李家威，路東柱，王玉平，李婷婷，黃彥良，侯保榮

(1.中國(guó)科學(xué)院海洋研究所中國(guó)科學(xué)院海洋腐蝕與生物污損重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266071；2.青島海洋科學(xué)與技術(shù)(試點(diǎn)) 國(guó)家實(shí)驗(yàn)室海洋腐蝕與防護(hù)開(kāi)放工作室，山東 青島 266237；3.齊魯工業(yè)大學(xué)(山東省科學(xué)院) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250353；4.中國(guó)科學(xué)院海洋大科學(xué)研究中心，山東 青島 266071；5.廣西科學(xué)院廣西近海海洋環(huán)境科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西 南寧 530007；6.南通中科海洋科學(xué)與技術(shù)研究發(fā)展中心，江蘇 南通 226006；7.保定市立中車輪制造有限公司，河北 保定 071000)

0 前 言

鋁合金因其質(zhì)量輕、力學(xué)性能優(yōu)良以及耐蝕性相對(duì)較好等特點(diǎn)，在汽車、船舶、高速列車等交通運(yùn)輸行業(yè)呈現(xiàn)良好的應(yīng)用趨勢(shì)[1-3]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，每年鋁合金車輪全球的需求量達(dá)數(shù)億只，鋁合金車輪輪轂已應(yīng)用在各種各樣的車型中[4]。其中，鑄造鋁合金輪轂以其鑄造流動(dòng)性好、氣密性好、價(jià)格相對(duì)低廉、外形美觀等特點(diǎn)，已經(jīng)在轎車行業(yè)得到普及[5，6]。A356 鋁合金因其具有線收縮性小、無(wú)熱裂傾向等優(yōu)異的鑄造性能，熱處理后可獲得較好的強(qiáng)度、韌性、塑性等綜合力學(xué)性能以及后續(xù)防腐蝕工序易操作等特點(diǎn)，成為鑄造輪轂的首選材料。尤其是近年來(lái)對(duì)節(jié)能減排和汽車輕量化的要求越來(lái)越高，具有減重節(jié)能特性的鋁合金的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用得到普遍關(guān)注[7]。

20 世紀(jì)20 年代初，普加其公司首次將磨砂鑄造鋁合金輪轂替代鋼鐵輪轂安裝在賽車上，20 世紀(jì)50 年代，鋁質(zhì)車輪輪轂在家用汽車上得到普及。1958 年，首批鑄造鋁合金在美鋁公司進(jìn)行大規(guī)模量化生產(chǎn)，以后的幾十年中，鋁合金車輪的耐磨損、耐腐蝕工藝性能得到了不斷優(yōu)化提升[8]。1979 年，美國(guó)開(kāi)始把鋁合金輪轂作為標(biāo)準(zhǔn)輪轂，并制定了一系列標(biāo)準(zhǔn)。

1980 年初，鋁合金輪轂才剛剛在中國(guó)內(nèi)地起步，但隨著時(shí)間演變，這個(gè)新興產(chǎn)業(yè)卻迎來(lái)了爆炸式的投資發(fā)展。到21 世紀(jì)初，國(guó)內(nèi)共有50 多家鋁合金車輪廠，因成本限制，大部分采用性能較差、成本低的低壓鑄造工藝[9]。據(jù)媒體報(bào)道，截止2020 年，我國(guó)鋁合金輪轂的生產(chǎn)已超過(guò)全球生產(chǎn)總量的一半。鋁合金汽車輪轂正在向輕量化、耐腐蝕的方向發(fā)展[8]。

1 大氣環(huán)境因素對(duì)腐蝕的影響

雖然鋁合金具有很好的鑄造性能和力學(xué)性能，但也會(huì)在長(zhǎng)時(shí)間的使用中發(fā)生腐蝕。腐蝕不僅會(huì)帶來(lái)經(jīng)濟(jì)損失，還會(huì)引發(fā)一些不可挽回的事故。據(jù)調(diào)查，我國(guó)2014 年的腐蝕成本約為2.1 萬(wàn)億人民幣，占當(dāng)年GDP的3.34%[10]，全世界年均腐蝕報(bào)廢和損耗的金屬約為1 億噸，占年產(chǎn)量的20%～40%[11]。

鋁合金在一般大氣環(huán)境下使用會(huì)在材料表面自發(fā)地生成具有一定保護(hù)能力的氧化膜，但是在一些惡劣環(huán)境中，表面氧化膜容易被破壞，基體發(fā)生電化學(xué)腐蝕，腐蝕現(xiàn)象會(huì)出現(xiàn)在氧化膜破損或不均勻處，導(dǎo)致材料性能下降甚至報(bào)廢，主要反應(yīng)如下:

