铝合金流道防腐蚀技术研究概况

王 超，姚 晔，钟剑锋

(南京电子技术研究所， 江苏 南京 210039)

铝合金流道防腐蚀技术研究概况

王 超，姚 晔，钟剑锋

(南京电子技术研究所， 江苏 南京 210039)

液态冷却系统的性能直接影响雷达战技指标的可靠性，流道腐蚀是液态冷却系统中经常发生且难以解决的技术问题。文中从金属腐蚀的基本机理、影响金属腐蚀的主要因素、金属防腐蚀的主要方法3个方面介绍流道防腐蚀技术的研究现状，并列举了相关技术在雷达液态冷却系统上的应用。最后简单介绍了冷却系统中冷却液的成份及配比对冷却系统性能的影响。

雷达；腐蚀；铝合金；流道；冷却液

引 言

液态冷却系统是雷达总体结构上的重要系统，其性能直接影响雷达战技指标的可靠性。目前，各雷达研制单位都致力于开发和生产性能优异的液态冷却系统，其中铝合金流道液态冷却系统最为常用和典型，但某些雷达液态冷却系统随着工作时间的增加，其铝合金流道会发生较严重的腐蚀，进而影响冷却系统的冷却效果和雷达的正常工作。因此，铝合金流道的防腐蚀研究已经成为许多雷达研制单位的重点攻关课题。文中从金属腐蚀的基本机理、影响金属腐蚀的因素和金属防腐的主要技术等方面介绍流道防腐蚀技术研究的概况，并列举了相关技术在雷达冷却系统上的应用。最后，还简单介绍了冷却液的成分及配比对冷却系统性能的影响。通过对流道防腐蚀研究概况的介绍，可为后续相关研究提供有益的借鉴。

1 铝合金腐蚀的基本机理

铝是化学性质很活泼的金属，相对于饱和甘汞电极(SCE)，其平衡电极电位为-1.67V，在海水中铝及其合金的腐蚀电位(相对SCE)较低，约为-850～-1 250 mV。在海水中，铝及其合金的耐蚀性完全取决于氧化铝保护膜的完好性和破裂后的修复能力。研究表明：在静止海水中，铝的耐蚀性与其自然腐蚀电位值存在一定的相关性。电位值越小耐腐蚀性能越好，但这类耐蚀铝合金易遭电流腐蚀的危害，须严格避免与还原性较弱的金属耦合使用。

1920年，人们首次发现铝表面氧化膜的结构和性质对基体的腐蚀具有重要影响，并对铝表面氧化膜的结构及其与金属腐蚀速率之间的关系进行了深入研究，认为铝及其合金的腐蚀一般分为如下4个步骤[1]：

1)活性阴离子吸附在铝表面氧化膜上；

2)吸附的阴离子与氧化物晶格中的铝离子发生反应或与沉积的氢氧化铝发生反应；

3)溶解导致氧化膜厚度减小；

4)阴离子直接进攻暴露的金属基体(这可能是在阳极电位的辅助之下)，这个过程有时也称为点蚀的发展阶段，可能与步骤3在同一材料表面的不同位置同时进行。其中，引起点蚀的阴离子等侵蚀性粒子在铝表面氧化膜上的吸附反应是一个竞争过程，它们与氢基或水分子在氧化膜表面发生竞争吸附，而水分子的吸附将导致铝表面的钝化。当钝化膜破坏后会发生腐蚀，主要的腐蚀形式是局部腐蚀，常见的局部腐蚀是点蚀，有时还发生晶间腐蚀和剥层腐蚀。

2 影响金属腐蚀的主要因素

影响金属腐蚀的因素大体上可分为内在因素和外在因素两方面[2]：内在因素是金属材料本身的问题；外在因素是指金属所处的环境介质对其腐蚀的影响。金属的腐蚀速度虽然由腐蚀原电池的电极过程所决定，但各种内在的和外界的因素又直接或间接地影响电极过程的进行。总体来说主要有以下一些影响因素：

