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鋁合金結(jié)構(gòu)耐腐蝕性能研究現(xiàn)狀簡(jiǎn)述

2022-12-30 14:02:29 作者：郭小農(nóng)，宗紹晗等來源：腐蝕與防護(hù) 分享至：

鋁合金結(jié)構(gòu)外型美觀、耐腐蝕性強(qiáng)，具有廣泛的應(yīng)用前景。然而，關(guān)于鋁合金結(jié)構(gòu)在高腐蝕性環(huán)境下的行為尚無系統(tǒng)研究，限制了其在復(fù)雜惡劣環(huán)境下的應(yīng)用。

隨著材料科學(xué)和結(jié)構(gòu)工程的不斷發(fā)展，鋁合金逐漸成為一種常用的建筑材料，已較廣泛地應(yīng)用在空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)、人行天橋、門式剛架中。鋁合金材料的自重約為鋼材的三分之一，強(qiáng)度和低碳鋼相近，具有良好的耐腐蝕性能，是一種性能良好的綠色建筑材料。

金屬結(jié)構(gòu)在使用過程中，受到服役環(huán)境的影響，會(huì)出現(xiàn)各種各樣的損傷，其中腐蝕是較為常見的一種損傷形式。金屬腐蝕現(xiàn)象普遍存在于國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)的各個(gè)領(lǐng)域，危害極其嚴(yán)重，會(huì)造成重大的經(jīng)濟(jì)損失，甚至導(dǎo)致安全事故。

眾所周知，鋁是一種非常活潑的金屬，其表面能自然形成一層致密的氧化膜，這使得鋁材料在普通大氣環(huán)境下表現(xiàn)出優(yōu)良的耐腐蝕性；并且還可以在工廠對(duì)成型構(gòu)件進(jìn)行表面處理，進(jìn)一步提高其耐腐蝕性。因此，作為一種在腐蝕性環(huán)境中性價(jià)比較高的選擇，鋁合金結(jié)構(gòu)具有較好的耐久性，能顯著降低結(jié)構(gòu)服役期間的維護(hù)費(fèi)用。

近年來，隨著鋁合金建筑結(jié)構(gòu)的不斷發(fā)展和應(yīng)用，針對(duì)鋁合金結(jié)構(gòu)在極端惡劣大氣環(huán)境中的耐久性研究需求日益凸顯。

鋁合金大氣腐蝕特點(diǎn)

鋁合金具有優(yōu)良的耐腐蝕性能，但并不意味著完全不會(huì)出現(xiàn)腐蝕現(xiàn)象。飛機(jī)常用鋁合金材料制造，充分利用了鋁合金輕質(zhì)高強(qiáng)的特點(diǎn)，然而在高鹽高濕環(huán)境介質(zhì)的作用下卻又具有相當(dāng)?shù)母g敏感性。例如1981年，臺(tái)灣民航客機(jī)B-737遭遇空難，之后查明是該機(jī)經(jīng)常運(yùn)輸海鮮，機(jī)身下部鋁合金結(jié)構(gòu)多處發(fā)生嚴(yán)重的晶間腐蝕、剝蝕，導(dǎo)致出現(xiàn)裂紋和孔洞，在空中增壓時(shí)引發(fā)爆破解體。

從腐蝕的外觀形貌來看，金屬的腐蝕可分為均勻腐蝕和局部腐蝕。對(duì)于鋁合金來說，其表面存在的氧化膜具有良好的保護(hù)性，故均勻腐蝕現(xiàn)象非常輕微，甚至不會(huì)出現(xiàn)。然而，在某些極端條件下，則可能出現(xiàn)局部腐蝕現(xiàn)象，并會(huì)造成一定的危害。鋁合金在海洋大氣環(huán)境下的局部腐蝕主要包括點(diǎn)蝕、電偶腐蝕、縫隙腐蝕、剝落腐蝕、晶間腐蝕和應(yīng)力腐蝕等。

現(xiàn)有的研究證明，在鹵素離子含量高的潮濕大氣環(huán)境中，空氣中的鹵素離子（如氯離子）會(huì)侵蝕鋁合金材料表面的氧化膜，破壞防護(hù)層，形成腐蝕坑。尤其是在沿海、多雨、潮濕、高溫和工業(yè)污染較為嚴(yán)重的地區(qū)，應(yīng)特別注意鋁合金材料的腐蝕，避免出現(xiàn)嚴(yán)重的安全事故和經(jīng)濟(jì)損失。此外，在實(shí)際施工過程中，構(gòu)件不可避免地會(huì)出現(xiàn)碰撞、劃擦和磨損，這些都會(huì)破壞鋁合金構(gòu)件表面的氧化膜，降低其耐腐蝕性。另外，鋁合金結(jié)構(gòu)在服役過程中，受到的外荷載也可能使其表面的氧化膜開裂，從而降低其耐腐蝕性。

