接觸腐蝕

接觸腐蝕又稱電偶腐蝕。兩種不同的金屬相互接觸而同時處於電解質中所產生的電化學腐蝕。由於它們構成自發電池，故受腐蝕的是較活潑的及作為陽極的金屬。例如，用鐵鉚釘聯結的銅板在潮濕的空氣中即發生接觸腐蝕，鐵為陽極，發生溶解而被腐蝕。接觸腐蝕通常可用電鍍、塗刷塗料、加入緩蝕劑等來防止。

基本介紹

• 中文名：接觸腐蝕
• 外文名：contact corrosion;galvanic corrosion
• 拼音：jiechufushi
• 別名：電偶腐蝕
• 學科：冶金工程
• 領域：冶煉

定義介紹

鋁合金、鈦合金因具有密度低、比強度高、比剛度高等特點，廣泛用作飛機、艦船的結構材料。在實際套用過程中，形成了許多鋁/鈦合金異質金屬接觸結構。在這些結構件中，與鈦合金接觸的鋁合金因具有更負的電極電位在接觸界面處發生嚴重的電偶腐蝕，給裝備的正常行駛帶來安全隱患。

TiAl合金一直被作為潛在的輕質結構材料而進行研究。TiAl合金具有一系列優異的化學性能、物理性能和力學性能，如低密度、高彈性模量、高導熱係數、優異的抗氧化性能和抗強酸強鹼腐蝕性能等，因此研究和開發一直備受重視，目前在航空航天、汽車工業等高溫部件中套用廣泛。然而，通過表面工程方法製備TiAl合金防護層，將其室溫下優異的耐蝕、耐磨性能用於材料表面修復強化的研究仍處於起步階段。

Cantor和Tsunekawa分別採用真空等離子和低壓等離子噴塗方法，利用純Ti粉和純Al粉在低碳鋼基體上製備了TiAl基合金塗層，並研究了噴塗工藝對塗層的成分、組織與性能的影響。王漢功和李平等採用超音速電弧噴塗技術在LY12鋁合金表面製備了TiAl合金複合塗層，最佳化了噴塗工藝參數，研究了塗層的物相組成、顯微結構、結合強度、顯微硬度和耐磨性等，結果表明塗層由TiN（TiO）、Al、Ti、TiAl和Ti3Al組成，孔隙率<2．8%（氣孔大小為2～8μm），結合強度可達28MPa，顯微硬度為631HV0．2，乾摩擦條件下磨損體積為LY12鋁合金基體的1/38．84，磨損機制為磨粒磨損和氧化磨損。

超音速微粒沉積技術具有高速和低溫特性，使沉積顆粒在熔點溫度下獲取高動能，可避免TiAl基合金粉體發生氧/氮化，同時在高速撞擊下提高顆粒的協調變形水平，有利於高質量、原態TiAl基合金塗層的製備。文中採用超音速微粒沉積技術在鋁合金表面製備TiAl基防護塗層，用於解決鈦/鋁合金異質金屬接觸電偶腐蝕的共性問題。

截面微觀觀察

TiAl合金塗層截面形貌，塗層中有較多未完全變形的TiAl合金顆粒（顆粒A），夾在未完全變形顆粒間的是發生完全變形的顆粒。塗層中不存在未變形顆粒，表明TiAl合金顆粒的塑性變形是顆粒發生沉積的必要條件。未完全變形的顆粒輪廓呈傘狀，在底端靠近基體位置發生了明顯的塑性變形，顆粒頂端仍保持原有的球形輪廓。噴塗層沉積過程是逐層堆積過程，基體正對噴槍時形成新生塗層；新生塗層離開噴槍，在壓縮空氣冷卻作用下溫度降低，塑性變形能力隨溫度降低而下降；當下一層顆粒沉積時，待沉積顆粒與塗層表面已沉積顆粒發生碰撞，因已沉積顆粒溫度低，塑性變形量小，更多依賴於溫度高的待沉積顆粒底端發生塑性變形實現沉積，由此形成了未完全變形顆粒特有的傘狀形貌特徵。

通過TiAl塗層在影像處理後的顯微圖像。計算塗層孔隙率為1．4%，塗層內無通孔。塗層中的孔隙均在未完全變形顆粒底部附近，這是由於未完全變形顆粒對孔隙起遮蔽作用，使孔隙保留下來。

界面處元素分布曲線斜率較大，表明塗層與基體元素未發生明顯擴散，塗層與基體的結合機理為機械結合。

塗層與基體界面為曲面過渡，凹凸不平。界面附近塗層較為緻密，表明在界面附近噴塗顆粒與基體發生了較明顯的協調變形，TiAl合金顆粒與5083鋁合金基體發生協調變形是首層塗層實現沉積的必要條件。

極化曲線分析

測試5083鋁合金、TA2鈦合金、TiAl合金鑄錠和塗層的極化曲線。由測試結果可以看出，TiAl塗層材料的自腐蝕電位和自腐蝕電流都介於TA2鈦合金與5083鋁合金之間，並且更靠近TA2鈦合金的測試值。

