铝合金舰艇的腐蚀特点及治理对策

宗 峰

● （驻上海江南造船（集团）有限责任公司军事代表室，上海 201913）

铝合金舰艇的腐蚀特点及治理对策

宗 峰

● （驻上海江南造船（集团）有限责任公司军事代表室，上海 201913）

本文列举了铝合金腐蚀的典型类型，对目前铝合金舰艇上存在的主要腐蚀特点及原因进行了分析，提出制定维护保养制度，并从技术手段上提出了相应的治理防护对策。

铝合金；防腐蚀；维护保养

0 引言

近年来，铝合金作为一种性能优越的金属材料在舰船建造上得到了广泛的应用，铝合金上层建筑及全铝合金结构船体的船舶数量急速增加，很多船采用 5083-H116、5083-H321和 5383-H321等铝合金作为舰体结构材料，6061-T6和6082-T6作为舰体挤压成型件（管材）及加固材料。与此同时，舰艇的铝合金结构的防腐蚀问题应该引起我们的高度重视。

1 舰船用铝合金典型腐蚀类型

铝及其合金的腐蚀环境湿度临界值为76 RH%，当环境湿度高于该临界值时，铝合金表面就会形成水膜，从而促使电化学腐蚀速率迅速上升。该值与铝合金表面状态紧密相关，当金属表面越粗糙、裂缝与小孔越多时，临界相对湿度值越低；若铝合金表面粘附易于吸潮的盐类或灰尘时，其临界值也降低。5系（Al-Mg）铝合金和 6系（Al-Mg-Si）铝合金是应用最广的舰用铝合金，常见的腐蚀类型包括：均匀腐蚀、点腐蚀、缝隙腐蚀、晶间腐蚀和应力腐蚀。

1.1 均匀腐蚀。

在H3PO4或NaOH介质中，铝合金通常发生均匀腐蚀，此时金属表面的钝化膜会发生大面积均匀溶解，即全面腐蚀。

1.2 点腐蚀。

点蚀是铝及其合金最常见的腐蚀类型，在海洋大气环境中，当空气湿度达到腐蚀临界值时，铝合金表面形成极薄水膜，使极性较强的 Cl-进入于铝合金表面薄液膜。由于铝合金中组织的不均匀性，夹杂物或析出相附近生成的钝化膜较薄，电位较正，该处就容易吸附 Cl-，当浓度达到一定值（使该处电位值达到临界点蚀电位）后就会穿透氧化膜到达金属基体。这时，钝化膜破裂点处作为阳极，未破坏处作为阴极，形成由氧去极化控制的小阳极、大阴极活化-钝化腐蚀原电池。铝合金点蚀原理如图1所示。

图1.铝合金点蚀原理示意图

在中性和偏碱性环境下，铝的腐蚀原电池反应为：

阳极：Al-3e→Al3+

阴极：O2+2H2O+4e→4OH-

总反应：4Al+3O2+6H2O→4Al(OH)3（假勃姆石）↓

由于破裂点处阳极电流密度非常大，该处就首先出现腐蚀孔，而有钝化膜区域受到阴极电流保护，继续维持钝态而不再继续腐蚀。这样，腐蚀孔就会进一步加深，并且导致H+富集，由此发生：

Al+3H++3Cl-+nH2O→AlCl3·nH2O+3/2 H2↑

这种蚀孔闭塞电池的自催化酸化作用导致铝合金腐蚀速率急剧增加，从而导致穿孔。若铝合金晶界处存在Al2Cu、Al3Fe等阴极相偏析，或者铝合金表面存在水化Cu2+、Fe3+等杂质离子，就会发生：

Cu2++2e→Cu 或Fe3++3e→Fe

这种正电位金属的二次析出会大大加速阴极腐蚀电化学反应速率，导致铝合金迅速穿孔。英国BNFRMA实验室的研究表明，Cu2+在伦敦水中的引起铝合金点蚀的临界浓度值为 0.2ppm～0.5ppm。研究表明，高含量氯离子和成垢离子可强化Cu2+对铝合金的加速腐蚀作用，即使含量小于30μg/L（0.03 ppm）的Cu2+也能急剧提高铝合金的自腐蚀电位，诱发铝合金局部点蚀；但在软化水以及低盐度水中，铝合金受低浓度铜离子的影响较小。