陰極:

周和榮等[12]研究表明，氣候環(huán)境和大氣中的污染物是Al 及其合金大氣腐蝕的主要影響因素，其中氣候因素主要包括大氣的相對(duì)濕度、溫度、降雨、日照時(shí)間、風(fēng)速和降塵等，大氣腐蝕性污染物成分主要有SO2、Cl-、SO3、NOx、CO2、有機(jī)物及煙塵固體顆粒等。

大氣相對(duì)濕度是輪轂腐蝕最直接的原因之一，較高的相對(duì)濕度會(huì)促進(jìn)水分在輪轂表面形成水膜[13]，Na+和Cl-會(huì)溶解到水膜中，增加水膜的導(dǎo)電性，水膜中氧的擴(kuò)散速率也較高；由于陰極反應(yīng)吸收氧氣，因此電化學(xué)腐蝕的反應(yīng)速率得到顯著提高。溫度的變化會(huì)影響金屬表面的含水量、金屬表面水化殼的凝聚以及電化學(xué)反應(yīng)速度，繼而影響大氣腐蝕速度；同時(shí)，鋁合金腐蝕程度也與大氣中的O2濃度、CO2濃度、SO2濃度、Cl-濃度直接相關(guān)，大氣中的腐蝕性成分相對(duì)濃度的增加加劇了腐蝕反應(yīng)。

Jiang 等[13]通過(guò)在南海放置合金進(jìn)行對(duì)照試驗(yàn)探究大氣腐蝕機(jī)理。對(duì)于南海腐蝕場(chǎng)地，大氣環(huán)境中存在大量的海鹽(Na+和Cl-)，并且由于當(dāng)?shù)氐母咻椪?、?qiáng)降雨和高濕度，合金表面發(fā)生了較為嚴(yán)重的電化學(xué)腐蝕。在空氣中濕度超過(guò)75%的環(huán)境下，Na+和Cl-就會(huì)進(jìn)入水膜，增加了電導(dǎo)率，加劇腐蝕發(fā)生。

高蒙等[14]研究了NaCl 沉積對(duì)7B04 鋁合金大氣腐蝕行為的影響，并對(duì)SO2和NaCl 協(xié)同作用進(jìn)行了探討，結(jié)果表明，NaCl 與SO2共存對(duì)7B04 鋁合金的大氣腐蝕具有一定協(xié)同效應(yīng)，同時(shí)存在時(shí)，引起的腐蝕大于二者單獨(dú)存在時(shí)引起的腐蝕之和。

Esmaily 等[15]在室內(nèi)環(huán)境下，通過(guò)控制變量的方法測(cè)試了鋁鎂合金在3 個(gè)不同的溫度下表面腐蝕產(chǎn)物的產(chǎn)生速度，發(fā)現(xiàn)在其他影響變量不變的情況下，腐蝕產(chǎn)物的產(chǎn)生速率與試驗(yàn)溫度成正相關(guān)。

在惡劣環(huán)境中鋁合金常見(jiàn)的腐蝕類型主要有:絲狀腐蝕、點(diǎn)腐蝕、晶界腐蝕、應(yīng)力腐蝕、剝落腐蝕，見(jiàn)圖1。

圖1 5 種腐蝕示意Fig.1 Schematic diagram of five types of corrosion

絲狀腐蝕一般出現(xiàn)在大氣濕度比較大的環(huán)境中，例如青島、海南等，這種腐蝕現(xiàn)象在有涂層防護(hù)的鎂、鋁及其合金的表面最易出現(xiàn)。腐蝕紋路一般是以絲帶狀出現(xiàn)，因而被稱為絲狀腐蝕，如圖1a 所示，絲狀腐蝕一般發(fā)生在金屬材料的涂膜層下，又稱膜下腐蝕。韓福余等[16]研究發(fā)現(xiàn)絲狀腐蝕一般不會(huì)對(duì)金屬材料結(jié)構(gòu)產(chǎn)生太大的影響，但會(huì)損害金屬制品的表面形貌及其美觀性。

點(diǎn)腐蝕是在材料表面產(chǎn)生的點(diǎn)狀腐蝕，鋁合金表面氧化膜缺陷處是發(fā)生點(diǎn)腐蝕的主要位置[20]。同時(shí)點(diǎn)腐蝕也是鋁合金材料中最為常見(jiàn)的一種腐蝕現(xiàn)象。周松等[17]證明了航空鋁合金在3 種不同環(huán)境下(潮濕空氣、鹽水和模擬油箱積水環(huán)境中)主要發(fā)生了點(diǎn)腐蝕，如圖1b 所示。

