哈爾濱工程大學(xué)坐落于美麗的松花江畔——北國(guó)冰城哈爾濱市。學(xué)校前身是創(chuàng)建于 1953 年的中國(guó)人民解放軍軍事工程學(xué)院（“哈軍工”）。學(xué)校現(xiàn)隸屬于國(guó)家工業(yè)和信息化部，是我國(guó)“三海一核”（船舶工業(yè)、海軍裝備、海洋開(kāi)發(fā)、核能應(yīng)用）領(lǐng)域重要的人才培養(yǎng)和科學(xué)研究基地。腐蝕與防護(hù)實(shí)驗(yàn)室所屬的材料科學(xué)與化學(xué)工程學(xué)院源于 1970年成立的“潛艇與魚雷動(dòng)力能源研究室”（對(duì)外稱新能源研究室）和 1978 年成立的金屬材料熱處理研究室。學(xué)院現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)室面積約 8186㎡ ，擁有設(shè)備資產(chǎn)約9000 余萬(wàn)元，其中大型儀器設(shè)備包括：

    透射電子顯微鏡、掃描電子顯微鏡、X-射線衍射儀、500MHz 超導(dǎo)核磁共振波譜儀等。

    腐蝕與防護(hù)實(shí)驗(yàn)室成立于 2005 年 7月，在隨后成長(zhǎng)的歲月里一直受到中國(guó)腐蝕與防護(hù)學(xué)會(huì)王福會(huì)理事長(zhǎng)和李曉剛秘書長(zhǎng)的關(guān)心。至今，實(shí)驗(yàn)室已走過(guò)了十個(gè)年頭，形成了一定的研究方向和特色，成為船海領(lǐng)域培養(yǎng)腐蝕與防護(hù)人才的一個(gè)重要基地。下面對(duì)實(shí)驗(yàn)室的研究方向和成果進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹：

    （1）金屬表面工程技術(shù)處理對(duì)材料腐蝕行為的影響：近年來(lái)國(guó)際材料界對(duì)納米材料的研究表明，大多數(shù)納米金屬或合金均具有優(yōu)于相應(yīng)的常規(guī)材料的耐腐蝕性能；對(duì)孿晶材料的研究也表明，材料中高共格孿晶的存在大大提高了材料的耐局部腐蝕性能，該研究方向設(shè)想制備出同時(shí)具備兩種結(jié)構(gòu)的高耐蝕性的納米孿晶材料。已通過(guò)優(yōu)化工藝參數(shù)利用磁控濺射技術(shù)制備具出納米孿晶結(jié)構(gòu)的鋁涂層孿晶結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度大約 100nm，孿晶片層之間距離為 30 － 50 nm；利用電沉積技術(shù)制備出了孿晶片層厚度為18nm 的鎳。通過(guò)動(dòng)電位極化曲線、交流阻抗、電化學(xué)噪聲等電化學(xué)測(cè)試技術(shù)對(duì)其腐蝕行為進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)納米孿晶化顯著提高了純鋁、鎳的耐腐蝕性能。

    鎂合金防護(hù)涂層的防腐蝕效果至今依舊差強(qiáng)人意。其中一個(gè)重要的原因是當(dāng)前的研究大多處于“就事論事”的階段，缺乏對(duì)共性問(wèn)題的討論，工藝設(shè)計(jì)理論研究嚴(yán)重滯后。在眾多的化學(xué)轉(zhuǎn)化膜中，磷酸鹽轉(zhuǎn)化膜耐蝕性能最好且成本低廉，是一種代表性的化學(xué)轉(zhuǎn)化膜。