鋁和鋁合金的耐腐蝕性能主要取決于其表面鈍化膜的性質(zhì)及其在各種環(huán)境中的穩(wěn)定性。腐蝕現(xiàn)象的影響因素非常復(fù)雜，受到氣候條件、空氣中污染物濃度和材料本身性質(zhì)等各種因素的影響，而且各因素之間還有耦合效應(yīng)。這也造成了鋁合金的各種腐蝕破壞形式之間存在一定的關(guān)聯(lián)，比如點(diǎn)蝕會(huì)逐步發(fā)展為晶間腐蝕和剝落腐蝕，而各種局部腐蝕又會(huì)成為應(yīng)力腐蝕的裂紋源。

鋁合金腐蝕試驗(yàn)研究現(xiàn)狀

現(xiàn)有的關(guān)于鋁合金腐蝕的研究，基本都集中在材料科學(xué)中。通過各種電化學(xué)測(cè)量技術(shù)，評(píng)定鋁合金的耐腐蝕性能。但是對(duì)于鋁合金腐蝕后力學(xué)性能的相關(guān)研究非常少。另外，值得注意的是，鋁合金牌號(hào)繁多，從1×××系至9×××系，各種各樣的合金成分對(duì)鋁合金本身的耐腐蝕性能影響很大。例如，常用的高強(qiáng)鋁合金2×××系鋁合金（以銅為主要合金元素）和7×××系鋁合金（以鋅為主要合金元素）的強(qiáng)度較高，但是其耐腐蝕性較差；3×××系鋁合金（以錳為主要合金元素）、5×××系鋁合金（以鎂為主要合金元素）和6×××鋁合金（以鎂和硅為主要合金元素）則具有更好的耐腐蝕性能，屬于中等強(qiáng)度鋁合金。

通常來說，鋁合金橋梁中建議使用5×××系和6×××系鋁合金，原因在于其強(qiáng)度和耐腐蝕性能更加適合工程應(yīng)用。我國《鋁合金結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50427—2007）中也規(guī)定，鋁合金結(jié)構(gòu)型材宜采用5×××系和6×××系鋁合金，板材宜采用3×××系和5×××系鋁合金。建筑結(jié)構(gòu)用鋁合金牌號(hào)的選用充分考慮了材料的強(qiáng)度和耐久性要求。

腐蝕試驗(yàn)是探究金屬大氣腐蝕規(guī)律的有效手段。目前金屬腐蝕試驗(yàn)研究一般通過室外大氣暴露試驗(yàn)和室內(nèi)模擬加速試驗(yàn)來進(jìn)行。衡量金屬腐蝕程度的指標(biāo)包括年失重率或年增重率，孔蝕坑的深度、面積和密度分布，以及腐蝕后力學(xué)性能損失量等。觀察腐蝕形貌和腐蝕產(chǎn)物時(shí)，可以使用掃描電子顯微鏡、原子力顯微鏡、激光掃描共聚焦顯微鏡等。另外也可以采用電化學(xué)工作站、掃描開爾文探針技術(shù)等電化學(xué)測(cè)量手段來研究金屬腐蝕。

1 室外大氣暴露腐蝕試驗(yàn)研究現(xiàn)狀

室外大氣暴露試驗(yàn)是將所研究的金屬材料或試件放置在實(shí)際使用環(huán)境下進(jìn)行暴露試驗(yàn)，是最直接的研究方法。鋁合金耐候性的研究由來已久。對(duì)于均勻腐蝕的金屬來說，如鐵、鋅等，腐蝕失重率或平均損失厚度是具有相當(dāng)可信度的衡量腐蝕程度的指標(biāo)；但是對(duì)于鋁合金這類具有明顯局部腐蝕特征的金屬，這兩種指標(biāo)并不能完全反映腐蝕程度。因此，采用蝕坑深度和分布密度及剩余力學(xué)性能可更好地反映腐蝕損傷程度。表1給出了部分文獻(xiàn)中的室外暴露腐蝕試驗(yàn)數(shù)據(jù)。可以看出鋁合金耐大氣腐蝕性能良好，蝕坑深度基本處于微米級(jí)別。下文將對(duì)表1給出的部分文獻(xiàn)中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行闡述。

01 短期室外大氣暴露腐蝕試驗(yàn)

通過短期的室外暴露試驗(yàn)?zāi)軌蛱骄夸X合金的初期大氣腐蝕行為。HERN NDEZ等在西班牙特內(nèi)里費(fèi)島進(jìn)行了大氣暴露試驗(yàn)。該試驗(yàn)并未說明采用了何種牌號(hào)鋁合金，根據(jù)其合金成分推測(cè)為5×××鋁合金，半年后試件表面出現(xiàn)了點(diǎn)蝕現(xiàn)象，即使是在最嚴(yán)酷的腐蝕環(huán)境下，蝕坑平均深度不超過60μm。

國內(nèi)王沙沙等在青島對(duì)6061-T651鋁合金進(jìn)行了海洋-工業(yè)大氣環(huán)境下的室外暴露試驗(yàn)。一年后，其屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度降低幅值均在5%以內(nèi)；之后又進(jìn)行了6061-T6鋁合金與30CrMnSiNi2A結(jié)構(gòu)鋼電偶連接件的室外暴露試驗(yàn)，證明了異種金屬接觸會(huì)顯著降低鋁合金的耐腐蝕性，且空氣中硫化物會(huì)促進(jìn)沿晶腐蝕的發(fā)展。