穿晶腐蝕和沿晶腐蝕也是2 種常見(jiàn)的腐蝕類型[21-23]。穿晶腐蝕是沿任意方向出現(xiàn)的腐蝕，沿晶腐蝕主要是通過(guò)晶粒之間的晶界出現(xiàn)的腐蝕現(xiàn)象，如圖1c 所示。1940 年開(kāi)始，科學(xué)家就對(duì)鋁合金的晶界腐蝕進(jìn)行了研究，大部分晶界腐蝕都是通過(guò)陽(yáng)極性質(zhì)的晶界構(gòu)成物(溶質(zhì)貧化區(qū)或沉淀相)與晶格本體的腐蝕電位差異形成電偶腐蝕，進(jìn)而導(dǎo)致晶間腐蝕[24]。

應(yīng)力腐蝕又被稱為應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂，是腐蝕介質(zhì)與鋁合金內(nèi)部的應(yīng)力共同作用下發(fā)生的一種腐蝕現(xiàn)象[18，24，25]，如圖1d，1f 所示。應(yīng)力腐蝕一般在鋁合金內(nèi)部產(chǎn)生，在材料表面并不會(huì)發(fā)現(xiàn)腐蝕跡象，一旦發(fā)生，極易出現(xiàn)事故。

剝落腐蝕是一種材料出現(xiàn)形變時(shí)，順著形變軌跡形成的腐蝕現(xiàn)象，剝落腐蝕屬于選擇性腐蝕，隨著腐蝕的加重，腐蝕產(chǎn)物會(huì)使金屬薄層像鱗片一樣脫落，因而被稱為剝落腐蝕[19，27，28]，如圖1e 所示。鋁合金受剝落腐蝕的影響很大，一般會(huì)以剝皮或鼓泡的形式存在。

De La Fuente 等[29]研究了鋁合金長(zhǎng)期暴露于鄉(xiāng)村、城市、工業(yè)和海洋環(huán)境中時(shí)的腐蝕產(chǎn)物，發(fā)現(xiàn)鋁的腐蝕在鄉(xiāng)村和城市環(huán)境中微乎其微，合金表面觀測(cè)到的Al(OH)3氧化層相比于其他環(huán)境也很??；鋁在海洋和工業(yè)環(huán)境中腐蝕十分嚴(yán)重，存在大量嚴(yán)重的腐蝕坑，據(jù)觀察合金表面也覆蓋有大量含硫和氯的腐蝕產(chǎn)物。

鐘勇等[30]研究了鋁合金在濕熱海洋、干熱沙漠、寒冷鄉(xiāng)村、暖溫高原4 種大氣環(huán)境中的腐蝕行為，在戶外自然環(huán)境中進(jìn)行試驗(yàn)，通過(guò)宏觀腐蝕形貌分析、金相顯微形貌分析、腐蝕深度分析，對(duì)比研究2 種鋁合金在不同大氣環(huán)境中的腐蝕行為和規(guī)律，發(fā)現(xiàn)鋁合金在不同大氣環(huán)境中表現(xiàn)出不同的耐腐蝕性，觀察到的腐蝕行為均表現(xiàn)為點(diǎn)蝕、晶間腐蝕和剝蝕的混合腐蝕。

Elola 等[31，32]研究了暴露在正常環(huán)境中純鋁的點(diǎn)蝕分布，發(fā)現(xiàn)暴露在侵蝕性大氣中的純鋁的點(diǎn)蝕密度在早期與時(shí)間呈線性規(guī)律，長(zhǎng)期暴露后則趨于穩(wěn)定。

李波等[33]通過(guò)研究3 種鋁合金在不同高腐蝕環(huán)境下的腐蝕發(fā)現(xiàn)，6061 鋁合金和2195 鋁鋰合金在高濃度Cl-、腐蝕液中的腐蝕方式是由點(diǎn)腐蝕向面腐蝕轉(zhuǎn)變，而7075 鋁合金則是逐步出現(xiàn)大面積龜甲狀裂紋。

Wang 等[34]通過(guò)在我國(guó)西部鹽湖大氣環(huán)境中4 a的暴露試驗(yàn)，研究了2024 鋁合金的局部腐蝕行為。研究發(fā)現(xiàn)此環(huán)境下鋁合金腐蝕速率遠(yuǎn)高于同類材料在我國(guó)中東部地區(qū)多數(shù)典型環(huán)境氣候的腐蝕速率，并發(fā)現(xiàn)隨Cl-濃度的升高，2024 鋁合金的開(kāi)路電位不斷降低，耐蝕性變差，間接表明富鹽干旱大氣環(huán)境對(duì)于Al 及鋁合金腐蝕作用較大。

