鋁腐蝕的類型

1.大氣腐蝕

鋁腐蝕最常見的形式。鋁的大氣腐蝕是由于暴露于自然元素而發(fā)生的。由于它在大多數(shù)地方發(fā)生的可能性，大氣腐蝕占世界上所有類型的腐蝕總和對(duì)鋁造成的總損害的最大份額。

大氣腐蝕可分為三個(gè)子類別。它們是干的、濕的和潮濕的，具體取決于服務(wù)環(huán)境的濕度水平。

• 干燥腐蝕（濕度＜30%）：僅發(fā)生緩慢化學(xué)氧化；
• 濕潤(rùn)腐蝕（濕度30%-60%）：薄液膜引發(fā)局部電化學(xué)腐蝕；
• 潮態(tài)腐蝕（濕度＞60%）：厚液膜加速離子遷移，腐蝕速率顯著升高。

由于水分含量會(huì)根據(jù)您的地理位置發(fā)生很大變化，因此某些地區(qū)會(huì)比其他地區(qū)出現(xiàn)更大的腐蝕。

影響大氣腐蝕程度的其他環(huán)境因素是風(fēng)向、溫度和降水變化。空氣中污染物的濃度和種類、與大型水體的接近程度等也起著重要作用。

2.電偶腐蝕

當(dāng)鋁以物理方式或通過(guò)電解質(zhì)連接到貴金屬時(shí)，電偶腐蝕，也稱為異種金屬腐蝕會(huì)影響鋁。貴金屬可以是與鋁相比具有較低反應(yīng)性的任何金屬。

金屬的反應(yīng)性取決于它在電化學(xué)系列中的位置。如果電化學(xué)系列中另一種金屬離鋁更遠(yuǎn)，則腐蝕的嚴(yán)重程度會(huì)更嚴(yán)重。

腐蝕強(qiáng)度在兩種金屬相遇的交叉點(diǎn)處最高，并隨著遠(yuǎn)離該界面而減弱。

例如，如果鋁和黃銅相互接觸甚至靠近并放置在海水中，就會(huì)形成原電池。然后鋁部分會(huì)腐蝕，因?yàn)樗洚?dāng)陽(yáng)極（正極端子）。

這在船只中可能是一個(gè)問(wèn)題，其中黃銅配件可能靠近鋁配件，而它們都浸入海水中。電子通過(guò)海水從鋁流向黃銅。

這種類型的原電池可能會(huì)在其他服務(wù)環(huán)境中無(wú)意中形成并導(dǎo)致電偶腐蝕。電偶腐蝕比正常的大氣腐蝕要快得多。

• 電位差＞0.2V時(shí)顯著發(fā)生，腐蝕速率與陰極/陽(yáng)極面積比呈正相關(guān)；
• 典型場(chǎng)景：船舶中鋁構(gòu)件與黃銅配件通過(guò)海水導(dǎo)通，鋁作為陽(yáng)極年腐蝕量可達(dá)0.5mm，較孤立狀態(tài)提升20倍；
• 防護(hù)策略：采用絕緣墊片隔離異種金屬，或?qū)︿X表面進(jìn)行陽(yáng)極氧化處理。

3.點(diǎn)蝕

點(diǎn)蝕是鋁金屬表面出現(xiàn)小孔（凹坑）為特征的表面腐蝕現(xiàn)象。通常，這些凹坑不會(huì)影響產(chǎn)品的強(qiáng)度。相反，這是一個(gè)美學(xué)問(wèn)題，但如果表面外觀至關(guān)重要，則可能導(dǎo)致失敗。

點(diǎn)腐蝕通常發(fā)生在大氣中存在鹽分的區(qū)域，因?yàn)槁汝庪x子的存在是造成它的原因。硫酸鹽也會(huì)在一定程度上引起點(diǎn)蝕。在堿性和酸性鹽的存在下觀察到點(diǎn)腐蝕的最壞情況。

觸發(fā)條件：

• 氯離子（Cl?）濃度＞0.5mol/L；
• 表面存在夾雜物或晶界缺陷；
• 合金電位高于局部擊穿電位（＞0.4V vs SCE）。
  擴(kuò)展機(jī)制：
• 蝕孔內(nèi)Al3?水解產(chǎn)酸（pH降至2-3），Cl?富集形成自催化循環(huán)；
• 孔深增速可達(dá)0.1mm/月，深寬比常＞10:1。