    其工藝設(shè)計(jì)思想可以概括為：1）設(shè)計(jì)H 3 PO 4 -H 2 PO 4 --HPO 4 2- 的復(fù)雜緩沖溶液，并在其中添加Zn 2+ 、 Ca 2+ 、 Mn 2+ 等離子 ； 2）鎂與 H + 離子反應(yīng)造成合金表面的 pH 值升高，Mg 2+ 、Zn 2+ 等離子與 PO 4 3- 離子發(fā)生共沉積， 形成復(fù)雜的磷酸鹽沉積物；3）隨后這些離子發(fā)生電離補(bǔ)充減少的H + 、PO 4 3- ，然后周而復(fù)始最終獲得理想的磷酸鹽轉(zhuǎn)化膜。基于這一理念，我們提出了用“總酸度 /pH 值”的概念代替pH 值來(lái)進(jìn)行磷酸鹽轉(zhuǎn)化膜工藝設(shè)計(jì)的思想，制備出的磷酸鹽轉(zhuǎn)化膜的耐蝕性能最大可以提高 4 倍，鹽霧實(shí)驗(yàn) 200 小時(shí)鹽霧試驗(yàn)腐蝕面積 <1%。

    在通訊及 3C 電子工業(yè)中，迫切需要鎂合金表面轉(zhuǎn)化膜兼具較高的耐蝕性和良好的導(dǎo)電性，而這是一對(duì)相互矛盾的性能指標(biāo)。通過(guò)系統(tǒng)地研究，我們突破了這一難題，提出了全新的工藝設(shè)計(jì)思想：利用酸性環(huán)境促進(jìn) AZ91 鎂合金的微電偶腐蝕速度， 使得α相優(yōu)先溶解，β 相突出形成足夠數(shù)量導(dǎo)電斑點(diǎn)，從而降低了收縮電阻（圖 2b,c）；然后利用高氧化性介質(zhì)導(dǎo)致 β 相表面鈍化，形成薄且致密的鈍化膜，從而降低了膜電阻，較低的收縮電阻和膜電阻保證了轉(zhuǎn)化膜良好的導(dǎo)電性；再通過(guò)調(diào)整總酸度/pH 值，使得 α 相上能形成具有一定厚度且致密、均勻的磷化膜。這樣不僅有效地提了高轉(zhuǎn)化膜的電荷轉(zhuǎn)移電阻，使其具有較高的耐蝕性（圖 2 d），還保證了轉(zhuǎn)化膜的導(dǎo)電性。根據(jù)這一理念所制備的轉(zhuǎn)化膜膜厚 300nm 左右，膜層接觸電阻 <10 mΩ，鹽霧壽命達(dá)到 48小時(shí)，完全滿足某企業(yè)通訊器材用鎂合金的技術(shù)要求，并開(kāi)展了初步規(guī)模的中試生產(chǎn)，取得了非常好的效果。

    同時(shí)還開(kāi)展了鎂合金、鋁合金等閥金屬的表面微弧氧化的基礎(chǔ)應(yīng)用研究，圖 3 是部分已應(yīng)用的表面微弧氧化的船舶零部件。

    相關(guān)研究結(jié)果已在知名專業(yè) SCI 專業(yè) 期 刊 Journal of The ElectrochemicalSociety，Electrochimica Acta，CorrosionScience，Scripta Materialia 上連續(xù)發(fā)表，相關(guān)技術(shù)已獲得授權(quán)發(fā)明專利 3 項(xiàng)。