Hu 等[35]通過(guò)大氣暴露現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，研究了擠壓鋁合金7075-T6 的長(zhǎng)期大氣腐蝕行為，發(fā)現(xiàn)擠壓7075-T6 在沿海大氣中暴露20 a 后，發(fā)生了明顯的剝落和晶間腐蝕，其力學(xué)性能急劇下降。在工業(yè)和沿海工業(yè)環(huán)境中，擠壓7075-T6 的質(zhì)量損失很高，腐蝕產(chǎn)物主要是硫酸鋁氫氧化物水合物(Al2SO4[OH]·H2O 和AlSO4[OH]·5H2O)。

以下主要介紹沙漠環(huán)境、濕熱海洋環(huán)境、亞熱帶濕熱環(huán)境、溫帶海洋工業(yè)環(huán)境、濕潤(rùn)城市環(huán)境、高鹽環(huán)境、熱帶季風(fēng)環(huán)境這7 種典型的腐蝕環(huán)境中鋁合金的腐蝕狀況。

1.1 沙漠環(huán)境

我國(guó)西北地區(qū)常年風(fēng)沙少雨，沙漠環(huán)境條件下的土壤鹽堿化是該環(huán)境與我國(guó)其他環(huán)境最為不同的特點(diǎn)，郭初蕾[11]通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)暴露試驗(yàn)，研究2B06 新型鋁合金在庫(kù)爾勒南疆沙漠環(huán)境1～5 a 腐蝕行為和規(guī)律，發(fā)現(xiàn)樣品正面沉積了一層黃色沙土，試樣正反面存在著不規(guī)則的黑色點(diǎn)蝕，掃描觀察可知覆蓋物為浮土，如圖2 所示，有著加速樣品腐蝕的作用，其導(dǎo)致鋁合金在干旱沙漠腐蝕效率也較高，雖不及海洋環(huán)境腐蝕速率，但也與濕潤(rùn)城市環(huán)境相接近。而趙全成等[36]卻發(fā)現(xiàn)鋁合金暴露于相對(duì)濕度較低的干熱沙漠環(huán)境，表面形成的腐蝕產(chǎn)物膜層會(huì)阻止腐蝕的進(jìn)一步發(fā)生，相比于濕熱海洋環(huán)境鋁合金腐蝕相對(duì)緩慢。

圖2 2B06 合金暴露在沙漠環(huán)境5 a 后腐蝕形貌Fig.2 Corrosion morphology of 2B06 alloy exposed to desert environment for 5 a

1.2 濕熱海洋環(huán)境

海南省萬(wàn)寧市以及廣東省湛江市寶鋼鋼鐵基地處于極具代表性的濕熱海洋環(huán)境中，全年潮濕多雨。朱紅嫚等[37]研究了1050A 和6A02 在萬(wàn)寧幾種海岸點(diǎn)暴露0.5，1.0，2.0 a 的腐蝕行為，發(fā)現(xiàn)越靠近海岸線，大氣中Cl-含量越高，大氣濕度越大，腐蝕產(chǎn)生的越快，說(shuō)明空氣濕度和Cl-濃度對(duì)鋁及其合金有很大的影響。趙全成等[36]在萬(wàn)寧、敦煌2 種環(huán)境下開(kāi)展鋁合金大氣腐蝕試驗(yàn)，研究了2 種典型大氣環(huán)境對(duì)7A85 鋁合金腐蝕的影響，在濕熱海洋大氣環(huán)境中，隨暴露時(shí)間的延長(zhǎng)，7A85 鋁合金的腐蝕逐漸加深，如圖3 所示，腐蝕情況相比于沙漠環(huán)境下更為嚴(yán)重。

圖3 7A85 鋁合金在萬(wàn)寧典型大氣環(huán)境中暴露3 a 的金相顯微形貌Fig.3 Metallographic Morphology of 7A85 Aluminum Alloy Exposed to Atmospheric Environment in Wanning for 3 a

