哈爾濱工程大學坐落于美麗的松花江畔——北國冰城哈爾濱市。學校前身是創建于 1953 年的中國人民解放軍軍事工程學院（“哈軍工”）。學校現隸屬于國家工業和信息化部，是我國“三海一核”（船舶工業、海軍裝備、海洋開發、核能應用）領域重要的人才培養和科學研究基地。腐蝕與防護實驗室所屬的材料科學與化學工程學院源于 1970年成立的“潛艇與魚雷動力能源研究室”（對外稱新能源研究室）和 1978 年成立的金屬材料熱處理研究室。學院現有實驗室面積約 8186㎡ ，擁有設備資產約9000 余萬元，其中大型儀器設備包括：

    透射電子顯微鏡、掃描電子顯微鏡、X-射線衍射儀、500MHz 超導核磁共振波譜儀等。

    腐蝕與防護實驗室成立于 2005 年 7月，在隨后成長的歲月里一直受到中國腐蝕與防護學會王福會理事長和李曉剛秘書長的關心。至今，實驗室已走過了十個年頭，形成了一定的研究方向和特色，成為船海領域培養腐蝕與防護人才的一個重要基地。下面對實驗室的研究方向和成果進行簡單介紹：

    （1）金屬表面工程技術處理對材料腐蝕行為的影響：近年來國際材料界對納米材料的研究表明，大多數納米金屬或合金均具有優于相應的常規材料的耐腐蝕性能；對孿晶材料的研究也表明，材料中高共格孿晶的存在大大提高了材料的耐局部腐蝕性能，該研究方向設想制備出同時具備兩種結構的高耐蝕性的納米孿晶材料。已通過優化工藝參數利用磁控濺射技術制備具出納米孿晶結構的鋁涂層孿晶結構長度大約 100nm，孿晶片層之間距離為 30 － 50 nm；利用電沉積技術制備出了孿晶片層厚度為18nm 的鎳。通過動電位極化曲線、交流阻抗、電化學噪聲等電化學測試技術對其腐蝕行為進行研究，發現納米孿晶化顯著提高了純鋁、鎳的耐腐蝕性能。

    鎂合金防護涂層的防腐蝕效果至今依舊差強人意。其中一個重要的原因是當前的研究大多處于“就事論事”的階段，缺乏對共性問題的討論，工藝設計理論研究嚴重滯后。在眾多的化學轉化膜中，磷酸鹽轉化膜耐蝕性能最好且成本低廉，是一種代表性的化學轉化膜。

    其工藝設計思想可以概括為：1）設計H 3 PO 4 -H 2 PO 4 --HPO 4 2- 的復雜緩沖溶液，并在其中添加Zn 2+ 、 Ca 2+ 、 Mn 2+ 等離子 ； 2）鎂與 H + 離子反應造成合金表面的 pH 值升高，Mg 2+ 、Zn 2+ 等離子與 PO 4 3- 離子發生共沉積， 形成復雜的磷酸鹽沉積物；3）隨后這些離子發生電離補充減少的H + 、PO 4 3- ，然后周而復始最終獲得理想的磷酸鹽轉化膜。基于這一理念，我們提出了用“總酸度 /pH 值”的概念代替pH 值來進行磷酸鹽轉化膜工藝設計的思想，制備出的磷酸鹽轉化膜的耐蝕性能最大可以提高 4 倍，鹽霧實驗 200 小時鹽霧試驗腐蝕面積 <1%。

    在通訊及 3C 電子工業中，迫切需要鎂合金表面轉化膜兼具較高的耐蝕性和良好的導電性，而這是一對相互矛盾的性能指標。通過系統地研究，我們突破了這一難題，提出了全新的工藝設計思想：利用酸性環境促進 AZ91 鎂合金的微電偶腐蝕速度， 使得α相優先溶解，β 相突出形成足夠數量導電斑點，從而降低了收縮電阻（圖 2b,c）；然后利用高氧化性介質導致 β 相表面鈍化，形成薄且致密的鈍化膜，從而降低了膜電阻，較低的收縮電阻和膜電阻保證了轉化膜良好的導電性；再通過調整總酸度/pH 值，使得 α 相上能形成具有一定厚度且致密、均勻的磷化膜。這樣不僅有效地提了高轉化膜的電荷轉移電阻，使其具有較高的耐蝕性（圖 2 d），還保證了轉化膜的導電性。根據這一理念所制備的轉化膜膜厚 300nm 左右，膜層接觸電阻 <10 mΩ，鹽霧壽命達到 48小時，完全滿足某企業通訊器材用鎂合金的技術要求，并開展了初步規模的中試生產，取得了非常好的效果。

    同時還開展了鎂合金、鋁合金等閥金屬的表面微弧氧化的基礎應用研究，圖 3 是部分已應用的表面微弧氧化的船舶零部件。

    相關研究結果已在知名專業 SCI 專業 期 刊 Journal of The ElectrochemicalSociety，Electrochimica Acta，CorrosionScience，Scripta Materialia 上連續發表，相關技術已獲得授權發明專利 3 項。