(1)合金成分

单相合金的腐蚀速度与合金的成份及含量间有一定的转换规律。如果一种金属的化学稳定性很差，另一种稳定性很高的金属与它形成固熔体时，其耐蚀性能能够提高。两相或多相合金，由于各相金属具有不同的电位，合金表面形成腐蚀原电池，所以一般来说，它比单相合金容易腐蚀。设计金属结构时, 应尽量避免电位差别很大的金属材料互相接触, 以避免产生腐蚀原电池。如果无法避免接触， 尽可能设计成大阳极(面积大)、小阴极，使阳极电流密度减小，可减缓腐蚀速度。

(2)变形及应力

设备制造过程中，金属受到冷、热加工(如拉伸、冲压、焊接)会变形并有一定的内应力，进而加速腐蚀过程，且在许多场合下还会产生应力腐蚀破裂。金属设备在交变应力和腐蚀介质共同作用下还会发生腐蚀疲劳。

(3)金属表面状态

粗糙的金属表面比光滑的表面更容易腐蚀。因为在粗糙的金属表面，氧到达深洼部分比到达表面部分困难，结果深洼与表面形成氧浓差电池腐蚀；粗糙表面的保护膜比光滑表面的保护膜致密性差，所以容易腐蚀；粗糙表面的实际表面积比光滑表面大，因此极化性能小。

(4)介质pH值

pH值是金属腐蚀的重要影响因素，且对金属腐蚀的影响比较复杂。一般来讲，金属在非氧化性酸中，pH值降低能促使阴极的氢去极化过程的进行，同时金属表面膜的溶解度也增加，所以加速金属的腐蚀。但在氧化性酸中，酸的浓度提高又会使金属钝化而降低腐蚀速度。

(5)溶解盐及盐浓度

溶于水中的盐对金属腐蚀过程的影响往往较复杂。一般情况下，随溶解盐浓度增加，溶液导电率增加，氧的溶解度减小，使金属的保护膜遭到破坏，进而腐蚀速度增大。另外，某些盐类水解后，使溶液的pH值发生变化，进而对腐蚀过程产生影响。

(6)温度

一般情况下温度升高会使电化学腐蚀加速。因为温度升高增加了反应速度，加速溶液对流，使浓度极化降低，但在80 ℃以上时氧的溶解度降低，对于开口设备会减少腐蚀。

(7)压力

压力增加常常使金属的腐蚀速度增大，这主要是因为参与电化学过程的气体的溶解度随着压力增加而增大的缘故。特别是在氧去极化过程的情况下，压力对金属腐蚀的影响尤为突出，在高压锅炉内，系统中只要有很少一点氧，就会引起剧烈的腐蚀。

(8)溶液运动速度

一般情况下，溶液运动速度的增加会引起腐蚀速度的增大。因为溶液的流度增加，加强了物质的扩散与对流，同时也加强了腐蚀产物的去除，可能会破坏金属保护膜。

3 金属防腐蚀的基本技术

为了延长金属材料的使用寿命，增强设备的可靠性，现在通常采用的防腐技术有：防腐涂层技术、外加电流保护阴极法和牺牲阳极保护阴极法，也有一些采用新型包覆防腐技术进行防腐。

3.1 防腐涂层技术

防腐涂层技术是普遍使用的防腐方法。日常生活中所能接触到的绝大部分设施设备，无论是否采用其他防腐方法，基本都会涂上防腐涂层。所谓防腐涂层就是将涂层材料涂装于物体表面，结成具有保护、装饰或其他特种功能的薄膜。涂层材料的防腐机理主要有以下3种[3]：

1)涂层对腐蚀介质的屏蔽作用。当防腐涂层在金属表面形成连续的涂膜以后，可将金属和腐蚀介质隔离开。根据电化学腐蚀原理，如果能完全将腐蚀介质、氧气隔离，并保证不和金属接触，就可避免金属的腐蚀。