1.3 亞熱帶濕熱環(huán)境

我國(guó)的江津地區(qū)為亞熱帶濕熱環(huán)境的代表地，同時(shí)也是酸雨環(huán)境以及工業(yè)污染環(huán)境的交匯地。周和榮等[38]通過(guò)在我國(guó)江津典型的環(huán)境下進(jìn)行大氣暴曬腐蝕試驗(yàn)，測(cè)定了1060 純鋁、2A12 鋁合金和7A04 鋁合金在該地區(qū)的腐蝕速率，利用了掃描電子顯微鏡、能譜儀、紅外光譜儀和X 射線衍射儀等分析了3 種鋁合金的腐蝕形貌、元素分布和腐蝕產(chǎn)物，發(fā)現(xiàn)隨腐蝕時(shí)間的延長(zhǎng)，鋁及其合金腐蝕產(chǎn)物不斷增多，腐蝕產(chǎn)物形貌呈塊狀或粒狀，呈現(xiàn)不均勻的凹凸形貌，如圖4 所示，腐蝕產(chǎn)物主要為Al(OH)3和Al2(SO4)3·14H2O。

圖4 鋁合金在江津腐蝕6 個(gè)月后的宏觀形貌及除去腐蝕產(chǎn)物的表面形貌[38]Fig.4 Macroscopic morphology of aluminum alloy after 6 months of corrosion in Jiangjin and surface morphology after removing corrosion products[38]

1.4 濕潤(rùn)城市環(huán)境

濕潤(rùn)城市鄉(xiāng)村環(huán)境以廣州為代表，郭初蕾[11]采用現(xiàn)場(chǎng)暴露試驗(yàn)的方法，研究2B06 和1420 這2 種新型鋁合金在我國(guó)廣州(濕潤(rùn)城市環(huán)境)1～5 a 腐蝕行為和規(guī)律，發(fā)現(xiàn)試樣正反面差異比較大，正表面覆蓋著灰白色的腐蝕斑點(diǎn)以及白色顆粒狀產(chǎn)物，試樣反面則是以一些黑色的斑點(diǎn)為主，使用SEM 觀察樣品微觀形貌發(fā)現(xiàn)呈蜂窩狀結(jié)構(gòu)，腐蝕產(chǎn)物以γ-Al(OH)3、Al2O3·3H2O、水合羥基硫酸鋁和水合硫酸鋁為主。

1.5 高鹽環(huán)境

高鹽環(huán)境常指Cl-濃度過(guò)高水分缺失的鹽堿地帶，在北美地區(qū)分布最為廣泛。本田出口到北美地區(qū)的汽車因受該地高鹽環(huán)境影響，車輪輪轂鋁合金出現(xiàn)黑斑狀腐蝕。張厚敏[39]分析了在該環(huán)境中A356 鋁合金汽車輪轂出現(xiàn)腐蝕的原因:其一，因該地常年高溫少雨，土地水分蒸發(fā)大，大氣中Cl-濃度高、灰塵多，易造成腐蝕；其二，輪轂中含有的銅鋅等雜質(zhì)與鋁的電位不同，易形成原電池對(duì)鋁進(jìn)行腐蝕。據(jù)此制定了一套更加適合北美鹽害地區(qū)環(huán)境的A356 鋁合金化學(xué)成分標(biāo)準(zhǔn)，有效提高了汽車輪轂的力學(xué)性能和耐腐蝕性能。

1.6 溫帶海洋工業(yè)環(huán)境

山東省青島市是我國(guó)海洋工業(yè)環(huán)境的代表，全年空氣濕潤(rùn)，Cl-濃度高，工業(yè)污染大，SO2濃度、CO2濃度高。楊浪等[40]研究了6061 鋁合金在模擬工業(yè)-海洋大氣環(huán)境下的腐蝕行為、機(jī)理及腐蝕形貌，觀察發(fā)現(xiàn)在該環(huán)境下的腐蝕由點(diǎn)蝕引起并擴(kuò)展；同時(shí)，試樣發(fā)生沿晶腐蝕，8 個(gè)周期后沿晶腐蝕裂紋擴(kuò)展深度達(dá)80 μm 下，如圖5 所示。模擬工業(yè)-海洋大氣環(huán)境中的硫化物不僅對(duì)試樣表面的點(diǎn)蝕產(chǎn)生很大影響，而且硫酸根離子會(huì)隨著腐蝕介質(zhì)深入晶界，加速沿晶腐蝕。力學(xué)性能分析表明，腐蝕8 個(gè)周期后試樣的延伸率大幅下降，斷裂機(jī)理發(fā)生改變，點(diǎn)蝕和沿晶腐蝕導(dǎo)致6061 鋁合金從韌性斷裂轉(zhuǎn)變?yōu)榻饫泶嘈詳嗔选hao 等[41]將7A85 鋁合金在青島大氣環(huán)境中暴露5 a，發(fā)現(xiàn)鋁合金整體出現(xiàn)了大量的點(diǎn)蝕和晶間腐蝕，主要析出物為Al2CuMg 和Al7Cu2Fe 金屬間化合物顆粒，這些顆粒不僅誘發(fā)了缺陷膜，而且在析出-基體電偶腐蝕偶中作為陰極相，導(dǎo)致了點(diǎn)蝕的發(fā)生。此外，大氣中的硫化物轉(zhuǎn)化為亞硫酸鹽離子，深入晶界區(qū)，加速點(diǎn)蝕和晶間腐蝕。