ELOLA等也在西班牙的5個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)對(duì)A1050鋁合金進(jìn)行了長(zhǎng)達(dá)4年的大氣暴露試驗(yàn)。最終發(fā)現(xiàn)，在海洋-工業(yè)大氣環(huán)境下，鋁合金的腐蝕情況最嚴(yán)重；而在大陸性氣候的鄉(xiāng)村地區(qū)，鋁合金的腐蝕情況最輕微。隨時(shí)間延長(zhǎng)，腐蝕坑密度遵循線性增長(zhǎng)規(guī)律，而腐蝕坑平均深度和最大深度遵循雙對(duì)數(shù)規(guī)律。

SURNAM等在毛里求斯島上對(duì)A1050鋁合金進(jìn)行了為期1.5年的暴露試驗(yàn)，得到最大腐蝕深度約為50μm；并采用冪指函數(shù)擬合了最大蝕坑深度增長(zhǎng)曲線。

02 中、長(zhǎng)期室外大氣暴露腐蝕試驗(yàn)

短期鋁合金室外暴露腐蝕試驗(yàn)證明了其腐蝕具有點(diǎn)分布的特征，且鋁合金在大氣中暴露一段時(shí)間后的腐蝕速率會(huì)迅速降低。鑒于鋁合金在大氣中腐蝕速率低、發(fā)展慢，而且國際上普遍認(rèn)為材料自然腐蝕數(shù)據(jù)需要8~10年以上才有真正的應(yīng)用價(jià)值，所以中、長(zhǎng)期的腐蝕試驗(yàn)是必需的，這對(duì)于認(rèn)識(shí)鋁合金結(jié)構(gòu)在整個(gè)壽命周期內(nèi)的承載性能變化具有重要的參考意義。

早在20世紀(jì)20年代，美國Alcoa實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了相當(dāng)廣泛的鑄造鋁合金和變形鋁合金的暴露試驗(yàn)，大約有25000個(gè)試件。從20世紀(jì)四五十年代，法國和意大利也相繼開展了鋁和鋁合金的大氣暴露試驗(yàn)。我國起步較晚，從20世紀(jì)80年代才開始進(jìn)行相關(guān)的試驗(yàn)。

GHALI給出了6061-T鋁合金在海洋大氣環(huán)境（巴拿馬）下的中、長(zhǎng)期腐蝕情況，暴露試驗(yàn)持續(xù)了16年，測(cè)得每年平均腐蝕深度為17.3μm。

FUENTE等通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在工業(yè)或海洋大氣中，鋁合金的腐蝕情況最嚴(yán)重，暴露16年后觀察到大約100μm深的腐蝕坑；根據(jù)該試驗(yàn)所用合金成分，推斷為1×××系鋁合金。以上兩類試驗(yàn)都證明了鋁合金具有較好的長(zhǎng)期耐腐蝕性能。

鋁及鋁合金在不同環(huán)境下的腐蝕敏感性差異很大，在我國不同自然環(huán)境下的腐蝕率相差6~15倍，而相對(duì)易腐蝕環(huán)境為海洋大氣、濕潤工業(yè)環(huán)境、工業(yè)污染環(huán)境。鄭棄非等對(duì)10種鋁合金在我國7個(gè)典型大氣試驗(yàn)站進(jìn)行了10年暴露試驗(yàn)。得出結(jié)論：影響鋁合金中、長(zhǎng)期腐蝕的環(huán)境因素中，污染物因素是主要的，氣候因素是次要的；其中，空氣中SO2含量的影響最為顯著。大量研究均表明，鋁合金大氣腐蝕最敏感的環(huán)境是海洋和工業(yè)大氣環(huán)境。

鋁合金在腐蝕發(fā)展過程中腐蝕速率的變化基本遵循“先快后慢”的特點(diǎn)。WALTON等進(jìn)行了各種Alcoa變形鋁合金和鑄造鋁合金的長(zhǎng)期大氣耐候性試驗(yàn)。結(jié)果表明，鋁合金在大氣中暴露1~2年后，腐蝕速率迅速衰減，表現(xiàn)出“自停止”的現(xiàn)象。即使是耐腐蝕性較差的鋁合金，在嚴(yán)酷海洋大氣環(huán)境下，腐蝕坑深度每年增長(zhǎng)小于50μm；在普通大氣環(huán)境下，每年增長(zhǎng)小于25μm。

文邦偉等在萬寧試驗(yàn)站進(jìn)行了10年的大氣暴露試驗(yàn)，研究了純鋁、防銹鋁、鍛鋁和硬鋁的耐腐蝕性，1年平均腐蝕深度約為0.2~0.45μm/a，10年后的年平均腐蝕深度為0.08~0.25μm/a，表明腐蝕速率隨時(shí)間迅速減緩。

文邦偉等和林德源均指出鋁合金的腐蝕產(chǎn)物會(huì)堆積在金屬表面，具有一定的防腐作用。

03 腐蝕規(guī)律模型

通過對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的總結(jié)分析，學(xué)者們?cè)噲D建立各種數(shù)學(xué)模型來描述鋁和鋁合金在不同大氣環(huán)境下的腐蝕行為。

