摘要：金屬材料腐蝕現象隨處可見，電偶腐蝕是金屬材料的一種特殊腐蝕形式，不僅會導致金屬材料使用壽命下降，加快金屬構件失效，還會引發其他一系列局部腐蝕行為，具有嚴重的破壞性。針對異種金屬材料電偶腐蝕問題介紹了電偶腐蝕基本原理和主要特點;闡述了異種金屬材料電偶腐蝕研究進展與常用研究方法，并對電偶腐蝕防護技術進行了總結，提出電偶腐蝕與防護未來可能研究方向;探討了電磁場作為新型物理防腐技術對金屬材料腐蝕行為的影響，提出電磁場在金屬材料電偶腐蝕防護方面應用的設想，為電偶腐蝕防護技術研究提供了新方向。

　　關鍵詞：電偶腐蝕;金屬材料;防腐;防護措施;電磁場

　　在日常生活中金屬材料的腐蝕隨處可見，腐蝕不僅影響能源科技、醫療器械、國防安全以及一系列新興產業的發展等，也造成嚴重的經濟損失和帶來不可忽視的安全危害。據統計，我國每年因腐蝕問題造成的經濟損失約占全國GDP的3%[1]。研究金屬材料的腐蝕問題，探索金屬材料的防腐新技術具有重要現實意義。電偶腐蝕是金屬構件中常見的一種電化學腐蝕，一般發生于電解液環境中的兩種不同金屬或合金之間，也稱為接觸腐蝕或雙金屬腐蝕[2]。

　　金屬材料論文： 金屬材料熱處理節能工藝優化分析

　　在工程應用中，基于對材料性能和功能要求，以及對構件成本的考慮，常常需要將兩種或多種材料配合使用，采用焊接、鉚接或螺栓緊固等形式組成連接件[3-5]。就結構件而言，若連接防腐不當，材料使用壽命下降，會導致系統構件在使用周期結束前發生嚴重的腐蝕損害。如運輸管道系統中法蘭等零部件連接處，海洋油氣平臺管道、西氣東輸埋地管道和核電廠海水管道的連接部位，極易發生電偶腐蝕，導致管道設備受到破壞引起泄漏事故，易造成嚴重的土壤環境、大氣和海洋水資源污染等[6-9]。

　　電偶腐蝕行為不僅會促使金屬材料腐蝕進程加速、產品或構件使用壽命降低等問題，在實際服役過程中還會因為個別零件的電偶腐蝕，使整個系統的服役壽命降低，對經濟安全造成巨大威脅，腐蝕狀況嚴重的還可能會引起人員傷亡事故。在腐蝕性環境下，金屬材料與導電非金屬材料相連接也極易發生電偶腐蝕。電偶腐蝕的主要研究熱點：一是實驗研究異種材料接觸是否會發生電偶腐蝕以及腐蝕程度和影響因素[10-12];二是從電偶腐蝕發生條件和影響因素出發，采用不同防腐技術對金屬材料電偶腐蝕進行預防和控制[13-15]。然而實際服役環境更為復雜，一些可能在大氣環境中沒有表現明顯電偶腐蝕的金屬構件在其他環境，如深海環境中則會發生明顯的電偶腐蝕，事實上，還有很多特殊環境條件對金屬材料電偶腐蝕的影響有待研究。

　　1電偶腐蝕原理與特點

　　1.1電偶腐蝕原理

　　電偶腐蝕本質上是兩種電極電位不同的金屬、合金或非金屬材料(如碳纖維復合材料)相接觸構成的宏觀原電池腐蝕。在腐蝕性溶液中，接觸區域電偶對陽極材料首先發生溶解，腐蝕速率升高，陽極材料溶解速度相對加快，腐蝕受到促進作用;而陰極腐蝕 過程受到保護，電偶腐蝕速率減慢[2]。

　　在該電化學腐蝕電池中，電位較低金屬材料作為腐蝕原電池陽極，陽極金屬材料失去電子后陽離子通過腐蝕介質到達陰極材料表面;電位相對較高金屬材料作為陰極，陰極反應一般是氧的還原或析氫過程[16]。由此可知產生電偶腐蝕需具備3個必要條件[17]：