2)涂膜的阴极保护作用。有机高分子聚合物一般都是绝缘体，如果在成膜物质中加入能成为牺牲阳极材料的金属颜料，当金属颜料和金属表面直接接触，有腐蚀介质渗入后，金属颜料被腐蚀，可以保护金属。例如富锌底漆中的颜料为金属锌的粉末，将其涂刷在钢板上时，锌可作为牺牲阳极。

3)涂料的阳极钝化和缓蚀作用。涂料中含有水溶性颜料，当水渗入涂膜后，颜料溶解会使金属表面缓蚀或钝化。

防腐涂层具有价格便宜、施工简单、适应性好和外形美观等优点。若采用合适的涂层和精良的施工工艺，就能达到很好的防腐效果。因此涂层防腐在防腐方法中应用最广泛，图1为涂层防腐技术在雷达冷却系统上的典型应用。不过涂层防腐也有不足之处，如保护时间较短、施工周期较长，且某些涂料有一定毒性、刺激性气味和易燃易爆性。另外，涂层防腐的后期维护比较麻烦，尤其是水下和高空维护。

图1 涂层防腐技术在雷达冷却系统上的应用

3.2 阴极保护法

阴极保护法可分为牺牲阳极保护法和外加电流保护法[4-5]。该方法广泛应用于桥梁、码头、船舶、海底油气管道和其他海洋结构物上，是长期有效的防腐技术。

(1)牺牲阳极保护阴极法

牺牲阳极保护阴极法是将还原性较强的金属作为保护极，与被保护金属相连进而构成原电池，还原性较强的金属将作为负极发生氧化反应而被消耗，被保护的金属作为正极避免了腐蚀。该法是一种较古老的防止金属腐蚀的方法，早在1824年英国的Davy 就提出用锌块来保护船舶，以后逐步推广到港湾设施、地下管道和化工机械设备等方面，图2所示为应用在太阳能热水器不锈钢搪瓷内胆上的牺牲阳极保护阴极技术。

图2 太阳能热水器内胆上的牺牲阳极防腐技术[4]

牺牲阳极法的电流分布均匀，利用率高，施工方便，不干扰附近的金属设施，不需要附加设备和专门人员管理。但是该法的保护电流不可调，投产调试工作复杂，不适合高电阻率环境，且牺牲阳极会不断被消耗，需要定期更换。因此这种方法较适用于局部保护的场合。

(2)外加电流保护阴极法

如图3所示，外加电流保护阴极法是利用电化学腐蚀的原理，由连接外部直流电源的阳极直接向被保护的金属施加阴极电流，这样金属表面就会富集电子。通过控制电位或电流密度使金属发生阴极极化，降低甚至完全抑制水下部位的金属腐蚀。

图3 外加电流保护阴极法原理图

3.3 优化工艺

(1)结构设计与焊接方法优化

制定焊接工艺时，应减少焊缝交叉进而避免局部应力集中；多层多道焊缝应相互错开；焊缝接头应避免Y形连接；保留适当的焊缝余高或彻底去除余高。为避免缝隙腐蚀和便于表面处理，应尽量采用对接焊和连续焊，避免搭接焊和间断焊。焊接过程中应保证焊缝质量和平滑度，避免缝隙腐蚀。

(2)焊接工艺优化

合理选择焊丝和焊条，使焊缝熔敷金属与母材的化学成分和机械性能相似，避免因焊缝金属与母材电位差较大，进而产生双金属腐蚀。同时应严格规定焊接电流、焊接速度，使焊接路径上各位置的受热量相差不大。焊前对厚板(>34 mm)进行预热，焊后立即进行热处理以消除焊接残余应力，减少在特定环境下产生应力腐蚀的风险。

