盧云飛，郭 倩，段國慶，石鵬飛，周 潼，唐 波，胡科峰

(武漢第二船舶設計研究所，湖北 武漢 430064)

0 前 言

鈦合金具有較高的比強度和結構有效性、優(yōu)良的抗沖擊性、良好的可加工性、優(yōu)異的耐腐蝕性能等特性，同時隨著其價格的下降，鈦合金在艦船領域應用越來越廣泛[1,2]，如海水管道、閥及配件等。

現(xiàn)今，大部分艦船船體采用鋼結構制作。與一般工程結構相比，艦船終年航泊大海上，艦船鋼結構面臨的腐蝕環(huán)境更加惡劣，因此，艦船鋼結構的防腐蝕設計是艦船設計領域中的一個重要且必須解決的問題[3]。陰極保護技術是其中一項必不可少的防腐技術，通過導電介質向被保護結構提供陰極電流，使被保護的船體變成陰極，從而得到防腐保護[4]。

當鈦合金材質的管道、設備或附件與采用陰極保護技術的船體結構在海水介質環(huán)境中直接接觸時，若陰極保護電位控制過負，將導致鈦合金表面發(fā)生陰極析氫反應，大量氫在金屬表面生成，一部分氫原子變成溶解型的吸附原子，在應力作用下這些氫富集在金屬內部應力集中的區(qū)域，導致材料發(fā)生低應力條件下的脆斷[1,5]，即氫脆。因此，鈦合金在艦船領域應用發(fā)生氫脆[6,7]的主要條件是：(1)與采用了陰極保護技術的船體結構直接接觸；(2)陰極保護電位負于某一臨界值。

目前，國內外學者針對鈦材在核電站凝汽器上的應用開展了基于氫脆敏感性的陰極保護參數(shù)研究[8,9]，然而在艦船領域，鈦合金的氫脆風險研究還比較缺乏。為此，本工作采用電化學測試、腐蝕仿真計算等手段，綜合分析了鈦及其合金在艦船領域應用的氫脆風險，其研究結論對實際工程應用有著重要的指導意義。

1 試 驗

1.1 試驗材料

所用材料為鈦合金TA36，某船體鋼和Al - Zn - In - Mg - Ti高效陽極3種材料。鈦合金TA36主要成分(質量分數(shù)，%)為：0.7%～1.3% Al, 1.0%～1.4%Fe，Ti余量。為接近實船具體使用情況，對鈦合金TA36和船體鋼表面涂漆處理，油漆選用實船上應用表現(xiàn)良好的某型改性環(huán)氧涂料。為加速電解質在涂層中的滲透，涂裝后的試驗材料在壓力筒中進行涂層滲透預處理。

1.2 電化學測試

使用電化學方法對涂漆處理的鈦合金TA36、船體鋼和Al - Zn - In - Mg - Ti高效陽極等3種材料進行極化曲線測試。

采用三電極體系，電解池采用1 000 mL的四孔燒瓶。工作電極為待測試樣，先用銅導線焊接在試樣背面無涂層一側，然后用環(huán)氧樹脂將試樣進行封裝，只露出1 cm2的工作面積。對電極為鉑鈮絲電極，參比電極為飽和甘汞電極。

采用Model 2273電化學測試系統(tǒng)進行極化曲線測量，電位掃描速率為0.333 mV/s。

1.3 腐蝕仿真計算

采用Beasy腐蝕仿真軟件計算分析，當鈦合金材質的管道設備與采用犧牲陽極保護的船體鋼結構在海水介質環(huán)境中直接接觸時，鈦合金及船體鋼表面的腐蝕電位分布情況分別選取上述3種材料的極化曲線作為仿真計算的邊界條件。