1.3 缝隙腐蚀

一般认为，铝合金缝隙腐蚀发展机理与点蚀类似，均是由于闭塞电池的自催化酸化效应。不同之处在于其萌生机制：缝隙腐蚀仅发生于腐蚀介质可以透入的间隙内，如铝合金与其他金属或非金属材料的对接、铆接、焊缝部位，缝隙腐蚀速度与缝隙几何形状密切相关；相对于缝隙腐蚀的静止性而言，点蚀可在周围腐蚀介质能够自由到达的金属表面电位较正处发生（如灰尘附着处或晶界、夹杂、位错集中部位），也可由金属表面的微观缺陷处萌生。丝状腐蚀可看做缝隙腐蚀的特例，其腐蚀机理被认为是受氧扩散控制的电化学腐蚀，通常发生于涂装缺陷处，在海洋大气环境下，若涂层存在针孔等缺陷，该处铝合金首先发生点蚀，进而向周围涂层下扩散，逐步形成阳浓差电池，激发丝状腐蚀萌生：缺陷外部（尾部）为富氧区，作为腐蚀电池的阴极，而周围（头部）贫氧区为阳极发生铝的活性溶解，这样腐蚀反应就进一步呈丝状沿头部向前扩展，在尾部形成类似点蚀的假勃姆石腐蚀产物。当腐蚀产物聚集到一定程度时，就会将涂层向上拱起，使漆膜呈现破裂、鼓泡等缺陷。

1.4 晶间腐蚀

铝合金晶间腐蚀一般出现在5系铝合金中。由于晶间腐蚀的微观特性，往往成为最具破坏性的腐蚀失效形式。由于时效过程中铝合金晶间出现含 Cu较少的无沉淀带（PFZ），电位较负为阳极，而在晶界析出 Al2Cu或Al2CuMg相等富Cu相，电位较正形成阴极，而晶粒内部也处于贫Cu区形成阳极，这样就会形成一个阳极、两个阴极的多电极腐蚀电池，导致铝合金晶界偏析处加速腐蚀并会向内部扩展，引发材料力学性能显著下降。另外，冷加工程度较大也会导致5系铝合金中的Al8Mg5相在晶界处偏析，由于该相对于铝合金本体而言为阳极相，就会形成晶界处为阳极、晶粒内为阴极的腐蚀电池，导致铝合金形成晶间腐蚀。当晶界析出相为连续链状分布时，晶间腐蚀敏感性较高；而当其为断续分布时，则不易产生晶间腐蚀。

1.5 应力腐蚀

铝合金应力腐蚀一般出现于2系和7系成分复杂和合金化程度高的中高强度铝合金中，在5系和6系等Mg含量低于5%的合金中尚未发现有应力腐蚀开裂倾向。

2 铝合金舰艇的主要腐蚀特点及原因分析

结合铝合金的腐蚀特点，可以发现，在海水和海洋大气环境中铝合金材料比传统的船体钢更活泼，因而更易遭受腐蚀，以铝合金作为结构材料的舰艇腐蚀防护工作应引起各级部门的高度重视。

以某型铝合金舰艇为例，通过监造和回访部队，以及对铝合金舰艇进行的专项调研中，可以发现腐蚀主要体现在几个方面：

1）艉板法兰内防腐锌块腐蚀速度较快，属于正常范畴，但空泡腐蚀较为严重，只能由总体设计所利用坞修的时机对艉板法兰进行更换；

2）船体腐蚀方面，在南海和北海均不显著，突出表现在东海方面，在某修理厂坞修过的几艘艇外板上均不同程度的有较多的点腐蚀存在，都是在外板油漆打磨完后发现的，部分点腐蚀深约2mm～4mm，连接桥底部因海浪冲击，油漆脱落严重，艇尾部分腐蚀明显；