　　第一，兩電極存在電位差，采用不同的金屬或合金材料作為陰陽極;第二，存在電子通道，陰陽極直接或間接實現電接觸;第三，存在離子通道，兩電極處于同一腐蝕性電解質溶液中。研究表明，在某一相同腐蝕介質下，組合件電偶腐蝕敏感性與電極電位差有很大關系，兩者之間電位差是產生電偶腐蝕的必要條件和主要驅動力，也是判斷電偶腐蝕傾向的熱力學判據[18]。當兩種金屬材料的電極電位差存在較小差異，一般小于閾值電位差50mV時發生電偶腐蝕可能性較小，如鑄鐵和鋼、青銅和黃銅接觸就可以不考慮電偶腐蝕效應;若兩者實際電位差值≥0.25V時，金屬材料連接區域將會發生明顯的電偶腐蝕效應[16]。電偶序是將不同金屬材料放在特定電解質溶液中測得的穩定電極電位值按大小排列的列表。

　　材料排序隨腐蝕性介質改變而發生變化。電偶序中相對較遠的兩種金屬合金材料更容易發生電偶腐蝕，而距離較近金屬材料受到的腐蝕損害較小。根據電偶序可了解腐蝕介質中不同金屬合金材料活潑性并預測電偶腐蝕發生的可能性[18]。Mansfeld等[19]研究了3.5%NaCl溶液中鋁合金與不同金屬材料耦合后電偶腐蝕行為，實驗結果驗證了利用電偶序判斷電偶腐蝕傾向的基本準確性，還表明電偶腐蝕速率與材料自身極化特性有關。實際情況下電偶腐蝕速率不僅僅取決于兩種金屬或合金材料在電偶序中相對位置和極化性質，還取決于電偶對中陰陽極材料面積比、偶對間距和腐蝕介質濃度、溫度、濕度以及溶液pH值、流動狀態等[21-23]其他實質性影響因素。

　　1.2電偶腐蝕特點

　　工程應用中金屬材料與其他結構件材料配套使用不可避免，電偶腐蝕幾乎遍布航空、艦船、橋梁、管道、建筑、高速公路和醫療器械等各大領域。根據腐蝕外觀形態觀察可知，電偶腐蝕屬于局部腐蝕的一種，腐蝕主要集中發生在金屬材料表面局部區域，宏觀上易于判別，文獻[24]描述了管道系統中發生的電偶腐蝕現象，可知，在碳鋼管和黃銅閥的連接部位腐蝕最為嚴重。電偶腐蝕不僅會加速材料腐蝕進程還會引發其他一系列局部腐蝕，比如點蝕、縫隙腐蝕、應力腐蝕和氫脆等[25]，進一步加重腐蝕損害，直至設備失效。鎂/鋁合金電偶腐蝕對比實驗表明，電偶腐蝕效應加速了鎂合金的全面腐蝕，連接處外圍鎂合金表面腐蝕坑加深[26]。

　　2E12鋁合金與不銹鋼偶接處與非偶接處腐蝕形貌差異明顯，非偶接時鋁合金試樣表面腐蝕程度較低，偶接處2E12鋁合金在電偶因素作用下表面發生嚴重剝蝕，次表面出現明顯的腐蝕孔洞并伴有二次裂紋，應力腐蝕開裂現象加重[27]。文獻[28]描述了黃銅與B10銅鎳合金偶接后電偶腐蝕與非偶接處的腐蝕形貌，電偶腐蝕效應明顯加劇黃銅栓狀和層狀脫鋅腐蝕。在3.5%NaCl溶液中，7B04鋁合金與TA15鈦合金偶接，導致鋁合金電位升高達到點蝕電位，加速7B04鋁合金點蝕的產生和發展[29]。

