist圖擬合結(jié)果Tab.8 Fitting results of Nyquist diagrams of H62 copper alloy sprayed with different corrosion inhibitors

2.2.3 2Al2-T4鋁合金

圖7 為噴涂4 種類型緩蝕劑的2Al2-T4 鋁合金及其空白樣在天然海水中的Nyquist 圖。表9 為其Nyquist圖的擬合結(jié)果。

表9 噴涂不同緩蝕劑的2Al2-T4鋁合金Nyquist圖擬合結(jié)果Tab.9 Fitting results of Nyquist diagrams of 2Al2-T4 aluminum alloy sprayed with different corrosion inhibitors

圖7 噴涂不同緩蝕劑的2Al2-T4鋁合金Nyquist圖Fig.7 Nyquist diagrams of 2Al2-T4 aluminum alloy sprayed with different corrosion inhibitors

從圖7 和表9 可以看出，噴涂不同緩蝕劑后的2Al2-T4 鋁合金的Nyquist 圖中圓弧的半徑都要大于未噴涂緩蝕劑的2Al2-T4鋁合金，其中DZ-1的圓弧半徑最大。從擬合結(jié)果來看，DZ-1 的Rct最大，達到1.696×106Ω·cm2， 遠 大 于 空 白 樣 的Rct(4.035×103Ω·cm2)。Nyquist圖中圓弧的半徑越大，對應(yīng)的Rct越大，表明緩蝕劑的緩蝕效果越好。結(jié)果表明，4種緩試劑的緩蝕效率都大于90%，緩蝕效率從高到低依次為DZ-1、WD-40、DJB-823、TFHS-20。其中：DZ-1、WD-40 的緩蝕效率EIS 與Tafel 曲線法得到的結(jié)果吻合很好，偏差不超過1%；DJB-823 和TFHS-20 的緩蝕效率EIS 與Tafel 曲線法得到的結(jié)果偏差分別為6.9%和21%。

其中，TFHS-20 使用2 種方法得到緩蝕效果的偏差為21%，樣品的重復(fù)EIS 和Tafel 試驗，緩蝕效率偏差都在20%左右。分析原因，可能是鋁合金在噴涂TFHS-20緩蝕劑后，EIS在開路電位下測量，腐蝕電流極低，為300 nA 左右，緩蝕劑在鋁合金表面形成的保護膜沒有被破壞，所以，TFHS-20 對鋁合金具有較好的緩蝕效果，緩蝕效率能達到90%以上。而Tafel法在-0.25 ～0.25 V（相對于開路電位）的掃描電壓作用下進行測試，電路中的腐蝕電流最大達到40 μA，相對于EIS法，腐蝕電流增大了將近10倍。Tafel法施加的掃描電壓破壞了TFHS-20 緩蝕劑在金屬表面形成的保護膜，使得TFHS-20 緩蝕劑的緩蝕效率降低至74.4%。而機載電子電氣設(shè)備緩蝕劑要求電子電氣設(shè)備在通電工作狀態(tài)時，其所形成的保護膜也較難被破壞，從而可延緩電子電氣設(shè)備的腐蝕。由此也證明，只通過1 種方法來判斷緩蝕劑的緩蝕效果是不科學(xué)的，需要多種方法相互結(jié)合。Tafel法在分析有電流存在的情況下，緩蝕劑的緩蝕效果有其他方法不可取代的優(yōu)勢。

2.3 噴涂緩蝕劑前后宏觀形貌

2Al2-T4 鋁合金電化學(xué)試驗前后的宏觀形貌，如圖8 所示，其中：圖8 a）是2Al2-T4 鋁合金打磨處理后未噴涂緩蝕劑且未經(jīng)過電化學(xué)試驗前的宏觀形貌；圖8 b)分別是經(jīng)過電化學(xué)試驗的未噴涂緩蝕劑及噴涂緩蝕劑2Al2-T4 鋁合金宏觀形貌。電化學(xué)試驗即按照“1.4試驗過程”處理后的鋁合金樣品在海水中分別經(jīng)過開路電位、EIS、Tafel曲線法測試，試驗時間1.5～2 h。

圖8 2Al2-T4鋁合金電化學(xué)試驗前后的宏觀形貌Fig.8 Macroscopic morphologies of electrochemical experiments of 2Al2-T4 aluminum alloy

從圖8 可以看出：未噴涂緩蝕劑的2Al2-T4 鋁合金經(jīng)過電化學(xué)試驗之后，與海水接觸的1 cm2圓孔表面腐蝕嚴重，點蝕坑較多；而噴涂緩蝕劑的2Al2-T4鋁合金，與海水接觸的1 cm2圓孔表面，肉眼基本看不到腐蝕，緩蝕效率稍低者與海水接觸的1cm2圓孔表面會出現(xiàn)均勻腐蝕，但無點蝕坑出現(xiàn)。由此也可以從宏觀形貌來粗略推斷緩蝕劑的效果。

3 結(jié)論

綜合以上試驗結(jié)果：對于T2、H62這2種銅合金，4種緩蝕劑對其都具有較好的緩蝕效果，緩蝕效率都高于90%；而DZ-1、WD-40 和DJB-823 這3 種緩蝕劑對2Al2-T4 鋁合金具有較好的緩蝕效果，緩蝕效率都高于90%；對于T2、H62 銅合金以及2Al2-T4 鋁合金，由于DZ-1緩蝕劑Tafel法和EIS法得到的緩蝕效率都高于99.5%，所以，對于T2、H62 銅合金以及2Al2-T4 鋁合金來說，DZ-1緩蝕劑是4種緩蝕劑中效果最優(yōu)的緩蝕劑，下一步可在機載電子電氣設(shè)備的相關(guān)組件上進行試驗，研究具體的使用方法。