圖5 6061 鋁合金在不同試驗(yàn)周期后腐蝕截面的SEM 形貌[39]Fig.5 SEM images of corrosion sections of 6061 aluminum alloy after testing for different cycles[39]

1.7 熱帶季風(fēng)環(huán)境

熱帶季風(fēng)環(huán)境以泰國(guó)曼谷為代表，常年多雨潮濕，王力等[42]研究了5083、6063 和7020 鋁合金在泰國(guó)熱帶季風(fēng)地區(qū)的腐蝕情況，對(duì)合金進(jìn)行戶外暴露試驗(yàn)，采用微觀顯微觀察、電化學(xué)試驗(yàn)、化學(xué)成分分析等對(duì)3 種鋁合金腐蝕形貌及腐蝕機(jī)理進(jìn)行研究，如下圖6 所示，研究發(fā)現(xiàn)5083 鋁合金表面分布直徑約50 μm 的點(diǎn)蝕坑，腐蝕產(chǎn)物層厚為2～3 μm，腐蝕產(chǎn)物較為致密；6063鋁合金中Zn、Si、Fe 等合金元素含量較少，表面氧化膜較厚且致密性較高，表面點(diǎn)腐蝕坑較少；而7020 鋁合金含有較多Zn 元素，表面氧化膜薄且致密性較低，但表面腐蝕最為嚴(yán)重。

圖6 3 種鋁合金曼谷暴曬1 a 后的微觀表面和截面SEM 圖像[42]Fig.6 The micro surface and cross-sectional SEM images of three kinds of Al alloys exposured in atmospheric enviroment in Bangkok area for 1 a[42]

不同環(huán)境對(duì)于鋁合金腐蝕的影響各不相同，因此研究不同環(huán)境下的鋁合金腐蝕現(xiàn)象尤為重要。為保護(hù)鋁合金、增加金屬的耐腐蝕性能，一些發(fā)達(dá)國(guó)家在19世紀(jì)末就開(kāi)始規(guī)劃建立環(huán)境腐蝕站點(diǎn)。20 世紀(jì)初，美國(guó)材料與試驗(yàn)協(xié)會(huì)(ASTM)最先建立典型環(huán)境下的腐蝕試驗(yàn)場(chǎng)地，開(kāi)展了一系列金屬、防護(hù)涂層的試驗(yàn)[11]。隨后日本、蘇聯(lián)等國(guó)家也投入了大量人力物力建立多個(gè)外部環(huán)境腐蝕試驗(yàn)站點(diǎn)[43]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，現(xiàn)如今全球共設(shè)有400 多個(gè)環(huán)境腐蝕試驗(yàn)站，基本包含所有環(huán)境特征，如沙漠、干旱、熱帶、寒帶、海洋、工業(yè)、鄉(xiāng)村等環(huán)境條件[44]。

而在國(guó)內(nèi)，室外環(huán)境腐蝕檢測(cè)站點(diǎn)起步于1980年，經(jīng)過(guò)數(shù)年的積累，一些單位如北京科技大學(xué)、鋼鐵研究總院、中國(guó)科學(xué)院海洋研究所、中國(guó)科學(xué)院金屬研究所等在我國(guó)不同地區(qū)都設(shè)立了一些腐蝕試驗(yàn)站。中國(guó)科學(xué)院海洋研究所在青島、三亞等國(guó)內(nèi)典型城市，斯里蘭卡、印度尼西亞等一帶一路沿線國(guó)家，以及“科學(xué)號(hào)”科考船上都設(shè)有腐蝕試驗(yàn)站，目前已在腐蝕防護(hù)理論體系完善、國(guó)家重點(diǎn)項(xiàng)目選材以及材料的研發(fā)上發(fā)揮了重要作用。

2 鋁合金輪轂的防腐措施

為了解決鋁合金的腐蝕問(wèn)題，研究人員進(jìn)行了大量的試驗(yàn)，也找到一些有效抑制合金腐蝕的措施，可以對(duì)鋁合金進(jìn)行自身改性、表面處理等方法進(jìn)行保護(hù)。