3）片体空舱尤其是5、6号空舱铝板腐蚀严重，部分艇空舱内水舱和燃油舱的舱壁板上存在腐蚀穿孔现象，由于空舱内冷凝水较多，防火隔热材料腐蚀发霉的现象比较普遍，但部分艇空舱内腐蚀已导致防火隔热材料的失效；

4）冷媒水管系接头处渗漏是比较普遍的现象，2号机舱、1号及2号住舱冷媒水管系接头渗漏尤为严重。

图2～6为某型艇专项调研时现场所发现的腐蚀现象。

图2 空舱铝合金板点蚀宏观形貌

图3 艏尖舱滴落铁锈导致底部铝板存在严重穿孔隐患

图4 舷侧排水口附近涂层丝状腐蚀

图5 艇艏吸波涂层推测由于丝状腐蚀导致鼓包

图6 艇艏信号杆机加工表面铝合金剥离腐蚀

目前全铝合金舰艇基本上都属于快速艇，艇体水下部分由于高流速和我国近海海面杂物较多，一般的防腐、防污涂料难以有效保护艇体。南海海域由于温度较高，海生物较多，舰艇常在海水、淡水中转换停泊，加上水流速度快，对艇体冲刷大，因此船体外板的腐蚀并不明显，而东海海域由于海水含有大量营养质，水流缓慢，船体外板涂料的防腐保护作用被减弱。按照使用要求，部分舰艇一年中因防台而上排的时间长约4到5个月，这就导致船体外板涂料长期暴露在空气中，对艇体的防护不够，这也是东海海域的舰艇外板腐蚀较北海、南海严重的主要原因。海底门隔栅附近由于海水流速快，外板油漆涂料普遍存在大块脱落现象。涂装的有效防护问题应是下一步的重点研究方向。

铝合金舰艇通常采用高速推进，推进设备通常采用其他金属材料，在其艇尾附近腐蚀难以用牺牲阳极给以完整保护，而一般的防腐涂料又难以经受高流速的水流冲击，造成防腐锌块腐蚀速度较快，但空泡腐蚀依然严重。

对于裸露在空气中的铝合金结构，目前舰艇上仅仅靠自然氧化层进行防护。南海海域湿度大，舱室中有大量的冷凝水存在，加上部分部队对空舱的维护保养不够重视，导致空舱中有较多的积水，导致点腐蚀数量较多，空舱与水舱、燃油舱的隔壁板上甚至出现腐蚀穿孔，同时防火隔热材料腐蚀发霉的现象也比较普遍。但在对腐蚀防护比较重视的舰艇上，对空舱的基本保持了每周一次的打扫清洁，空舱内比较干净，点腐蚀很少，也比较轻微，防火隔热材料只有个别地方出现霉点。

冷媒水管系接头处渗漏是另一个应引起高度重视的问题。从调研和反馈的情况来看，无论是空舱还是机舱和住舱，所有铝合金舰艇上都普遍存在冷媒水管系接头的渗漏，很多接头处因腐蚀导致了锈蚀，部分有穿孔。由于重量的关系，铝质舰艇的大部分管路材料为铝合金，但铝管用于非海水介质时情况尚可，用于海水系统效果不好，不耐腐蚀，经常出现点蚀穿孔。由于铝合金材料较一般船用金属材料活泼，因此在铝合金舰艇的管系附件上使用异种金属材料，极易造成金属电位差而导致腐蚀加快。

3 铝合金舰艇的腐蚀治理对策

相对钢质材料，铝合金材料在国际和国内都存在发展历史短、研究基础薄弱的现状，铝合金船的设计建造和使用也一直处在不断探索和完善的过程中，铝合金腐蚀防护技术难度高，维护保养代价高。国内在铝合金腐蚀防护技术上起步较西方发达国家更晚，对目前舰艇上使用较多的5083、6061等铝合金腐蚀资料积累很少，包括一些铝合金舰艇的总体设计单位，对铝合金舰艇的防腐设计也是处在边做边摸索的过程中，这加大了对铝合金进行腐蚀防护的难度。

1）在现有条件下，首先要把日常的维护保养做到位。海洋环境中空气湿度大，舱室中容易出现冷凝水，若能保持定期打扫清洁的制度，冷凝水在舱室内不易聚集，腐蚀很少，也比较轻微，内装材料上也较少出现出现腐蚀发霉现象。

