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管徑對(duì)B10管的沖刷腐蝕性能的影響

2016-08-17 10:18:36 安裝信息網(wǎng)

張素霞1 宋克興1,2 國(guó)秀花1, 2 張彥敏1，2 李曉孟1

（1．河南科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院；2．河南科技大學(xué)河南省有色金屬材料科學(xué)與加工技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）

摘要在自制的管材沖刷試驗(yàn)機(jī)上，研究了ϕ20 mm和ϕ38 mm的兩種B10合金管在人工海水中的沖刷腐蝕行為，測(cè)試了不同管徑的合金管在相同流速的人工海水中腐蝕速率的變化。結(jié)果表明，人工海水的流速一定時(shí)，B10合金管的腐蝕速率隨著沖刷時(shí)間的延長(zhǎng)逐漸降低，最后趨于平穩(wěn)。流速為3．0 m/s時(shí)，ϕ38 mm管材比ϕ20 mn1的管材腐蝕速率大。ϕ38 mm的管材沖刷48 h后開(kāi)始形成較完整的鈍化膜，而ϕ20 mm的管材在沖刷時(shí)間為96 h時(shí)才開(kāi)始形成鈍化膜。

關(guān)鍵詞 B10銅鎳合金管材；腐蝕速率；腐蝕質(zhì)量損失；電化學(xué)阻抗

中圖分類號(hào)TG172.5；TG146.1DOI:10. 15980/j．tzzz．2016. 06. 032

B10合金(CDA706)因耐海水腐蝕性能優(yōu)良，腐蝕的溫度敏感性較低，且具備優(yōu)良的抗污性能而被廣泛應(yīng)用于海洋工程中。該合金除用于大型油輪的螺旋槳、船體包殼外，主要用作管件，如冷凝管、海水管系等構(gòu)件。陳海燕等研究了B10和B30合金在Na Cl溶液中的電化學(xué)腐蝕行為，發(fā)現(xiàn)在給定電位的Na Cl溶液中B10合金的腐蝕分為脫鎳和脫銅兩種。林岳耘等研究了B10合金在海水中腐蝕一段時(shí)間后，表面會(huì)形成一層致密的腐蝕鈍化膜，從而阻止其進(jìn)一步腐蝕，增強(qiáng)了合金的耐蝕性。LOTFOLLAHI M等研究發(fā)現(xiàn)較大的海水流速會(huì)加快銅鎳合金的腐蝕。流動(dòng)海水中氯化物的含量也是影響銅鎳合金沖刷腐蝕速率的重要因素。針對(duì)B10合金沖刷腐蝕的研究較多，但是對(duì)其管材在實(shí)際應(yīng)用中的沖刷腐蝕問(wèn)題的研究比較少，尤其是B10合金管材的管徑大小對(duì)其沖刷腐蝕速率的影響。因此，本課題采用自制的模擬流動(dòng)海水對(duì)管材的沖擊腐蝕試驗(yàn)機(jī)，研究了管徑大小對(duì)B10合金管材耐沖刷腐蝕性能的影響。

1 試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)材料與制備

試驗(yàn)材料為B10合金管材，試樣尺寸及成分分別見(jiàn)表1和表2。

試驗(yàn)前將試樣進(jìn)行超聲清洗，洗凈后放在120℃的烘干箱中烘烤10 min，使其表面干燥，然后采用FA2004N型分析天平稱量其試驗(yàn)前后的質(zhì)量，試驗(yàn)介質(zhì)為人工海水。

1.2試驗(yàn)方法

將處理好的管材試樣裝在自制的模擬管材沖刷腐蝕的試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行循環(huán)海水沖刷腐蝕試驗(yàn)，設(shè)置人工海水的流速為3.0 m/s，沖刷時(shí)間分別為12、24、48、96、192 h，沖刷完成后立刻取下試樣，盡量保持其表面狀態(tài)進(jìn)行電化學(xué)測(cè)試、質(zhì)量損失測(cè)試（精確度為0.000 1 g）

以及微觀腐蝕形貌分析。

電化學(xué)測(cè)試采用三電極體系在CHI660D電化學(xué)工作站上進(jìn)行，參比電極為飽和甘汞電極( SCE)，輔助電極為石墨，電解質(zhì)溶液為3. 5%的NaCl溶液，整個(gè)試驗(yàn)在室溫下進(jìn)行。交流阻抗譜的測(cè)試頻率范圍為0.1 Hz～100 kHz，交流激勵(lì)信號(hào)幅值為5 mV;線性極化掃描速率為5 mV／s，開(kāi)路電位(OCP)。微觀腐蝕形貌觀察采用JSM-5610型掃描電鏡。