2.1 基體改性

基體改性是一種通過(guò)在材料內(nèi)部改變其元素配比比例來(lái)調(diào)控材料性質(zhì)的方法，一般可以調(diào)整材料主要元素比例、微量元素比例、加入稀土元素等方法來(lái)進(jìn)行改性，達(dá)到增加材料的防腐蝕性能的作用。

2.1.1 調(diào)控合適的主相元素比例

比如控制鎂/鋅比例在2.7 左右時(shí)，有助于獲得較好的抗腐蝕性能[45]；而銅元素的添加會(huì)使鋁合金耐腐蝕性能降低，易產(chǎn)生熱裂紋，鋁合金中銅含量通常在2.5%～5.0%范圍內(nèi)，可以增強(qiáng)鋁合金的強(qiáng)度并減緩合金的腐蝕性。

2.1.2 適量的微量元素

鉻、鎳、鋯、鍶等微量元素加入，可以增大晶界析出相的尺寸，減小析出相的密度[46]，如圖7 所示，使晶界析出相的間距增大，晶界析出相的不連續(xù)性增加，這些相的變化，使其耐腐蝕性得到有效提高[47]。

圖7 Al-Zn-Mg-Cu(-Sc-Zr)合金120 ℃時(shí)效48 h 晶內(nèi)析出相的HAADF-STEM 形貌[46]Fig.7 Intragranular Precipitates of Al-Zn-Mg-Cu-(Si-Zr) Alloy Aged at 120 ° C HAADF-STEM image[46]

2.1.3 加入稀土元素

稀土具有深脫氧、深脫硫的作用，還可以變質(zhì)和細(xì)化夾雜物，抑制晶粒長(zhǎng)大，從而提高金屬材料的塑韌性、疲勞性能、耐磨性、耐蝕性等。在鋁合金中通過(guò)熔煉等方式適當(dāng)?shù)靥砑酉⊥猎乜梢蕴岣卟牧夏透g性能。

Rometsch 等[48]發(fā)現(xiàn)加入鈧等稀土元素可以有效提高鋁合金的耐腐蝕性，但當(dāng)稀土元素含量超過(guò)一定量時(shí)，耐蝕性能反而會(huì)變差。

2.2 表面處理

表面處理技術(shù)是在基體表面通過(guò)各種方法形成一層具有保護(hù)性質(zhì)表層的方法。鋁合金基體防腐表面處理一般有微弧氧化、金屬涂層、有機(jī)涂層、化學(xué)轉(zhuǎn)化膜等方法，其中金屬涂層和化學(xué)轉(zhuǎn)化膜這2 種方法最為常見(jiàn)。

2.2.1 微弧氧化

微弧氧化是將材料放到電解液中，利用電化學(xué)原理，將材料表面在高溫高壓下通過(guò)電弧放電，使其表面附著上一層陶瓷膜層的方法。微弧氧化大致分為陽(yáng)極氧化、火花放電、深層氧化和弧光放電4 個(gè)階段，而具體步驟與使用的具體材料相關(guān)，每個(gè)過(guò)程不盡相同[49]。微弧氧化完成后，由于過(guò)程中高壓放電打擊，膜層表面會(huì)存在大量孔洞，為進(jìn)一步提高陶瓷膜層的耐腐蝕性，還需對(duì)陶瓷膜進(jìn)行封孔處理。韓東銳等[50]研究了6061 鋁合金微弧氧化層厚度和封孔處理對(duì)其耐海水雨水腐蝕性能的影響，發(fā)現(xiàn)材料在微弧氧化后使用時(shí)發(fā)生的腐蝕類型主要為點(diǎn)蝕，封孔處理后點(diǎn)蝕明顯減少，膜層厚度則對(duì)耐腐蝕性影響不大。

微弧氧化有環(huán)保、工藝簡(jiǎn)單、耐腐蝕性能好以及對(duì)材料結(jié)構(gòu)包容性大等優(yōu)點(diǎn)，在加工復(fù)雜零件時(shí)有奇效，極大改善了鍍膜的綜合性能，但和金屬涂層比較，其膜層均勻性難以控制、無(wú)法大批量生產(chǎn)大型零件以及成本高、耗時(shí)長(zhǎng)的缺點(diǎn)仍限制著該技術(shù)的大面積推廣。