要發(fā)生點(diǎn)蝕，合金的電位必須高于電解質(zhì)（鹽溶液）的電位。晶界和第二相顆粒處表面缺陷的存在是點(diǎn)蝕的前兆。

4.縫隙腐蝕

縫隙腐蝕是材料局部腐蝕過(guò)程的一種形式。重疊的材料或無(wú)意的設(shè)計(jì)錯(cuò)誤會(huì)導(dǎo)致裂縫的形成。因此，將海水收集到這些口袋中會(huì)導(dǎo)致縫隙腐蝕。

即使螺栓和結(jié)構(gòu)之間的小間隙也足以開始這種類型的腐蝕。隨著時(shí)間的推移，材料中的鋁溶解并沉淀到海水中。這種離子鋁從周圍空氣中吸收氧氣，從電解質(zhì)中吸收氫氧根離子，形成氫氧化鋁。

幾何受限區(qū)域（如法蘭接縫、鉚釘間隙）因氧擴(kuò)散差異形成閉塞電池：

• 初期：縫隙內(nèi)外氧濃度差驅(qū)動(dòng)鋁溶解（Al→Al3?+3e?）；
• 發(fā)展期：Al3?水解致pH下降，Cl?遷入濃縮；
• 穩(wěn)定期：維持pH≈2的強(qiáng)腐蝕微環(huán)境，縫隙寬度0.1-0.5mm時(shí)危害最大。

在氯化物存在的情況下，這種氧還原使縫隙呈酸性，從而加速腐蝕速度。

5.晶間腐蝕

對(duì)于鋁，與合金微觀結(jié)構(gòu)相比，晶界在電化學(xué)上是不同的。這導(dǎo)致在兩者之間建立電化學(xué)勢(shì)并發(fā)生電子交換。

基于熱化學(xué)處理和金屬結(jié)構(gòu)的晶間腐蝕有多種變化。在不同系列的鋁合金中也有不同程度的發(fā)現(xiàn)。例如，6xxx 系列合金對(duì)這種類型的鋁腐蝕相對(duì)較不敏感。

陽(yáng)極路徑將隨不同的合金系統(tǒng)而變化。在 2xxx 系列中，它表現(xiàn)為晶界兩側(cè)的窄帶，而在 5xxx 系列中，它表現(xiàn)為沿晶界的連續(xù)路徑。

沿晶界優(yōu)先溶解現(xiàn)象，源于組織異質(zhì)性：

• 2xxx系：晶界CuAl?析出導(dǎo)致貧銅區(qū)（陽(yáng)極）；
• 5xxx系：連續(xù)β相（Mg?Al?）引發(fā)選擇性脫合金；
• 防護(hù)：T6時(shí)效處理可使晶界腐蝕深度減少80%。

與點(diǎn)蝕一樣，晶間腐蝕也是從點(diǎn)蝕開始的。然而，它沿易感晶界傳播得更快。

6.剝落腐蝕

剝落腐蝕是在具有明顯定向結(jié)構(gòu)的鋁合金中發(fā)現(xiàn)的一種特殊類型的晶間腐蝕。這在經(jīng)過(guò)熱軋或冷軋工藝的鋁產(chǎn)品中尤為明顯。

它沿著微觀結(jié)構(gòu)中的細(xì)長(zhǎng)晶界發(fā)生。術(shù)語(yǔ)剝落來(lái)自這樣一個(gè)事實(shí)，即腐蝕產(chǎn)物體積更大，給人的印象是從材料表面抬起。

這種類型的鋁腐蝕擴(kuò)展到表面以上，并在產(chǎn)品中側(cè)向建立應(yīng)力。反過(guò)來(lái)，這會(huì)導(dǎo)致最初在表面發(fā)生楔入作用，然后才遷移到產(chǎn)品的主體中。發(fā)生嚴(yán)重分層并且材料變?nèi)酢？赡軙?huì)出現(xiàn)點(diǎn)蝕、剝落和起泡等表面退化結(jié)果。

2xxx、5xxx 和 7xxx 系列由于其高度定向的晶粒結(jié)構(gòu)而更容易發(fā)生剝落腐蝕。這使得晶界對(duì)晶間腐蝕更加敏感。軋制板材因各向異性組織產(chǎn)生的層狀腐蝕：

EXCO溶液加速試驗(yàn)48h可模擬10年自然腐蝕程度。

腐蝕產(chǎn)物體積膨脹（Al→Al(OH)?體積增6.3倍）引發(fā)平行軋向的層間應(yīng)力（＞100MPa）；

可以通過(guò)使用熱處理方法重新分布沉淀物來(lái)改變對(duì)剝落腐蝕的敏感性。

7.一般腐蝕

當(dāng)腐蝕幾乎均勻地發(fā)生在鋁制品表面時(shí)，就是均勻腐蝕或全面腐蝕。

產(chǎn)品經(jīng)常暴露在強(qiáng)酸性或強(qiáng)堿性介質(zhì)中會(huì)發(fā)生這種腐蝕。當(dāng)產(chǎn)品處于電解質(zhì)中時(shí)，它也可能在存在高電化學(xué)電位的情況下發(fā)生。一個(gè)典型的例子是鋁板在酸性溶液中生銹。