2 結(jié)果與分析

2.1 腐蝕質(zhì)量損失與腐蝕速率

圖1是兩種B10合金管經(jīng)人工海水沖刷腐蝕不同時(shí)間后的質(zhì)量損失。流動(dòng)海水沖刷腐蝕條件下，材料的質(zhì)量損失主要有兩個(gè)方面原因造成：一是以離子狀態(tài)流失的電化學(xué)腐蝕分量，即法拉第分量；二是以原子狀態(tài)流失的沖刷腐蝕分量，即非法拉第分量。用質(zhì)量損失方法所得到的腐蝕速率包含了這兩個(gè)質(zhì)量損失分量，從而可以較準(zhǔn)確地反應(yīng)材料的腐蝕情況。從圖1可以看出，隨著沖刷時(shí)間的延長(zhǎng)，B10合金管的質(zhì)量損失呈逐漸增加的趨勢(shì)，說(shuō)明在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中腐蝕一直在進(jìn)行。沖刷過(guò)程中，試樣表面的合金元素與溶液中的鹽離子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)使B10合金管質(zhì)量發(fā)生變化，部分金屬發(fā)生化學(xué)反應(yīng)后生成的化合物留在了合金的表面，從而形成了腐蝕鈍化膜，阻止了內(nèi)部金屬的進(jìn)一步腐蝕。從圖1還可以看出，在試驗(yàn)的初始階段質(zhì)量損失增加的比較快，隨著沖刷時(shí)間的延長(zhǎng)，質(zhì)量損失增加的速率逐漸減小。ϕ20 mm的B10合金管在48～96 h質(zhì)量損失增加得最為緩慢，后來(lái)又有所上升，這是因?yàn)樵摴茉?.0m/s的流速下沖刷48 h后表面的鈍化膜的形成逐漸致密完整并相對(duì)穩(wěn)定。繼續(xù)沖刷腐蝕到96 h后，由于流動(dòng)海水對(duì)合金管表面的沖刷力的作用會(huì)對(duì)氧化膜造成破壞，所以合金管在最后一個(gè)試驗(yàn)階段的質(zhì)量損失速度加快。ϕ38 mm的管材發(fā)生上述變化的時(shí)間有所提前，這可能是由于管徑的不同而造成的。

圖2為兩種管隨著沖刷時(shí)間延長(zhǎng)的腐蝕速率變化�？梢钥闯觯跊_刷腐蝕的初期，腐蝕速率較大，后期速率逐漸減小并趨于穩(wěn)定。ϕ38 mm的管在沖刷腐蝕過(guò)程中的腐蝕速率大于ϕ20 mm的，從腐蝕速率曲線的變化可以發(fā)現(xiàn)，ϕ38 mm的管材在前48 h內(nèi)腐蝕速率變化較快，隨后變得平穩(wěn)。ϕ20 mm的管材在前96 h內(nèi)腐蝕速率變化得較快，96 h后腐蝕速率幾乎不再變化。這說(shuō)明大管徑的腐蝕速率較小管徑的大。

2.2 電化學(xué)測(cè)試

2.2.1 沖刷腐蝕后自腐蝕電位(corr)的變化

圖3是ϕ20 mm的B10合金管在人工海水中沖刷腐蝕不同時(shí)間后的自腐蝕電位�？梢园l(fā)現(xiàn)，B10合金管在流動(dòng)的海水中沖刷一段時(shí)間后在靜態(tài)海水中的自腐蝕電位較為穩(wěn)定，除沖刷了12 h的合金管的自腐蝕電位有輕微的負(fù)移外，其余的變化很小，這說(shuō)明靜態(tài)的海水對(duì)B10合金的腐蝕小于流動(dòng)的海水。其次，隨著沖刷時(shí)間的延長(zhǎng)，合金的自腐蝕電位正移，說(shuō)明試樣表面逐漸生成氧化膜，沖刷12、24、48 h后的自腐蝕電位相差不大，但是沖刷96 h后，自腐蝕電位明顯高出許多，說(shuō)明此時(shí)的B10合金管表面生成的氧化膜較為致密。

圖4是ϕ38 mm的B10合金管在經(jīng)過(guò)人工海水沖刷腐蝕不同時(shí)間后的自腐蝕電位。可以看出，其自腐蝕電位的變化與ϕ20 mm的基本一致，但數(shù)值比ϕ20 mm管的低，說(shuō)明其耐蝕性不如ϕ20 mm管，但是其在沖刷96 h后的自腐蝕電位比ϕ20 mm管沖刷96 h后的自腐蝕電位高，說(shuō)明其生成鈍化膜的時(shí)間較快一些。

2.2.2 動(dòng)電位極化行為的變化

2.2.3交流阻抗譜( EIS)的變化

圖6是B10合金管在流速為3．0 m/s的人工海水中沖刷不同時(shí)間后的電化學(xué)阻抗。從圖6a可以看出，聲20 mm的合金管在高頻區(qū)隨著沖刷時(shí)間的延長(zhǎng)，容抗弧的半徑是逐漸增大的，所以合金表面電阻隨著沖刷時(shí)間是變大的，沖刷96 h后容抗弧半徑增加明顯，合金管表面的耐蝕性增強(qiáng)，表明合金管表面氧化膜形成逐漸完整致密。圖6b與圖6a相比，不同的是在沖刷時(shí)間為48 h時(shí)，容抗弧半徑就開(kāi)始增大。

2.3 微觀腐蝕形貌分析

圖7和圖8分別為ϕ20 mm和ϕ38 mm的B10合金管經(jīng)過(guò)人工海水沖刷腐蝕12、48、96 h后的微觀腐蝕形貌�？梢钥闯龊辖鸸芙�(jīng)過(guò)沖刷腐蝕后表面生成白色的腐蝕物，同一管徑的試樣隨著沖刷時(shí)間的延長(zhǎng)，表面生成的腐蝕產(chǎn)物增多。從圖7a可以發(fā)現(xiàn)，ϕ20 mm的管沖刷12 h后的表面幾乎看不到白色的腐蝕物，48 h后腐蝕物增多，隨著沖刷時(shí)間的延長(zhǎng)表面的腐蝕產(chǎn)物逐漸覆蓋了金屬的表面，且分布較為均勻。對(duì)比圖7a和圖8a可知，二者腐蝕形貌相差不大，說(shuō)明在短期的沖刷腐蝕下，合金表面變化不大。從圖8b可以發(fā)現(xiàn)，表面的腐蝕物增多，96 h后腐蝕物繼續(xù)增多，但是腐蝕物較為疏松，其對(duì)合金的保護(hù)不如圖7c的氧化膜。