最常見的腐蝕模型為冪指函數(shù)模型，AZIZ等提出采用冪指函數(shù)來表達(dá)蝕坑深度增長(zhǎng)規(guī)律。冪指函數(shù)增長(zhǎng)規(guī)律的表達(dá)式為：

式中：C為腐蝕程度；t為暴露腐蝕時(shí)間；k為與材料和環(huán)境相關(guān)的參數(shù)。

其中，指數(shù)n在SURNAM等試驗(yàn)?zāi)Ｐ停⊿模型）中約為0.2，而在Godard模型（G模型）中則為1/3。相比于G模型，S模型能更好地代表毛里求斯大氣環(huán)境下的鋁合金最大腐蝕深度增長(zhǎng)規(guī)律，從中可以得出：針對(duì)不同的大氣環(huán)境和材料屬性，k和n均應(yīng)通過大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)確定，以得到符合當(dāng)?shù)貧夂驐l件的腐蝕深度增長(zhǎng)規(guī)律。

MELCHERS調(diào)查了大量鋁合金腐蝕試驗(yàn)數(shù)據(jù)，認(rèn)為相比冪指函數(shù)模型，雙峰函數(shù)模型更適用于描述蝕坑深度增長(zhǎng)規(guī)律。

OTERO等根據(jù)腐蝕規(guī)律推斷蝕坑深度的增長(zhǎng)遵循半對(duì)數(shù)曲線，且推測(cè)在100年后最大蝕坑深度不會(huì)超過第1年的5倍。

ELOLA等則根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合了描述蝕坑深度發(fā)展規(guī)律的雙對(duì)數(shù)曲線。半對(duì)數(shù)函數(shù)模型和雙對(duì)數(shù)函數(shù)模型的表達(dá)式分別為：

式中：C為腐蝕程度；t為暴露腐蝕時(shí)間；a和b均為與腐蝕因素相關(guān)的擬合參數(shù)。

以上腐蝕模型的曲線如圖1所示。

圖1 腐蝕模型

鋁合金腐蝕發(fā)展的影響因素眾多，主要包括材料化學(xué)成分、材料微觀結(jié)構(gòu)、暴露溫度、暴露時(shí)間、局部溶液條件和應(yīng)力狀態(tài)等。此外，適用于短期腐蝕規(guī)律的模型未必適用于長(zhǎng)期腐蝕。因此要建立統(tǒng)一且具有相當(dāng)可信度的腐蝕模型是非常困難的。面對(duì)諸多的鋁合金類型和復(fù)雜的大氣環(huán)境，鋁合金的大氣腐蝕發(fā)展規(guī)律存在明顯的差別，必須通過足夠的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)腐蝕規(guī)律模型的參數(shù)進(jìn)行校準(zhǔn)。換句話說，對(duì)于特定的鋁合金牌號(hào)和大氣環(huán)境，需要對(duì)其腐蝕模型參數(shù)進(jìn)行專門的校準(zhǔn)，這就會(huì)耗費(fèi)大量的時(shí)間和經(jīng)濟(jì)成本。

2 室內(nèi)模擬加速腐蝕試驗(yàn)研究現(xiàn)狀

因室外腐蝕試驗(yàn)周期長(zhǎng)、耗費(fèi)大，室內(nèi)模擬加速腐蝕試驗(yàn)成為研究海洋大氣腐蝕的主要手段。加速試驗(yàn)必須滿足模擬性、重現(xiàn)性和加速性3個(gè)要求，直接影響到室內(nèi)模擬試驗(yàn)和室外暴露試驗(yàn)的相關(guān)性。常見的室內(nèi)模擬加速腐蝕試驗(yàn)有鹽霧試驗(yàn)、干濕周浸循環(huán)試驗(yàn)等。表2給出了部分文獻(xiàn)中的室內(nèi)模擬加速腐蝕試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

張琦對(duì)LC4和LY12兩種鋁合金均進(jìn)行了間歇鹽霧和周期輪浸加速試驗(yàn)，并與廣州和海南瓊海的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)采用pH=3.0的5%NaCl+0.5%(NH4)2SO2為溶液的間歇鹽霧試驗(yàn)對(duì)于大氣暴露腐蝕具有較好的模擬性和加速性。

王潔采用干濕循環(huán)鹽霧試驗(yàn)的方法對(duì)7075鋁合金（1mm厚）的腐蝕性能進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)5個(gè)周期后鋁合金強(qiáng)度下降約20%~30%。強(qiáng)度衰減較大的原因有兩個(gè)：一是7075鋁合金本身的耐腐蝕性較差；二是該試驗(yàn)中試件厚度太薄。鋁合金原始試件的厚度對(duì)其剩余力學(xué)性能存在較大的影響。在腐蝕深度相同的情況下，與較厚的鋁合金試件相比，較薄試件會(huì)表現(xiàn)出更明顯的強(qiáng)度降低。

由于鋁合金本身強(qiáng)度較低，故緊固件一般采用強(qiáng)度較高的其他金屬材料，如不銹鋼、碳素鋼等。在高濕、高鹽霧濃度的海洋環(huán)境下，異種金屬之間的接觸會(huì)導(dǎo)致電偶腐蝕。鋁合金的電位較低，通常作為陽極金屬而被加速腐蝕；不過，此類接觸一般會(huì)形成“大陽極-小陰極”的原電池，相對(duì)“小陽極-大陰極”來說較為安全。