    （2）海洋環境對常用海洋結構鋼腐蝕行為的影響：隨著我國海洋戰略的實施，材料在海洋環境下的腐蝕問題日益突出。該研究方向主要針對船舶、深潛器材料及海洋工程材料等在海洋大氣和深海條件下的腐蝕與防護展開較為深入的研究。該研究方向能夠和哈爾濱工程大學的“三海一核”優勢學科進行交叉，為“三海一核”工程技術的應用提供材料方面的理論支持。與淺海環境相比，深海環境存在巨大靜水壓力，此外，溶解氧、溫度、pH 值、鹽度等因素與表層海水環境因素也明顯不同，因而具有其獨特的環境特性。這種服役環境的變化往往使得淺海環境下性能優良的材料在深海環境中發生耐蝕、力學等性能的顯著變化。在深海環境條件下，這種材料性能惡化導致的失效構件很難進行更換或維修，甚至直接引發嚴重的工程事故，所以深海環境下對材料結構和功能可靠性的要求遠遠高于陸地和淺海環境下。對海工材料在深海環境中的腐蝕行為及與之相關的力學性能退化現象進行研究并發展相應的防護技術成為人類進行海洋資源開發過程中必須解決的一個重要課題。目前，實驗室較為系統地開展了鈍性材料、活性溶解材料的深海環境下的腐蝕行為，發現深海環境中，鈍性金屬表面的鈍化膜成長速度變慢、膜內缺陷增加，導致鈍性金屬的耐蝕性能變差。同時發現不同幾何形狀蝕坑的靜水壓力分布存在顯著的差異，應力分布差異與電化學過程的交互作用是影響材料腐蝕機制的主要因素，在此基礎上提出了深海腐蝕是“正彈性應力作用下的電化學腐蝕過程”的觀點。該觀點受到意大利國家科學委員會海洋科學研究所的 E.Canepa 教授及俄羅斯圣彼得堡大學的 G.Pronina 教授等國際同行的關注。

圖1 高密度納米孿晶鍍層的透射電鏡照片及其耐蝕行為表征

圖2 （a）接觸電阻示意圖，（b）導電-耐蝕功能性轉化膜工藝設計理論示
   意圖，（c）激光共聚焦顯微鏡結果表明β相作為導電斑點突出鎂合金表面，
（d）不同處理時間對導電性與耐蝕性的影響，（e）導電-耐蝕功能性轉化膜
的TEM結果

    另外，運用此方向上的鋼鐵腐蝕過程的滲氫研究成果，已成功為某企業解決了大型采煤支架實心活柱鍍層氫鼓泡的問題（圖 4）。目前，在該方向的研究結果已分別在 Corrosion Science，Materials and Corrosion,Electrochimica Acta上發表，獲得國家授權發明專利 5 項。

圖3 微弧氧化技術處理的鋁合金船舶零部件

圖4 大型采煤支架實心活柱鍍層的氫鼓泡

    （3） 海洋工程結構陰極保護和海水管路系統沖刷腐蝕仿真計算與優化設計：針對海洋工程結構腐蝕評估需求，基于多物理場耦合大型評估仿真平臺，開展多因素耦合條件下海洋工程結構腐蝕仿真評估模型和方法研究，建立水下部位和典型海水管路的腐蝕仿真模型。

    通過開展腐蝕仿真和驗證試驗，對評估模型的精度進行驗證，對評估輸入條件和模型進行完善和優化。在此技術上，計算多因素耦合作用條件下水下海洋工程結構和海水管路的綜合腐蝕速率，并對設計方案中采用的防腐措施的預期防護效果進行評價，從而實現對防腐蝕設計方案的評估，并找出技術設計階段腐蝕防護方案存在的薄弱環節，提出改進和優化建議。將海洋工程及管路腐蝕破壞的隱患消滅在設計制造階段，從而為它們的延壽做出貢獻。

    （4）海洋重防腐自修復涂料的研發。與國外相比，我國在重防腐涂料方面的研究和應用尚有很大差距。目前采用富鋅底漆 + 氯化橡膠中間漆 + 氯化橡膠面漆的配套體系，在大氣曝曬下只有 3 年的防護期效，在鹽霧、潮濕等環境中防護期效不超過2年， 在南海的 “三高”環境下，防護期更短，無法達到 10年的高標準防腐設計。因此，該方向針對這些問題，已經開展了近 8 年的研究工作，相關工作已陸續在國際知名專業期刊 Corrosion Science, Corrosion 等上發表。

圖5 普通涂料掃描電化學顯微鏡測試結果

圖6 該實驗室自制的一臺模擬海水管路沖刷腐蝕測試的實驗裝
置，與電化學工作站連接可以原位監測材料的腐蝕過程及防腐
涂層失效過程

    總之，哈爾濱工程大學腐蝕與防護實驗室還比較年輕，已經匯聚了一批有志于研究海洋材料腐蝕的青年學子，成為我國海洋工程腐蝕與防護人才培養的重要基地之一。但所取得的這些成果離不開各位腐蝕前輩和同行的關懷和支持，在此表示衷心的感謝！歡迎各位同行光臨美麗的哈爾濱做客，繼續為我們的實驗室的發展提出寶貴意見！

    作者簡介

    孟國哲，博士，教授，博士生導師。中國腐蝕與防護學會常務理事，國際期刊Global Journal ofPhysical Chemistry、中國腐蝕與防護學報編委。從事海洋環境下材料的腐蝕與防護研究工作。作為項目負責人承擔科國家級研課題多項。目前在Corrosion Science、Electrochimica Acta、Scripta Materialia、Journal of The Electrochemical Society、中國科學、中國腐蝕與防護學報等國內外知名刊物發表論文60余篇。目前感興趣的研究領域有：表面改性對金屬材料腐蝕行為的影響；深海環境對常用海洋結構鋼腐蝕行為的影響；環境-力交互作用對材料腐蝕行為的影響。