通過在鋁合金表面製備TiAl合金塗層縮小了鋁合金與TA2鈦合金的電極電位差，使接觸腐蝕驅動力降低，這對5083鋁合金腐蝕防護有利。同時，從圖中還可以看到，TiAl合金鑄錠的電化學性能均明顯優於TiAl合金塗層，綜合TiAl合金鑄錠和塗層的微觀形貌觀察可知，這是由於塗層中存在孔隙所造成的，這些孔隙可能成為Cl－ 擴散的通道，使材料的腐蝕抗力降低。

敏感性評定

採用電化學工作站研究材料與TA2鈦合金偶接後的接觸腐蝕敏感性。在電路連線中，將TA2鈦合金與地線相連，將5083鋁合金、TiAl合金鑄錠和塗層分別作為工作電極與TA2偶接。當腐蝕電流顯正時工作電極金屬發生腐蝕，腐蝕電流顯負時TA2鈦合金髮生腐蝕。

接觸腐蝕電流隨時間變化，平均接觸腐蝕電流密度和接觸腐蝕敏感性測試結果。在接觸最初階段，5083鋁合金與TA2鈦合金接觸腐蝕電流在正值區迅速增大，表明腐蝕的是鋁合金。隨著時間延長，接觸腐蝕電流在一定範圍內波動，此時伴隨著鋁合金表面鈍化膜生成破壞過程。

20h內平均接觸腐蝕電流密度為16．2μA/cm2，接觸腐蝕敏感性為E級，不允許直接接觸使用。TiAl合金鑄錠與TA2接觸腐蝕電流較為平穩，20h 內的平均接觸電流密度為－0．23μA/cm2，發生電偶腐蝕的是TA2合金。

這是由於TiAl合金鑄錠較TA2鈦合金具有更高的自腐蝕電位，當它們之間發生接觸時，TiAl合金為陰極，TA2鈦合金為陽極發生腐蝕。因電極電位差較小，接觸腐蝕敏感性為A 級，可以直接接觸使用。TiAl合金塗層與TA2鈦合金接觸腐蝕電流較小，遠低於5083的接觸腐蝕電流。

TiAl（Ti－45Al－7Nb－4Cr）塗層與TA2鈦合金接觸腐蝕電流放大圖，接觸腐蝕電流在接觸之初就迅速增大，達到最大值後降低，最後在一個穩定平台上波動，接觸腐蝕電流為正，TiAl塗層發生腐蝕。這是由於TiAl塗層的電極電位低於TA2鈦合金，當發生接觸時，TiAl合金塗層作為陽極而發生腐蝕。在接觸開始階段，TiAl塗層表面保護性氧化膜層生成速度較慢，低於膜層的破壞速度，致使接觸腐蝕電流升高。隨著時間延長，塗層表面保護性氧化膜層生成與破壞速率達到平衡，塗層與TA2鈦合金的接觸腐蝕電流也趨於穩定。TiAl塗層與TA2鈦合金20h內的平均接觸腐蝕電流密度為0．21μA/cm2，它們之間的接觸腐蝕敏感性為A級，允許直接接觸使用，通過在5083鋁合金表面製備Ti－45Al－7Nb－4Cr塗層有效解決了鋁合金與鈦合金的接觸腐蝕問題。

兩種異質金屬存在電位差時，一般會使電極電位偏負的金屬發生接觸腐蝕。同時，兩種異質金屬間的電偶腐蝕現象，還與材料表面狀態有關。在大氣環境中，TiAl合金鑄錠表面會形成一層薄而均勻的TiO2+Al2O3混合膜，而TA2鈦合金和5083鋁合金表面會分別形成單一的TiO2和Al2O3薄膜。3種氧化膜對Cl－ 的穩定性由高到低為：TiO2 + Al2O3混合膜> TiO2膜>Al2O3膜。因此，在質量分數為3．5%NaCl溶液中，TiAl鑄錠與TA2鈦合金偶接時TA2鈦合金髮生接觸腐蝕，5083鋁合金與TA2鈦合金偶接時5083鋁合金髮生接觸腐蝕。採用噴塗技術製備TiAl合金塗層時，塗層最表層有孔隙，在大氣環境中，受孔隙影響形成TiO2+Al2O3混合膜層不均勻。在有Cl－ 作用時，混合膜層的穩定性降低，在電極電位差的驅動下與TA2鈦合金接觸後引起TiAl塗層腐蝕。

採用超音速微粒沉積方法在鋁合金表面製備防護層，通過平衡材料間電極電位差，可有效解決鈦/鋁合金間的接觸腐蝕問題。

總結

（1）採用超音速微粒沉積技術在5083鋁合金表面製備了TiAl合金塗層，孔隙率為1．4%，無貫穿孔，塗層與鋁合金基體結合機制為機械結合。

（2）相對5083鋁合金，Ti－45Al－7Nb－4Cr合金防護塗層自腐蝕電位升高，自腐蝕電流降低，提高了鋁合金基體的耐蝕性能。

（3）通過在5083鋁合金基體上製備TiAl基合金塗層，使得與TA2鈦合金的接觸腐蝕電流密度由16．2μA/cm2 降為0．21μA/cm2，接觸腐蝕敏感性由E級降到A級，可以與鈦合金直接接觸使用。