均勻腐蝕是與電解液接觸的陽(yáng)極和陰極區(qū)域連續(xù)移動(dòng)的結(jié)果，表現(xiàn)為對(duì)表面的均勻腐蝕侵蝕。

在高和低 pH 值的溶液中，氧化層也不穩(wěn)定，不能保護(hù)下面的金屬。材料的厚度減少，最終會(huì)完全溶解。

攻擊并不完全一致，會(huì)有高峰和低谷。沒有小的深度腐蝕區(qū)域足以將其稱為一般腐蝕示例。

強(qiáng)酸（pH＜4）或強(qiáng)堿（pH＞9）環(huán)境中鈍化膜完全溶解：

• 腐蝕速率：pH＜4時(shí)＞1.2mm/year，pH＞9時(shí)0.3-0.8mm/year；
• 濃硝酸（65%）因強(qiáng)鈍化性反使速率降至0.001mm/year。

8.沉積腐蝕

當(dāng)異種金屬沉積在鋁表面導(dǎo)致嚴(yán)重的局部腐蝕時(shí)，就會(huì)發(fā)生沉積腐蝕。

想象一下水流過(guò)銅管。當(dāng)水流過(guò)時(shí)，它會(huì)吸收銅離子。這些銅離子現(xiàn)在在溶液中。當(dāng)該溶液與鋁表面或容器接觸時(shí)，會(huì)將這些銅離子沉積在其上。

這些離子現(xiàn)在形成一個(gè)微妙的原電池，如果離子在電化學(xué)或原電池系列中較低，它會(huì)通過(guò)點(diǎn)蝕腐蝕鋁。鋁與電偶沉積離子之間的差異越大，腐蝕越嚴(yán)重。

已知即使?jié)舛葹?1 ppm 的銅離子溶液也會(huì)對(duì)鋁表面產(chǎn)生嚴(yán)重腐蝕。

能引起鋁沉積腐蝕的金屬被稱為“重金屬”。一些重要的重金屬是銅、汞、錫、鎳和鉛。

強(qiáng)酸（pH＜4）或強(qiáng)堿（pH＞9）環(huán)境中鈍化膜完全溶解：

• 腐蝕速率：pH＜4時(shí)＞1.2mm/year，pH＞9時(shí)0.3-0.8mm/year；
• 濃硝酸（65%）因強(qiáng)鈍化性反使速率降至0.001mm/year。

與堿性溶液相比，這種方法造成的腐蝕在酸性溶液中更為明顯。這是因?yàn)檫@些離子在堿性溶液中的溶解度低。

9.應(yīng)力腐蝕開裂 (SCC)

應(yīng)力腐蝕開裂（此處稱為 SCC）是一種晶間腐蝕形式，可導(dǎo)致鋁制零件完全失效。

需要滿足三個(gè)條件才能發(fā)生這種腐蝕。敏感合金是其中的第一個(gè)。并非所有鋁合金都同樣容易發(fā)生 SCC。高屈服強(qiáng)度合金更容易出現(xiàn)應(yīng)力腐蝕開裂。

第二個(gè)條件是使用環(huán)境必須潮濕或潮濕。第三個(gè)條件是材料中存在拉應(yīng)力。這種拉應(yīng)力是造成裂紋張開及其在金屬中傳播的原因。

三要素：敏感合金（如7075-T6）、拉應(yīng)力（＞屈服強(qiáng)度30%）、腐蝕介質(zhì)（Cl?溶液）：

• 裂紋類型：沿晶（IGSCC）或穿晶（TGSCC）；
• 臨界應(yīng)力強(qiáng)度因子（KISCC）可降至常規(guī)強(qiáng)度的30%。

有兩種類型的 SCC 過(guò)程。第一種是晶間應(yīng)力腐蝕開裂 (IGSCC)，其中裂紋沿晶界傳播。第二種是穿晶應(yīng)力腐蝕開裂 (TGSCC)，其中裂紋穿過(guò)晶粒而不是沿晶界。