MREMA等對(duì)常用的建筑用鋁合金6061-T6的耐腐蝕性能進(jìn)行了詳細(xì)研究。首先通過連續(xù)中性鹽霧試驗(yàn)研究安裝各種緊固件的鋁合金板的電偶腐蝕情況，預(yù)腐蝕時(shí)間為1000小時(shí)。結(jié)果表明，緊固件表面處理防腐性能從高到低依次為GEOMET鍍鋅涂層→絕緣襯套→鍍層墊圈（氯乙烯）→未表面處理。對(duì)于無保護(hù)層的鋁合金6061-T6（鋁板和緊固件均未表面處理），蝕坑最大深度為0.5mm。之后，繼續(xù)研究了在含氯環(huán)境中，埋置在水泥砂漿中的A6061-T6鋁合金板（9mm厚）的腐蝕行為，采用干濕循環(huán)加速腐蝕試驗(yàn)方法，所有預(yù)腐蝕試件的強(qiáng)度幾乎無損。

最后，MREMA等在沖繩的宮古島進(jìn)行室外暴露試驗(yàn)，得出結(jié)論：1000小時(shí)連續(xù)鹽霧試驗(yàn)大概對(duì)應(yīng)于直接大氣暴露試驗(yàn)的1~3年中的某個(gè)時(shí)間點(diǎn)。另外，若緊固件進(jìn)行了GEOMET表面處理，大氣暴露3年后毫無腐蝕。

除鹽霧試驗(yàn)外，干濕周浸循環(huán)和氙燈輻射試驗(yàn)也是模擬海洋大氣環(huán)境的方式。楊浪等對(duì)去除氧化膜后的6061-T651鋁合金在模擬工業(yè)-海洋大氣環(huán)境下的腐蝕進(jìn)行了研究。通過氙燈老化（59h）和周期浸潤（48h）試驗(yàn)，經(jīng)8個(gè)循環(huán)周期后，鋁合金出現(xiàn)點(diǎn)蝕和晶間腐蝕，其屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度分別降低4.1%和5.6%，這表明試樣的腐蝕沒有對(duì)強(qiáng)度造成明顯影響。

馮馳等采用與楊浪等相同的試驗(yàn)方法研究了不同表面處理下6061鋁合金和30CrMnSiA 結(jié)構(gòu)鋼的電偶腐蝕。腐蝕8個(gè)周期后，采用環(huán)氧聚酰胺底漆和丙烯酸聚氨酯面漆的復(fù)合防護(hù)涂層的6061鋁合金強(qiáng)度和塑性損失較小，抗拉強(qiáng)度和斷后伸長(zhǎng)率分別下降約6%和5%；而僅采用表面陽極氧化處理的6061鋁合金的抗拉強(qiáng)度和斷后伸長(zhǎng)率分別下降了約24.2%和13.4%。該試驗(yàn)中腐蝕溶液為具有強(qiáng)氧化性的酸性溶液，故大大加快了腐蝕速率，使得強(qiáng)度降低率約為1年青島海洋-工業(yè)大氣環(huán)境下的4倍；不過該試驗(yàn)結(jié)果是否能夠重現(xiàn)長(zhǎng)期暴露試驗(yàn)中的腐蝕規(guī)律也未可知。

為探究加速腐蝕試驗(yàn)方法的模擬性和加速性，劉明等對(duì)比分析了連續(xù)鹽霧、循環(huán)鹽霧、周期浸泡、周期降雨共四種模式的加速試驗(yàn)，認(rèn)為循環(huán)鹽霧試驗(yàn)及周期降雨可較好地模擬瓊海大氣環(huán)境下2A12鋁合金的腐蝕規(guī)律。

郝美麗等認(rèn)為通過鹽霧、干燥、濕熱、干燥、浸漬（NaHSO3溶液）的復(fù)合循環(huán)試驗(yàn)可用于模擬LY12鋁合金在海南萬寧試驗(yàn)站的大氣腐蝕行為。

韓德盛等設(shè)計(jì)了模擬海洋大氣腐蝕的“溶液浸泡-氣氛暴露”加速試驗(yàn)，且與間歇鹽霧和周期浸泡進(jìn)行對(duì)比，為進(jìn)一步改進(jìn)試驗(yàn)方法提供了參考。因此，模擬加速腐蝕試驗(yàn)方法需要針對(duì)具體的大氣環(huán)境進(jìn)行特定的設(shè)計(jì)，以更好地重現(xiàn)腐蝕發(fā)展規(guī)律；但是目前該方面的研究尚無突破性的進(jìn)展。

3 討論與小結(jié)