    （2）海洋環(huán)境對(duì)常用海洋結(jié)構(gòu)鋼腐蝕行為的影響：隨著我國(guó)海洋戰(zhàn)略的實(shí)施，材料在海洋環(huán)境下的腐蝕問(wèn)題日益突出。該研究方向主要針對(duì)船舶、深潛器材料及海洋工程材料等在海洋大氣和深海條件下的腐蝕與防護(hù)展開(kāi)較為深入的研究。該研究方向能夠和哈爾濱工程大學(xué)的“三海一核”優(yōu)勢(shì)學(xué)科進(jìn)行交叉，為“三海一核”工程技術(shù)的應(yīng)用提供材料方面的理論支持。與淺海環(huán)境相比，深海環(huán)境存在巨大靜水壓力，此外，溶解氧、溫度、pH 值、鹽度等因素與表層海水環(huán)境因素也明顯不同，因而具有其獨(dú)特的環(huán)境特性。這種服役環(huán)境的變化往往使得淺海環(huán)境下性能優(yōu)良的材料在深海環(huán)境中發(fā)生耐蝕、力學(xué)等性能的顯著變化。在深海環(huán)境條件下，這種材料性能惡化導(dǎo)致的失效構(gòu)件很難進(jìn)行更換或維修，甚至直接引發(fā)嚴(yán)重的工程事故，所以深海環(huán)境下對(duì)材料結(jié)構(gòu)和功能可靠性的要求遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于陸地和淺海環(huán)境下。對(duì)海工材料在深海環(huán)境中的腐蝕行為及與之相關(guān)的力學(xué)性能退化現(xiàn)象進(jìn)行研究并發(fā)展相應(yīng)的防護(hù)技術(shù)成為人類進(jìn)行海洋資源開(kāi)發(fā)過(guò)程中必須解決的一個(gè)重要課題。目前，實(shí)驗(yàn)室較為系統(tǒng)地開(kāi)展了鈍性材料、活性溶解材料的深海環(huán)境下的腐蝕行為，發(fā)現(xiàn)深海環(huán)境中，鈍性金屬表面的鈍化膜成長(zhǎng)速度變慢、膜內(nèi)缺陷增加，導(dǎo)致鈍性金屬的耐蝕性能變差。同時(shí)發(fā)現(xiàn)不同幾何形狀蝕坑的靜水壓力分布存在顯著的差異，應(yīng)力分布差異與電化學(xué)過(guò)程的交互作用是影響材料腐蝕機(jī)制的主要因素，在此基礎(chǔ)上提出了深海腐蝕是“正彈性應(yīng)力作用下的電化學(xué)腐蝕過(guò)程”的觀點(diǎn)。該觀點(diǎn)受到意大利國(guó)家科學(xué)委員會(huì)海洋科學(xué)研究所的 E.Canepa 教授及俄羅斯圣彼得堡大學(xué)的 G.Pronina 教授等國(guó)際同行的關(guān)注。

圖1 高密度納米孿晶鍍層的透射電鏡照片及其耐蝕行為表征

圖2 （a）接觸電阻示意圖，（b）導(dǎo)電-耐蝕功能性轉(zhuǎn)化膜工藝設(shè)計(jì)理論示
   意圖，（c）激光共聚焦顯微鏡結(jié)果表明β相作為導(dǎo)電斑點(diǎn)突出鎂合金表面，
（d）不同處理時(shí)間對(duì)導(dǎo)電性與耐蝕性的影響，（e）導(dǎo)電-耐蝕功能性轉(zhuǎn)化膜
的TEM結(jié)果

    另外，運(yùn)用此方向上的鋼鐵腐蝕過(guò)程的滲氫研究成果，已成功為某企業(yè)解決了大型采煤支架實(shí)心活柱鍍層氫鼓泡的問(wèn)題（圖 4）。目前，在該方向的研究結(jié)果已分別在 Corrosion Science，Materials and Corrosion,Electrochimica Acta上發(fā)表，獲得國(guó)家授權(quán)發(fā)明專利 5 項(xiàng)。

圖3 微弧氧化技術(shù)處理的鋁合金船舶零部件

圖4 大型采煤支架實(shí)心活柱鍍層的氫鼓泡

    （3） 海洋工程結(jié)構(gòu)陰極保護(hù)和海水管路系統(tǒng)沖刷腐蝕仿真計(jì)算與優(yōu)化設(shè)計(jì)：針對(duì)海洋工程結(jié)構(gòu)腐蝕評(píng)估需求，基于多物理場(chǎng)耦合大型評(píng)估仿真平臺(tái)，開(kāi)展多因素耦合條件下海洋工程結(jié)構(gòu)腐蝕仿真評(píng)估模型和方法研究，建立水下部位和典型海水管路的腐蝕仿真模型。