1.4 模型腐蝕試驗

采用模型腐蝕試驗驗證鈦合金材質的管道設備與采用犧牲陽極保護的船體鋼結構在海水介質環(huán)境中直接接觸時鈦合金及船體結構表面的腐蝕電位分布情況。模型根據(jù)某船上建局部結構制作，船體結構、卡箍、基座等材料為某船體鋼材料，管道設備為鈦合金TA36，鈦合金TA36和船體鋼表面進行涂漆處理。涂裝后的試驗材料在壓力筒中進行涂層滲透預處理。在船體鋼結構表面中間部位焊接一根銅導線，焊接部位使用環(huán)氧樹脂進行封裝。鈦合金管道設備通過卡箍、基座等與船體結構實現(xiàn)電連接。模型的犧牲陽極為高活化鋁陽極。采用Cu/CuSO4飽和溶液參比電極測量結構不同位置的保護電位分布。通過不同位置處保護電位的測量，驗證腐蝕仿真計算分析的準確性。為便于討論，無特殊注明，腐蝕電位值均換算成相對于飽和甘汞電極(SCE)的電位。

腐蝕試驗參照GB/T 19291-2003“金屬和合金的腐蝕 腐蝕試驗一般原則”開展[10]，試驗介質為模擬海水溶液。

2 結果與討論

2.1 極化曲線

圖1為表面涂漆處理的鈦合金TA36和船體鋼以及Al - Zn - In - Mg - Ti高效陽極3種材料的極化曲線測試結果，表1為擬合后的自腐蝕電位Ecorr、自腐蝕電流密度Jcorr，以及塔菲爾曲線的陽極斜率ba和陰極斜率bc。

表1 極化曲線的電化學參數(shù)擬合結果

由圖1和表1可以看出，涂漆處理的鈦合金TA36自腐蝕電位Ecorr約為-409 mV，涂漆處理的船體鋼自腐蝕電位Ecorr約為-605 mV，高效陽極的自腐蝕電位Ecorr約為-1 026 mV，即表面涂漆處理的鈦合金TA36自腐蝕電位Ecorr最正，表面涂漆處理的船體鋼自腐蝕電位Ecorr次之，高效陽極的自腐蝕電位Ecorr最負。因此，當表面涂漆處理的鈦合金TA36與表面涂漆處理的船體鋼發(fā)生偶接時，鈦合金TA36為陰極，船體鋼為陽極，電流從陽極流入陰極；當表面涂漆處理的鈦合金TA36與布置了犧牲陽極且表面涂漆處理的船體鋼發(fā)生偶接時，鈦合金TA36、船體鋼為陰極，犧牲陽極為陽極，電流從陽極流入陰極。從自腐蝕電流密度Jcorr結果來看，表面涂漆處理的鈦合金TA36自腐蝕電流密度Jcorr約為2.061×10-6mA/cm2，表面涂漆處理的船體鋼自腐蝕電流密度Jcorr約為5.741×10-7mA/cm2，高效陽極的自腐蝕電流密度Jcorr約為1.545×10-4mA/cm2，即表面涂漆處理的鈦合金TA36和船體鋼，在表面漆膜質量存在差異的情況下，自腐蝕電流密度Jcorr略有差別，但總體來說，在油漆封閉作用下，鈦合金TA36和船體鋼的自腐蝕電流密度Jcorr值較小，遠小于高效陽極的自腐蝕電流密度Jcorr值。

2.2 腐蝕仿真計算

根據(jù)某船上建局部結構，建立數(shù)字模型如圖2所示。其中圓柱狀物體為涂漆處理的鈦合金TA36材料，其余為涂漆處理的船體鋼材料。腐蝕數(shù)值仿真模型評估時模型結構及犧牲陽極物理特性的表征方式是通過向相應模型模塊單元加載邊界條件來實現(xiàn)的，該邊界條件即材料的極化曲線數(shù)據(jù)[9]。對于高效陽極取其極化曲線陽極極化區(qū)的部分特征點的電位和對應的電流值對材料進行賦值，對于受到保護的鈦合金TA36和船體鋼，取其陰極極化區(qū)的部分特征點的電位和對應的電流值對材料進行賦值。具體計算的邊界條件見圖1所示的極化曲線。