總的來說，腐蝕試驗(yàn)是研究金屬腐蝕的主要途徑。室外大氣暴露試驗(yàn)得到的結(jié)果數(shù)據(jù)真實(shí)可靠，最符合實(shí)際情況。短期室外大氣暴露試驗(yàn)的周期較短，能較早地觀察到金屬腐蝕現(xiàn)象，但是只能反映腐蝕初期行為；長(zhǎng)期室外大氣暴露試驗(yàn)?zāi)艿玫礁鼫?zhǔn)確、更長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)的金屬腐蝕行為規(guī)律，卻存在人力、物力耗費(fèi)大和試驗(yàn)周期長(zhǎng)的缺點(diǎn)。從本文搜集的數(shù)據(jù)來看，試驗(yàn)周期短則1~2年，長(zhǎng)則20年；而過長(zhǎng)的試驗(yàn)周期必然會(huì)增加試驗(yàn)過程中的不可控因素，造成試驗(yàn)組織困難。

室內(nèi)模擬加速腐蝕試驗(yàn)?zāi)茉趯?shí)驗(yàn)室條件下使用設(shè)備模擬腐蝕環(huán)境，加速腐蝕過程，預(yù)測(cè)真實(shí)大氣環(huán)境中的長(zhǎng)期腐蝕行為，節(jié)約人力、物力，因此成為主要的腐蝕試驗(yàn)手段。但是目前尚無任何加速試驗(yàn)?zāi)軌驕?zhǔn)確地重現(xiàn)室外大氣暴露下的自然腐蝕情況。即便如此，室內(nèi)模擬加速腐蝕試驗(yàn)仍是研究腐蝕規(guī)律不可缺少的一種手段，具有重要意義。

在各種加速腐蝕試驗(yàn)方法中，鹽霧試驗(yàn)是模擬大氣腐蝕的最主要方法。不過，單一的連續(xù)鹽霧試驗(yàn)對(duì)大氣暴露的模擬性并不好，而以干濕交替為基礎(chǔ)的加速腐蝕試驗(yàn)則能更好地再現(xiàn)真實(shí)大氣環(huán)境，其結(jié)果更接近自然腐蝕情況。為探究多種腐蝕因素的影響，較準(zhǔn)確地模擬金屬的腐蝕行為，學(xué)者們開始致力于研究多因子復(fù)合循環(huán)加速腐蝕試驗(yàn)，如北京航空材料研究所研制的8因子加速試驗(yàn)裝置，與自然暴露試驗(yàn)相比具有良好的一致性。

總而言之，室外大氣暴露試驗(yàn)仍需持續(xù)進(jìn)行，以完善腐蝕數(shù)據(jù)庫。室內(nèi)腐蝕試驗(yàn)方法的研究方向應(yīng)考慮多環(huán)境因子復(fù)合影響，有針對(duì)性地設(shè)計(jì)各類大氣環(huán)境下的室內(nèi)加速腐蝕試驗(yàn)。

既有鋁合金結(jié)構(gòu)的腐蝕評(píng)價(jià)

腐蝕試驗(yàn)?zāi)軌蚋鶕?jù)研究目的靈活設(shè)計(jì)，更準(zhǔn)確地表現(xiàn)出鋁合金的腐蝕特性，但是時(shí)間和經(jīng)濟(jì)成本很高。故通過對(duì)現(xiàn)有鋁合金結(jié)構(gòu)進(jìn)行腐蝕程度評(píng)定檢測(cè)，是一種有效的評(píng)價(jià)鋁合金結(jié)構(gòu)耐久性的手段。

1 鋁合金結(jié)構(gòu)腐蝕案例分析

相比于建筑結(jié)構(gòu)，鋁合金應(yīng)用于橋梁結(jié)構(gòu)的歷史更為悠久。鋁合金最早用在橋梁上是在1933年建成的匹茲堡史密斯菲爾德街大橋（圖2），該橋使用鋁制橋面板替換重型鋼木橋面，橋梁自重的降低使橋梁的承載力得到顯著提高。2014-T6鋁制橋面板一直使用到1967年，然后被更耐腐蝕的6061-T6鋁合金橋面板所取代，該橋面板一直使用到1995年。

圖2 史密斯菲爾德街大橋

1983年，ALISON調(diào)查了7座鋁合金橋梁服役20~30年后的損傷情況。其中，除加拿大Arvida橋（圖3）外，其余6座橋梁均使用6061-T6和5083-H113鋁合金。通過目測(cè)方法調(diào)查發(fā)現(xiàn)：腐蝕情況很少，大部分結(jié)構(gòu)基本無腐蝕，輕微點(diǎn)蝕也不影響結(jié)構(gòu)的安全性能。因腐蝕損傷而需要維護(hù)的只有Arvida橋，該橋建于1950年，位于鄉(xiāng)村地區(qū)。由于冰雪季節(jié)長(zhǎng)（4~5個(gè)月），因而附近道路上使用除冰鹽較多，服役環(huán)境惡劣。經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)，樹葉、草和泥土進(jìn)入了箱形柱并聚集在柱底造成排水孔堵塞，致使鋁合金墩柱底部出現(xiàn)剝落腐蝕；且在北部的底部水平橫梁上發(fā)現(xiàn)了一些小面積的剝落或分層（圖4a），支撐橋面的梁有微小腐蝕。最主要的腐蝕原因是采用了耐腐蝕性較差的2014-T6鋁合金，且未作任何防腐處理。后采用耐腐蝕性能更好的6061-T51鋁合金對(duì)橋墩進(jìn)行修復(fù)（圖4b），并采用6061-T6和6061-T651鋁合金對(duì)橋梁橫撐和主梁進(jìn)行替換。目前該結(jié)構(gòu)已服役近70年，情況良好。