2）就现有的铝合金防腐蚀技术和手段来看，要有效应对铝合金舰艇的腐蚀，主要可采取以下几种措施：合金及其状态选择、设计、阴极保护、有机涂层、表面处理、缓蚀剂、改善环境等。

改进生产加工工艺，提高铝合金材料的耐腐蚀性能。由于我国铝合金板的轧制及热处理工艺技术水平与美国、日本差距较大，轧制设备为上世纪50～60年代水平，并且仅有东北轻合金、西南铝业、西北铝业能生产Mg＞3%的铝合金板材，导致国产铝合金与进口铝合金板材的耐蚀性差距较大。这要求在选用舰艇铝合金时，除考虑强度、成形性能、焊接性能外，还必须考虑防腐蚀性能。5系铝合金抗腐蚀性最好，应作为优先选用。

在设计铝合金舰体结构时如考虑不周，会造成严重的腐蚀，必须认真考虑，精心设计，正确地选择材料与状态，正确地确定与铝合金结构相接触的其它金属材料与非金属材料，正确地选定过渡接头材料，从源头上减少腐蚀发生的概率。避免与异种金属接触，避免铝件与吸水率＞20%的木材接触，如果设计需要，则应采取严密的防腐蚀措施，据有关部门统计，我国在铝制舰艇中，修理更换的外板属于结构不合理造成腐蚀的占25%，与异种金属接触造成的腐蚀占 15%，与木材接触引起腐蚀为 15%，属于电化学腐蚀的占45%。显然。精心设计、慎重选材，可大幅度减少腐蚀；避免缝隙，对不可避免的缝隙加以严密的密封，防止溶液与潮气进入；采用连续焊，尽量不采用点焊与铆接；采用易排水、清洗方便的结构；裸铝表面不与易吸水、吸潮的材料接触，不可避免时，采取防潮措施；管路系统尽量避免急转弯；避免热传导到热点；避免流体直接撞击；避免过大的应力集中；设备应安装在腐蚀性最小的地方；如果设备要涂油漆，应消除尖锐的边棱。

阴极保护。在阴极保护中，是使用直流电通过介质流向待保护的金属表面，使受保护的表面成为阴极。电流可来自牺牲阳极，例如保护海水中的舰船壳体不受腐蚀可用锌或镁作牺牲阳极，也可用某些铝合金作牺牲阳极；电流也可由外加电源提供，例如利用石墨惰性阳极向介质通入电流。局部阳极腐蚀电流减至零时，可获得最佳保护效果。外加电流大小决定于保护系统的极化作用与电阻。用锌作牺牲阳极相当安全，用镁作牺牲阳极时，应精心设计。较高的安全极化电压为-1.20V(Cu/CuSO4)。

有机涂层。铝合金结构与铝材零件上通常以有机涂层进行防腐。在使用有机涂层时，一要注意被涂表面，二要选好涂料，才能取得预期的效果。大部分有机涂料之所以有防腐作用，是在铝表面与介质之间形成了一层物理性阻挡层。有些涂料还含有铬酸盐之类的缓蚀剂。为了延长涂层的防腐性能，应定期维护。合理的涂装表面、良好的防腐涂料配套体系是提高船体耐腐蚀性的重要保证。

表面处理。对铝合金材料进行表面处理，增厚表面氧化膜，可获得很好的保护效果，也就是我们通常所说的“钝化”。不受磨擦作用的铝合金结构可进行化学表面处理，表面氧化膜厚度约达20nm。通过阳极氧化处理不但可获得相当厚的(5μm～25μm，为自然氧化膜的 1000倍～3000倍)、硬的多孔的氧化膜，而且还能着上颜色。阳极氧化膜在沸水封孔或低温封孔后，可进一步提高抗蚀性。阳极氧化膜的性质与自然氧化膜的相同，既不耐强酸，又不耐强碱。