　　2金屬材料電偶腐蝕及防護

　　近年來，人們對雙金屬材料電偶腐蝕行為大量研究，開發了相應電偶腐蝕研究方法和電偶腐蝕防護技術，以解決材料連接件的電偶腐蝕失效問題。

　　2.1異種材料電偶腐蝕研究

　　鋼結構橋梁、船舶、風電行業中結構輕量化設計廣受歡迎，特別是航空航天領域對輕質鋁合金、鈦合金以及碳纖維增強復合材料(CFRP，carbonfiberreinforcedpolymer)等應用廣泛，電偶腐蝕是導致連接結構件或復合材料損傷的主要原因之一[30]。針對海洋環境下船體主要結構材料電偶腐蝕問題，研究了5083鋁合金與TA2鈦合金在3.5%NaCl溶液中的電偶腐蝕行為，鋁合金電偶腐蝕電流比偶接鈦合金前增大數倍，根據電偶腐蝕程度評定標準，5083鋁合金與TA2鈦合金耦合件不能直接接觸使用[31]。

　　采用超音速微粒沉積方法在5083鋁合金表面制備鈦鋁基(Ti-45Al-7Nb-4Cr)防護涂層，可有效緩解甚至消除鋁/鈦合金連接的電偶腐蝕問題[32]。在 pH=7的NaCl溶液中，溫度對6061鋁合金與碳纖維增強復合材料體系中的碳纖維腐蝕影響不大，電偶腐蝕主要作用在鋁合金材料表面[33]。

　　當溫度低于45℃時，復合材料電偶腐蝕效應不明顯，隨溫度升高，電解質溶液中離子運動和擴散速度加快，加深了6061鋁合金電偶腐蝕程度[33]。鎂合金/低碳鋼電偶接頭在1.6wt%NaCl溶液中，應力和電化學會發生復雜的相互作用，在交替腐蝕和疲勞載荷雙重作用下鎂合金電鍍接頭的電偶腐蝕效應顯著增加[34]。國內外相關研究主要是針對實際服役過程中暴露出的電偶腐蝕問題，通過對不同金屬材料電偶腐蝕行為進行研究來判斷兩種材料能否接觸使用，并探討材料結構、表面處理工藝及外界因素條件等對電偶腐蝕程度的影響[35]。

　　在某些特殊復雜環境條件下，如油氣田高溫高酸腐蝕性環境中金屬材料電偶腐蝕、海洋干濕交替環境下多金屬體系電偶腐蝕問題，以及深海低溫低氧環境下負載壓力與溫度和溶解氧多重因素對金屬材料電偶腐蝕的綜合影響還有待深入研究和解決[36-38]。

　　2.2研究方法

　　研究和測試電偶腐蝕的方法很多，如傳統的浸泡實驗法(間浸實驗、全浸實驗)研究電偶材料的腐蝕行為[39];采用電化學工作站測量偶對件的電偶電位和電偶電流并結合電化學阻抗譜技術、動電位極化技術研究電偶腐蝕的熱力學和動力學特性[40-41]。采用浸泡試驗和電化學測試技術研究不同陰陽極面積比的1020碳鋼與304L不銹鋼電偶對在硫化物溶液中的腐蝕行為，發現碳鋼可作為陽極材料其表面形成的一層硫化膜保護碳鋼可減輕腐蝕;且碳鋼電偶腐蝕效應與陰陽極面積比呈正相關，當陰陽極面積比增大到一定范圍，電化學方法無法準確測量電偶腐蝕效應[42]。

　　2.3電偶腐蝕的防護

　　電偶腐蝕造成的系統故障具有潛在危險性，目前對金屬材料電偶腐蝕的防護研究主要是針對特定條件下電偶腐蝕產生的原因和影響因素，對其采取不同表面處理技術進行防護[50]。通過應用微弧氧化(microarcoxidation，MAO)技術在鈦合金表面制備一層TiO2基陶瓷涂層，并模擬研究30CrMnSiA鋼與微弧氧化涂層TA15合金偶對件在3.5%NaCl的海水中的電偶腐蝕，發現涂覆的微弧氧化涂層具有優良阻隔性，能有效緩解了電偶腐蝕效應[51]。陽極氧化處理的鋁合金表面形成一層耐腐蝕性能好的致密氧化膜，增加鋁合金電偶電位，可降低2124和2024鋁合金分別與TC4鈦合金的電偶腐蝕程度[52]。