圖3 加拿大Arvida鋁合金橋

圖4 加拿大Arvida鋁合金橋橋墩修復(fù)前、后

20世紀(jì)60年代，位于紐約長(zhǎng)島的兩座鋁合金橋建成通車。服役約20年后，鋁合金結(jié)構(gòu)無腐蝕現(xiàn)象。但是該橋有一個(gè)潛在隱患，上部鋁合金結(jié)構(gòu)和下部鋼支座之間直接接觸，在潮濕環(huán)境下易發(fā)生電偶腐蝕。在1996年的檢查中發(fā)現(xiàn)了這一現(xiàn)象，隨后對(duì)其進(jìn)行了維修。

1956年，德國的Schwansbell鋁合金橋梁（圖5）建成，該橋采用AlMgSi1 F32鋁合金，即相當(dāng)于現(xiàn)在的EN AW 6082-T6鋁合金。為驗(yàn)證鋁合金橋梁在高腐蝕性工業(yè)大氣環(huán)境下的耐腐蝕性，該橋表面未作任何表面處理。約服役50年后，除結(jié)構(gòu)表面呈現(xiàn)暗灰色外，各部件的承載力和使用功能均未受到影響，表現(xiàn)出優(yōu)異的穩(wěn)定性和耐久性（圖6）。

圖5 德國Schwansbell鋁合金橋

圖6 服役50年后Schwansbell鋁合金橋表面

1961年，日本現(xiàn)存時(shí)間最長(zhǎng)的鋁合金橋——金慶橋建成（圖7）。該橋位于日本內(nèi)陸，空氣中鹽分較少，但是環(huán)境潮濕，冬季會(huì)在道路上使用除冰鹽，所處環(huán)境較為惡劣。主體結(jié)構(gòu)自建成后未進(jìn)行過任何維修。服役56年后，在鋁合金制主梁、腹板、剪刀撐、橫梁以及這些構(gòu)件的連接部位（焊接、鉚接部位）上出現(xiàn)大范圍細(xì)小的腐蝕坑，但腐蝕深度淺，對(duì)結(jié)構(gòu)安全沒有影響。

圖7 日本金慶橋

2009年，上海崇明島建成一座鋁合金通信塔（圖8），該塔距海邊僅30m左右。筆者在2019年3月底觀察該通信塔的腐蝕問題，發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)表面無明顯腐蝕痕跡，連接處也未發(fā)現(xiàn)腐蝕跡象，主體結(jié)構(gòu)完好，表明鋁合金結(jié)構(gòu)在近海地區(qū)仍表現(xiàn)出很強(qiáng)的耐腐蝕性能。

圖8 上海鋁合金通信塔

近百年的鋁合金結(jié)構(gòu)發(fā)展史，充分證明了鋁合金結(jié)構(gòu)在復(fù)雜嚴(yán)酷環(huán)境下良好的耐久性。鋁合金即使未作表面處理，其在海洋大氣環(huán)境下的耐腐蝕性也比經(jīng)表面處理后的鋼材的耐腐蝕性更為優(yōu)良。在海洋大氣環(huán)境中發(fā)生的輕微點(diǎn)蝕也基本不會(huì)影響結(jié)構(gòu)整體承載力。

考慮到維修養(yǎng)護(hù)成本，嚴(yán)酷環(huán)境下鋁合金比鋼材更具性價(jià)比。但是，材料牌號(hào)的選取不當(dāng)、異種金屬的接觸以及連接處縫隙密封不良等情況，均可能導(dǎo)致電偶腐蝕和縫隙腐蝕的發(fā)生，必須在設(shè)計(jì)和施工過程中予以避免。值得慶幸的是，電偶腐蝕通常不會(huì)出現(xiàn)在鄉(xiāng)村或非沿海地區(qū)的鋁合金結(jié)構(gòu)中。

2 鋁合金結(jié)構(gòu)大氣腐蝕現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)方法

開展鋁合金結(jié)構(gòu)腐蝕情況的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，對(duì)于服役結(jié)構(gòu)的安全性評(píng)價(jià)、檢修具有重要意義。因場(chǎng)地等條件限制，諸多實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)手段無法應(yīng)用在現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)中，影響了鋁合金結(jié)構(gòu)腐蝕現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)的精度和效率。目前鋁合金結(jié)構(gòu)腐蝕檢測(cè)的主要項(xiàng)目有外觀檢查、腐蝕深度檢查、腐蝕產(chǎn)物分析和附著鹽分測(cè)量等；可采用的手段主要有目視檢測(cè)、渦流檢測(cè)、超聲檢測(cè)、滲透檢測(cè)、X射線檢測(cè)、電化學(xué)檢測(cè)等。

目前應(yīng)用最廣泛、效率最高的就是目視檢測(cè)。該方法依賴于工程師的經(jīng)驗(yàn)和主觀判斷，無法量化腐蝕程度。本文所涉及的工程案例均采用了此方法來調(diào)查結(jié)構(gòu)的腐蝕情況。目視檢測(cè)作為最基本的檢測(cè)方法，可快速地判斷服役結(jié)構(gòu)的腐蝕外觀，為進(jìn)一步的檢測(cè)提供指導(dǎo)。