2.2.2 金屬涂層

鋁合金表面通過(guò)電鍍、化學(xué)鍍、離子鍍、噴涂、熱擴(kuò)滲、陽(yáng)極氧化等方法形成的一種具有保護(hù)性的金屬涂層[51-53]。金屬涂層保護(hù)法形成的鍍層工藝簡(jiǎn)單、成本低、耐腐蝕性也較好。

Lu 等[54]利用熱擴(kuò)滲技術(shù)在空氣中進(jìn)行多次粉末致密擴(kuò)散合金化處理，將鋁層附著到合金上，形成了牢固緊密且耐腐蝕性好的富鋁金屬涂層。李志強(qiáng)等[55]利用熱噴涂方法，在5083 鋁合金基體上制備了10 種不同厚度的鋁鋅金屬涂層，并測(cè)得涂層的電導(dǎo)率小于5083基體的，涂層電導(dǎo)率隨著涂層厚度的增加而減小。

2.2.3 有機(jī)涂層

有機(jī)涂層是利用油脂、橡膠、瀝青等有機(jī)聚合物，在材料表面形成一層保護(hù)膜層，達(dá)到絕緣、耐熱、防腐防潮功效的一種方法，并且有機(jī)涂層不需要很高的鍍層條件要求，是一種污染性小的涂層[56]。該類涂層對(duì)在溫度較低和腐蝕性一般的介質(zhì)中使用的化工材料及石油化工設(shè)備有很好的保護(hù)作用，但當(dāng)材料使用溫度過(guò)高時(shí)，有機(jī)涂層的性能就會(huì)被下降，耐腐蝕性也會(huì)大打折扣。潘建華等[57]利用“有機(jī)底涂-真空鍍-有機(jī)面涂”三重涂層取代了普通的電鍍“鎳-銅-鉻三金屬鍍層”，整體涂層厚度大于110 μm，有機(jī)底涂時(shí)涂層厚度也通常在80 μm 以上，這種工藝生產(chǎn)的輪轂有利于環(huán)保節(jié)能和提高效益，其輪轂性能也與普通電鍍涂層性能相當(dāng)。開(kāi)發(fā)具有更好的熱穩(wěn)定性和優(yōu)異耐腐蝕性的新型有機(jī)涂料，或者是將有機(jī)-無(wú)機(jī)結(jié)合的復(fù)合型防腐涂料，都具有廣闊的應(yīng)用前景和很好的發(fā)展趨勢(shì)。

2.2.4 化學(xué)轉(zhuǎn)化膜

利用化學(xué)或電化學(xué)方法在鋁合金基體表面沉積一層性能穩(wěn)定涂層的方法稱為化學(xué)轉(zhuǎn)化膜法。該方法制作的涂層有著耐腐蝕性、耐磨性高等特點(diǎn)。如今比較常用的是鉻酸鹽轉(zhuǎn)化膜、氧化物轉(zhuǎn)化膜、磷酸鹽轉(zhuǎn)化膜，都是將活潑的金屬單質(zhì)轉(zhuǎn)化為不活潑的化合物來(lái)抑制腐蝕現(xiàn)象的發(fā)生。此工藝也可作為涂層前處理工藝、涂裝底層工藝以及著色所使用，但該涂層工藝常用鉻酸鹽和鎳酸鹽，會(huì)對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重破壞。

3 總 結(jié)

鋁輪轂主要有絲狀腐蝕、點(diǎn)腐蝕、晶界腐蝕、應(yīng)力腐蝕、剝落腐蝕等常見(jiàn)腐蝕類型，其中點(diǎn)腐蝕最常發(fā)生，應(yīng)力腐蝕危害性最大；大氣環(huán)境因素對(duì)于鋁輪轂的腐蝕影響明顯，相較之下，濕熱海洋環(huán)境中鋁合金腐蝕最為劇烈，而沙漠環(huán)境中的材料腐蝕研究還較少?？蓮牟牧献陨砀男院捅砻嫣幚韮煞矫鎸?duì)鋁合金進(jìn)行防護(hù)，提高其耐腐蝕性能。

汽車已經(jīng)成為日常工作生活中不可或缺的一部分，為滿足當(dāng)下社會(huì)節(jié)能環(huán)保的這一時(shí)代主題，汽車輪轂必將朝著輕量化、便捷化、高性能化的方向蓬勃發(fā)展，這使輕質(zhì)鋁合金在輪轂上的應(yīng)用越來(lái)越多，需要根據(jù)汽車輪轂具體服役環(huán)境和服役特點(diǎn)提出針對(duì)性的防腐蝕技術(shù)和方法，以提升特種環(huán)境中汽車輪轂的服役年限。