　　根據產生電偶腐蝕的3個必要條件，預防異種金屬材料電偶腐蝕可從以下幾個方面著手控制，選擇防護措施時應具體考慮工件結構和實際服役環境的影響：①正確選材。避免電位差大的金屬相接觸，控制陰陽極金屬材料面積比，適當減小陰極材料面積，避免“大陰極—小陽極”組合情況發生。②對于某些連接部位不可避免要采用電位差異懸殊的異種金屬，電絕緣保護措施是防止電偶腐蝕的可靠方法之一。在陰陽極材料接觸部位添加絕緣隔離措施進行電絕緣處理來消除電子導電支路，使用絕緣墊片將兩極有效隔開或使用緩蝕劑增大腐蝕介質電阻。

　　③采用合適的表面處理技術對材料表面進行處理，覆蓋涂鍍層或將材料表面進行改性，減小異種材料電位差或增大兩者之間電阻值以隔斷離子通道。如對鈦合金表面進行離子鍍鋁，對鋁合金表面進行陽極氧化或微弧氧化處理來降低電偶腐蝕效應。④對某些不適于表面處理的連接結構(如螺栓緊固連接處)可使用密封料或塑料薄膜將偶對件材料進行完全包裹，讓工件與外界環境實現隔離，如將緊固件材料涂密封漆進行密封處理。⑤根據電化學腐蝕原理，可利用電磁學等物理技術手段減緩金屬連接件電偶腐蝕行為。

　　雖然目前關于磁場防護方面理論上還缺乏系統性認識，但電磁場作為一種新型防腐技術，有望保證耦接件實現長期有效防護。最近德國弗勞恩霍夫研究院團隊開發出一種新型碳纖維復合材料部件制造技術，實現金屬緊固件材料與碳纖維復合材料可靠連接[53]，并在碳纖維復合材料構件上涂覆耐高溫保護層，研制出一系列鋁系金屬材料和碳纖維復合材料連接新技術[54]。

　　相比較而言，國內金屬材料的電偶腐蝕研究起步相對較晚，現階段防護技術和實驗設備條件等皆有限，對電偶腐蝕預防措施方面的標準和規范比較匱乏，導致有關電偶腐蝕的理論分析內容不夠完善、防腐形式比較單一。未來的研究發展應針對具體腐蝕實驗要求調整實驗方案，進一步研究防護機理，對結構件材料采取一種或同時使用多種經濟有效的防腐技術手段進行系統性、全面性防護。

　　3電磁場對電偶腐蝕的影響

　　金屬材料電偶腐蝕是一個動力學和熱力學綜合的復雜電化學過程。電偶腐蝕微電池中存在兩個導電支路，陽極金屬材料溶解后陽離子從耦合陽極區不斷向耦合陰極區移動，構成離子導電支路;陽極金屬材料表面過剩的電子與陰極區具有還原性物質在腐蝕溶液中發生還原反應，構成電子導電支路[17]。

　　4結語

　　(1)應加強注重金屬材料自身結構因素和實際工況條件下外部環境因素對電偶腐蝕的綜合影響，并對特殊環境下三電偶體系以及多金屬電偶體系腐蝕進行深入探索。(2)改進傳統電偶腐蝕防護措施，研制新型電偶腐蝕防護技術，將傳統的電偶腐蝕防護技術與新型防腐技術進行對比研究;同時考慮將多種防護措施結合使用，保證耦接件的長期有效防護。(3)研究電磁場環境下不同材料間電偶腐蝕防護機理，探尋磁場強度、磁場取向和工頻磁場對電偶腐蝕影響規律，設計新型磁場防腐裝置，采用電磁場物理防護技術實現裝備結構件安全可靠服役。

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