10.侵蝕腐蝕

鋁的侵蝕腐蝕是由高速水射流對(duì)鋁體的沖擊引起的。

加劇侵蝕-腐蝕的兩個(gè)因素是水的流速及其 pH 值。水中碳酸鹽和二氧化硅含量的存在會(huì)進(jìn)一步增加腐蝕速率。

在純水中，鋁腐蝕以緩慢的速度進(jìn)行。但是當(dāng) pH 值超過(guò) 9 時(shí)，這個(gè)比率會(huì)增加。在酸性水中，腐蝕更快。

流體動(dòng)力學(xué)與化學(xué)腐蝕協(xié)同作用：

• 高速水流（＞5m/s）破壞鈍化膜；
• 含砂流體引發(fā)磨蝕-腐蝕交互損傷；
• 空泡潰滅產(chǎn)生＞1GPa沖擊壓導(dǎo)致表面剝落。

通過(guò)控制上述因素可以防止侵蝕腐蝕。無(wú)論是降低水流速度，還是保持水質(zhì)，或者兩者兼而有之，都可以顯著減少侵蝕-腐蝕。改善水質(zhì)意味著將 pH 值保持在盡可能接近中性 (<9) 的水平，并減少二氧化硅和碳酸鹽的含量。

11.腐蝕疲勞

眾所周知，如果不加以控制，疲勞會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品完全失效。在鋁的情況下，疲勞裂紋可以作為點(diǎn)腐蝕的起始點(diǎn)。

鋁在長(zhǎng)時(shí)間反復(fù)承受低應(yīng)力時(shí)會(huì)發(fā)生腐蝕疲勞。在海水和鹽溶液等腐蝕性環(huán)境中，裂紋萌生和擴(kuò)展更容易發(fā)生。

交變載荷與腐蝕介質(zhì)協(xié)同降低疲勞極限：

• 3.5% NaCl溶液中，2024-T3鋁合金疲勞壽命降至干燥環(huán)境的10%；
• 裂紋擴(kuò)展速率受ΔK（應(yīng)力強(qiáng)度因子幅值）與頻率（臨界閾值10Hz）共同調(diào)控。

如果大氣中不存在水，腐蝕疲勞就無(wú)法進(jìn)行。它也基本上不受應(yīng)力方向的影響，因?yàn)榱鸭y擴(kuò)展主要是穿晶的。因此，與 SCC 的情況不同，應(yīng)力不會(huì)影響其傳播。

12.絲狀腐蝕

絲狀或蠕蟲腐蝕作為點(diǎn)蝕開始。它從油漆從鋁表面剝落的點(diǎn)開始。原因可能是表面有劃痕或擦傷，暴露了下面的金屬表面。

在存在氯陰離子和高濕度的情況下，絲狀腐蝕很容易發(fā)生并擴(kuò)散。雖然它以鹽水點(diǎn)蝕的形式開始，但其傳播方式是縫隙腐蝕。

蚯蚓的頭部呈酸性，氯化物含量高。它吸收氧氣并充當(dāng)陽(yáng)極。蠕蟲軌跡的后半部分充當(dāng)陰極，隨后發(fā)生反應(yīng)。

涂層缺陷處形成的自推進(jìn)腐蝕：

• 頭部酸性區(qū)（pH≈1-2）與尾部堿性區(qū)（pH≈10-12）構(gòu)成電化學(xué)梯度；
• 延伸速度0.1-0.5mm/day，路徑受基體織構(gòu)控制。

可以通過(guò)保持表面不受損壞并使用油漆或蠟封閉所有小間隙來(lái)防止絲狀腐蝕。如果可行，必須降低環(huán)境的相對(duì)濕度。

13.微生物腐蝕（MIC）

微生物誘導(dǎo)腐蝕或 MIC 是由微生物/真菌引起的腐蝕。這種類型的腐蝕在燃油和潤(rùn)滑油箱中很常見。

在油中存在水的情況下，微生物和真菌可以茁壯成長(zhǎng)。這些生物中的一些能夠消耗油并排泄酸，這些酸會(huì)導(dǎo)致用于儲(chǔ)存的鋁容器腐蝕。

這種酸會(huì)在鋁制容器中引起點(diǎn)蝕，最終導(dǎo)致泄漏。

硫酸鹽還原菌（SRB）等微生物代謝引發(fā)：

• 厭氧環(huán)境產(chǎn)H?S破壞鈍化膜；
• 生物膜形成氧濃差電池；
• 燃油系統(tǒng)水相分離區(qū)為高發(fā)區(qū)域，需定期排水并添加殺菌劑。

為了防止這種情況，必須盡可能凈化油以去除水分。凈化后定期從油箱中排水也是必要的。如果無(wú)法改善燃料質(zhì)量，則使用殺菌劑可以防止發(fā)芽。