2.2.1 鈦合金與船體鋼直接接觸

根據(jù)圖1的極化曲線結果，涂漆處理的鈦合金TA36的自腐蝕電位較正，為陰極；涂漆處理的船體鋼的自腐蝕電位較負，為陽極。電流從陽極流入陰極。圖3為腐蝕仿真計算分析所得到的鈦合金TA36與船體鋼直接接觸時，鈦合金TA36及船體鋼表面的腐蝕電位分布情況。從圖3可以看出，鈦合金TA36表面腐蝕電位范圍為-583～-579 mV。船體鋼表面腐蝕電位范圍為-592～-580 mV。

2.2.2 鈦合金與帶犧牲陽極保護的船體鋼直接接觸

根據(jù)CB/T 3855-2013“海船犧牲陽極陰極保護設計和安裝”的相關要求，鋼質艦船船體的電位應在-0.85～-1.10 V(vs CSE)范圍內[11]，即，-0.80～-1.05 V(vs SCE)范圍內。

圖4為鈦合金TA36與帶犧牲陽極保護的船體鋼直接接觸，并通過犧牲陽極布置使船體鋼表面電位達到-800 mV以下時，鈦合金TA36表面腐蝕電位的分布情況。從圖4可以看出，在犧牲陽極保護作用下，船體鋼表面腐蝕電位范圍為-828～-806 mV，符合CB/T 3855-2013的要求。鈦合金TA36表面腐蝕電位范圍為-820～-806 mV。

若通過調整犧牲陽極布置數(shù)量及布置位置，進一步降低船體鋼表面腐蝕電位，如圖5所示。從圖5可以看出，船體鋼表面腐蝕電位范圍為-865～-844 mV，符合CB/T 3855-2013的要求。鈦合金TA36表面腐蝕電位范圍則為-859～-845 mV。

2.3 模型腐蝕試驗

通過模型腐蝕試驗驗證鈦合金與采用犧牲陽極保護的船體鋼結構在海水介質環(huán)境中直接接觸時船體結構表面的腐蝕電位分布情況，驗證腐蝕仿真計算分析的準確性。根據(jù)圖5仿真計算模型特征，制作實物模型，布置參比電極，具體如圖6所示。將布置好電極的結構模型投入到裝有模擬海水的試驗水箱中，并對腐蝕電位進行監(jiān)測。監(jiān)測結果如圖7所示。從圖7可以看出，結構模型船體鋼表面的腐蝕電位值在浸泡后期基本穩(wěn)定在-862 mV左右，在仿真計算結果-865～-844 mV范圍內。可見結構模型試驗結果與仿真結果基本一致。

2.4 鈦合金表面電位分析

根據(jù)前期項目組對Ti31、Ti75、Ti80等3種鈦合金最負陰極保護電位的研究，Ti31低強鈦合金、Ti75中強鈦合金在深海服役條件下，其最負陰極保護電位均為-762 mV左右，Ti80高強鈦合金在深海服役條件下，其最負陰極保護電位為-722 mV左右。在不施加陰極保護的條件下，鈦合金TA36與船體鋼直接接觸時，鈦合金TA36表面腐蝕電位范圍為-583～-579 mV，正于另3種鈦合金的最負陰極保護電位，氫脆風險較小。在施加有效陰極保護的條件下，即船體鋼表面腐蝕電位負于-800 mV時，鈦合金TA36表面腐蝕電位范圍同樣負于-800 mV，也即負于另3種鈦合金的最負陰極保護電位，氫脆腐蝕風險較大[12]。

3 結 論

鈦合金在海水介質環(huán)境中與施加有效陰極保護的船體鋼直接接觸時，鈦合金表面氫脆腐蝕風險較大。建議對所有鈦合金與船體鋼在海水介質環(huán)境中接觸部位通過非金屬隔離、絕緣涂層噴涂等手段做好電絕緣措施，如在金屬表面進行表面處理，在異種金屬連接部位之間添加絕緣材料等，以隔斷電子回路，或將金屬接頭進行絕緣包覆處理等，以隔離海水介質。