(3)焊接表面清理及预涂装

焊缝附近的表面不再平整且车间底漆已被破坏，因此需清理焊缝处钢结构的表面并加强焊缝预涂装。

(4)涂装工艺优化

主要通过加强预涂装、控制喷嘴口径与喷幅及湿膜现场检验等方法来优化涂装工艺。

3.4 优化结构

通过合理的结构设计可以有效地减缓金属结构的腐蚀，提高其使用寿命。表1列出了优化结构设计时的基本着眼点及各自克服的材料腐蚀类型[6]。

表1 优化结构设计的基本方法

图4为雷达冷却系统上冷板结构的水道贯通口的优化设计方案，使水道截面渐变过渡，避免了流道截面发生突变进而控制了流道的湍流腐蚀。

图4 水道贯通口形式优化

4 冷却液的成份与配比对冷却系统性能的影响

冷却液的成份及配比对冷却系统的冷却及防腐性能的影响较为显著。如采用乙二醇和丙二醇混合的冷却液[7]，在中低温度下由于黏度大、流速低，其换热系数明显低于水和乙二醇混合的冷却液，起到隔热作用，可减少暖机时间。增加乙二醇的比例，可以增强换热能力。乙二醇和丙二醇混合液的沸点高，换热平均，热平衡能力强，且可改善传统冷却系统气化、气蚀、气阻、水垢、生锈等问题。中国石油大连润滑油研究开发中心研制开发的硅酸盐(缓蚀剂)型汽车冷却液对于铝合金材料具有优异的防腐蚀性能[8]。

5 结束语

铝合金流道防腐蚀技术是雷达工业中重点关注的研究课题，彻底解决该问题还需一段时间深入的技术攻关。目前，国内的研究单位如中国科学院金属研究所、中国科学院海洋研究所等单位在金属防腐蚀研究方面具有较强的科研实力，因此产学研结合不失为解决雷达液态冷却系统铝合金流道防腐蚀问题的一种好方法。文中详细介绍了铝合金等金属材料腐蚀的基本机理、影响金属腐蚀的主要因素、防腐蚀的基本技术等内容，并简单介绍了冷却液的配方对冷却系统散热、防腐性能的影响，可为后续相关研究提供便利。

[1] 张正. 飞行器用铝合金大气腐蚀的电化学监测研究[D]. 天津: 天津大学, 2007.

[2] 纪大伟. 管道内壁腐蚀监测技术研究[D]. 大连: 大连理工大学, 2010.

[3] 王华飞, 李德堂, 史陆将. 舟山群岛新区海洋防腐现状分析及展望[J]. 中国水运, 2013, 13(1): 70-72.

[4] 赵杰, 贺胜民, 赵积红. 电子防腐在太阳能热水器中的应用设计[J]. 全面腐蚀控制, 2009, 23(3): 61-65.

[5] 赵杰, 贺胜民, 刘春喜. 嵌入电子防腐功能的太阳能控制系统设计[J]. 全面腐蚀控制, 2011, 25(1): 35-37.

[6] 武川哲也. 防腐结构设计[J]. 化学工业与工程, 1991, 9(1): 55-61.

[7] 孙飞, 左承基. 发动机不同成分冷却液对冷却性能的影响[J]. 合肥工业大学学报: 自然科学版, 2011, 34(2): 1795-1798.

[8] 包华辉, 朱天一, 孙旭日. 硅酸盐型汽车冷却液的研制[J]. 润滑油, 2009, 24(3): 32-36.

王 超(1984-)，男，博士，主要研究方向为大型阵面结构系统设计技术。

Research Survey of Corrosion Resistance Techniques for Aluminum Alloy Flow Channel

WANG Chao，YAO Ye，ZHONG Jian-feng

(NanjingResearchInstituteofElectronicsTechnology，Nanjing210039,China)

The performance of liquid cooling system directly affects the reliability of radar tactical and technical indexes. The corrosion of flow channels is frequently occurred and is difficult to solve. The mechanism and influence factors of metal corrosion and some corrosion resistance techniques are introduced to describe the research status of flow channel corrosion resistance, and then some corrosion resistance applications in radar cooling system are listed. Finally, the effects of ingredient and proportion of coolant on the performance of the cooling system are briefly described.

radar; corrosion; aluminum alloy; flow channel; coolant

2013-11-13

国防基础科研重点项目(JCKY2013210B004)

TG178

A

1008-5300(2014)02-0001-04