缓蚀剂。这种手段在充分论证研究的情况下可应用于舰艇上的管路系统。降低阳极腐蚀反应的缓蚀剂如铬酸盐称为阳极缓蚀剂。减小阴极腐蚀反应的如多磷酸盐称为阴极缓蚀剂。阳极缓蚀剂的量不够时会增大点蚀，从这个角度来看，阴极缓蚀剂比较安全。有时也用阴、阳极缓蚀剂相混的混合缓蚀剂。如果密闭系统中有铜质零件，可添加硫醇苯噻唑钠防止铜腐蚀，从而防止铝的沉积腐蚀。向弱碱性溶液添加硅酸钠能抑制铝的腐蚀。常用的铝材缓蚀剂有：乙胺、丁胺、戊胺、异丙胺、异丁胺、异戊胺、二乙爱、二丁胺、二环己胺等。

改善环境。改变腐蚀介质改变介质的腐蚀性也是可能的，如在舰艇管路等密封的空间内，使温度高于露点；将溶液中的pH调到4.0～9.0等。如果管路中有Cu存在，pH至少应达到8.0，才能防止Cu溶解，从而预防铝的沉积腐蚀。排除水中的气体能大大降低铝的点腐蚀速度，向酚与甲醇添加约0.1%水可防止它的高温强烈腐蚀作用。

4 结论

随着舰艇上铝合金材料的应用逐渐增多，舰艇用铝合金的防腐蚀问题应引起高度重视，必须建立健全舰船用铝合金防腐体系，立足于现有条件，从材料的选择、设计、保护和修补等方面，采取综合治理。同时还要不断积累资料，探索和研究更有效实用的防腐手段，使舰艇铝合金防腐问题得到有效的解决。

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[3]曹楚南.腐蚀电化学原理[M].北京: 化学工业出版社, 1985.

[4]谭永文, 谭斌, 王琪.金属腐蚀研究方法[M].北京:冶金工业出版社, 1993.

广东民华游艇制造有限公司26.8米休闲观光艇“海之星328”号成功试航

2014年7月，由广东民华游艇制造有限公司自主设计、建造的26.8米休闲观光艇“海之星328”号成功试航，即日将交付船东使用。

“海之星328”号总长26.8m，型宽5.6m，吃水0.8m，载客50人，材质为玻璃钢，主要用作旅游观光、休闲度假，也可用作海上客运等。其流线型的外观，显得动感十足，张扬而不失优雅。

“海之星328”号主甲板客舱配有真皮沙发50座和高档木质茶几，使用高级柚木面板和软包装修，地板则采用优质实木地板。船首为多功能娱乐室，配有投影设备，卡拉OK点歌系统，进口音响、灯光一套，用于唱歌、派对、宴会等，客舱尾部设有一卫生间。二层甲板客厅空间开阔，设有两套沙发及灯光、音响、点歌系统一套，既可用于 商务接待，又可满足宾客们的休闲娱乐需求。飞桥层拥有大面积的空间，为宾客们在遮阳篷下登高望远，尽享美景提供了充分的条件。

作为一艘游览观光船，每一位乘客都想坐在一艘震动少及噪音小的游艇上观光、娱乐，为此本船舱室侧壁及机舱壁敷设有防火隔音隔热棉。确保了航行的舒适和愉悦。

这艘26.8m的休闲观光艇，凝聚了广东民华游艇制造有限公司技术人员最优的设计方案和生产部门的精心施工，使本船一次试航成功，性能优于设计要求，本船建造过程中，船厂遵循船东意见，不断完善船舶的功能和服务，赢得船东一致赞赏。

（广东民华游艇制造有限公司黄日锋）

Corrosion Characteristics of Aluminum Vessels and Countermeasures

ZONG Feng
(Navy Representative Office at Shanghai Jiangnan Shipyard(Group) Co.,Ltd, Shanghai 201913, China)

This article lists the typical types of aluminum alloy corrosion and analyzes the main characteristics and causes of corrosion on aluminum vessels that currently exist.This paper draws up the maintenance system.In addition, prevention and control measures from the technical means are also proposed.

aluminum; corrosion; maintenance

TG

A

宗峰（1975-），男，工程师。研究方向：舰船监造。