因鋁合金獨(dú)特的材料性質(zhì)，局部腐蝕或點(diǎn)蝕是最常見的腐蝕形式。故腐蝕深度是一項(xiàng)重要的檢測(cè)項(xiàng)目，可采用渦流檢測(cè)、超聲檢測(cè)、X射線檢測(cè)等方法。除此以外，附著鹽分測(cè)量、腐蝕產(chǎn)物分析也在以上工程案例中有所采用，可用來分析大氣腐蝕的起因和類型。

通過腐蝕圖像可分析腐蝕原因、判斷腐蝕類型，對(duì)于評(píng)定結(jié)構(gòu)腐蝕程度具有重要意義。為此，部分學(xué)者開展了基于圖像處理技術(shù)的鋁合金腐蝕評(píng)價(jià)方法。該方法通過對(duì)腐蝕圖像進(jìn)行提取、處理，得到二值圖像特征，最后可據(jù)此評(píng)定鋁合金的腐蝕等級(jí)，是一種應(yīng)用前景廣闊的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)手段。

3 討論與小結(jié)

因傳統(tǒng)觀念中認(rèn)為鋁合金結(jié)構(gòu)耐腐蝕性強(qiáng)，對(duì)于鋁合金結(jié)構(gòu)的防腐和腐蝕評(píng)定未給予足夠的重視。然而，既有結(jié)構(gòu)的腐蝕檢測(cè)表明，在高腐蝕性環(huán)境下，施工中操作不當(dāng)會(huì)引起鋁合金結(jié)構(gòu)的腐蝕，并引發(fā)結(jié)構(gòu)安全問題，如加拿大Arvida鋁合金橋。因此，有必要發(fā)展鋁合金結(jié)構(gòu)的大氣腐蝕現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)技術(shù)。

值得一提的是，航空航天領(lǐng)域中關(guān)于鋁合金腐蝕的研究更為廣泛和深入，對(duì)鋁合金建筑結(jié)構(gòu)腐蝕檢測(cè)評(píng)定的相關(guān)研究具有重要的借鑒意義。但應(yīng)注意，建筑用和航空用鋁合金結(jié)構(gòu)的腐蝕之間存在巨大的差別，如服役環(huán)境、連接形式、材料種類、表面處理技術(shù)等。此外，有關(guān)鋁合金結(jié)構(gòu)腐蝕等級(jí)評(píng)價(jià)的相關(guān)研究尚未見諸報(bào)端，需在大量腐蝕試驗(yàn)和檢測(cè)調(diào)查的基礎(chǔ)上擴(kuò)展相關(guān)研究。

結(jié) 論

(1) 鋁合金自身防腐性能優(yōu)越，即使未作任何表面處理，其耐腐蝕性也比經(jīng)表面處理后的鋼材的耐腐蝕性更為優(yōu)良；但在極端大氣環(huán)境和施工操作不當(dāng)?shù)那闆r下，仍可能會(huì)產(chǎn)生危害結(jié)構(gòu)安全性的腐蝕現(xiàn)象。

(2) 相對(duì)于鋁合金牌號(hào)的種類繁多，目前國內(nèi)外對(duì)鋁合金的室外大氣暴露腐蝕試驗(yàn)研究遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足，有必要進(jìn)行更長(zhǎng)時(shí)間跨度和更多大氣環(huán)境下的腐蝕試驗(yàn)，以完善腐蝕數(shù)據(jù)庫。

(3) 室內(nèi)加速模擬腐蝕試驗(yàn)方法并不能完全模擬真實(shí)環(huán)境下的鋁合金腐蝕情況，因此有必要改進(jìn)和創(chuàng)新室內(nèi)加速模擬腐蝕試驗(yàn)方法，以期能夠盡可能地再現(xiàn)真實(shí)大氣環(huán)境中材料的腐蝕過程，更加準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)鋁合金的中、長(zhǎng)期腐蝕行為。

(4) 影響鋁合金腐蝕的因素眾多且相互耦合，對(duì)腐蝕環(huán)境下多因素的鋁合金腐蝕模型的研究還有待進(jìn)一步開展；電偶腐蝕和縫隙腐蝕造成的危害更為明顯，因此鋁合金連接件的耐腐蝕性能有待深入研究，以得到不同緊固件對(duì)鋁合金連接耐腐蝕性能造成的影響。

(5) 大量已建鋁合金結(jié)構(gòu)的調(diào)查結(jié)果表明，鋁合金具有良好的耐腐蝕性能；但是，材料牌號(hào)選取不當(dāng)、異種金屬的接觸以及連接處縫隙密封不良均可能造成鋁合金的腐蝕，進(jìn)而影響結(jié)構(gòu)的安全性。

(6) 鋁合金結(jié)構(gòu)大氣腐蝕現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)技術(shù)和腐蝕評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)尚未成熟，無法量化腐蝕程度對(duì)鋁合金結(jié)構(gòu)服役壽命和承載力的影響。

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