    通過(guò)開(kāi)展腐蝕仿真和驗(yàn)證試驗(yàn)，對(duì)評(píng)估模型的精度進(jìn)行驗(yàn)證，對(duì)評(píng)估輸入條件和模型進(jìn)行完善和優(yōu)化。在此技術(shù)上，計(jì)算多因素耦合作用條件下水下海洋工程結(jié)構(gòu)和海水管路的綜合腐蝕速率，并對(duì)設(shè)計(jì)方案中采用的防腐措施的預(yù)期防護(hù)效果進(jìn)行評(píng)價(jià)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)防腐蝕設(shè)計(jì)方案的評(píng)估，并找出技術(shù)設(shè)計(jì)階段腐蝕防護(hù)方案存在的薄弱環(huán)節(jié)，提出改進(jìn)和優(yōu)化建議。將海洋工程及管路腐蝕破壞的隱患消滅在設(shè)計(jì)制造階段，從而為它們的延壽做出貢獻(xiàn)。

    （4）海洋重防腐自修復(fù)涂料的研發(fā)。與國(guó)外相比，我國(guó)在重防腐涂料方面的研究和應(yīng)用尚有很大差距。目前采用富鋅底漆 + 氯化橡膠中間漆 + 氯化橡膠面漆的配套體系，在大氣曝曬下只有 3 年的防護(hù)期效，在鹽霧、潮濕等環(huán)境中防護(hù)期效不超過(guò)2年， 在南海的 “三高”環(huán)境下，防護(hù)期更短，無(wú)法達(dá)到 10年的高標(biāo)準(zhǔn)防腐設(shè)計(jì)。因此，該方向針對(duì)這些問(wèn)題，已經(jīng)開(kāi)展了近 8 年的研究工作，相關(guān)工作已陸續(xù)在國(guó)際知名專業(yè)期刊 Corrosion Science, Corrosion 等上發(fā)表。

圖5 普通涂料掃描電化學(xué)顯微鏡測(cè)試結(jié)果

圖6 該實(shí)驗(yàn)室自制的一臺(tái)模擬海水管路沖刷腐蝕測(cè)試的實(shí)驗(yàn)裝
置，與電化學(xué)工作站連接可以原位監(jiān)測(cè)材料的腐蝕過(guò)程及防腐
涂層失效過(guò)程

    總之，哈爾濱工程大學(xué)腐蝕與防護(hù)實(shí)驗(yàn)室還比較年輕，已經(jīng)匯聚了一批有志于研究海洋材料腐蝕的青年學(xué)子，成為我國(guó)海洋工程腐蝕與防護(hù)人才培養(yǎng)的重要基地之一。但所取得的這些成果離不開(kāi)各位腐蝕前輩和同行的關(guān)懷和支持，在此表示衷心的感謝！歡迎各位同行光臨美麗的哈爾濱做客，繼續(xù)為我們的實(shí)驗(yàn)室的發(fā)展提出寶貴意見(jiàn)！

    作者簡(jiǎn)介

    孟國(guó)哲，博士，教授，博士生導(dǎo)師。中國(guó)腐蝕與防護(hù)學(xué)會(huì)常務(wù)理事，國(guó)際期刊Global Journal ofPhysical Chemistry、中國(guó)腐蝕與防護(hù)學(xué)報(bào)編委。從事海洋環(huán)境下材料的腐蝕與防護(hù)研究工作。作為項(xiàng)目負(fù)責(zé)人承擔(dān)科國(guó)家級(jí)研課題多項(xiàng)。目前在Corrosion Science、Electrochimica Acta、Scripta Materialia、Journal of The Electrochemical Society、中國(guó)科學(xué)、中國(guó)腐蝕與防護(hù)學(xué)報(bào)等國(guó)內(nèi)外知名刊物發(fā)表論文60余篇。目前感興趣的研究領(lǐng)域有：表面改性對(duì)金屬材料腐蝕行為的影響；深海環(huán)境對(duì)常用海洋結(jié)構(gòu)鋼腐蝕行為的影響；環(huán)境-力交互作用對(duì)材料腐蝕行為的影響。