深海是我國軍事、經濟的戰略要地，我國已明確提出“走向深海大洋”的戰略目標。不管是深海資源開發還是深潛器，都涉及到深海腐蝕的問題。深海是一個高靜水壓力、低溫、低溶解氧的環境，與表層海水有著很大的不同。

    目前，深海腐蝕的相關數據在國內及其匱乏，深海環境下材料的腐蝕行為有何變化，現有的防護技術是否能夠繼續使用，這些問題都亟待回答。

    為追趕加速深海材料國產化，填補我國關鍵深海材料研發的空白，東北大學張濤教授在“深海腐蝕與防護技術”方面開展研究，研制的多型深海腐蝕模擬設備，較精確地模擬包括壓力、溫度、氧含量等主要深海特征環境因素，實現2400 米深海環境下的模擬；研制了適用于深海環境的高壓固態參比電極；摸索了一系列適用于深海腐蝕研究的試樣制備技術和實驗測試技術；他較為系統地研究了鈍性材料、活性溶解材料、犧牲陽極材料的深海環境下的腐蝕行為。

    張濤教授的科研工作不僅為海洋材料發展提供了新技術、新工藝、新設備，提升了海洋材料研發提供最夯實的防腐蝕技術和數據，更為我國海洋材料的開發進行了積極有益的探索，他對于材料深海腐蝕的相關工作先后發表了 8篇 SCI 論文，意大利國家科學委員會海洋科學研究所的 E.Canepa 教授在其發表在 Ocean Engineering Journal 上的評論性綜述中，將這些工作作為近期重要的研究進展加以介紹。

    2016 年 10 月，我們有幸采訪到來北京出差的東北大學張濤教授，通過他的系列精彩解讀，讓我們一起走進深海環境下材料的腐蝕行為和防護研發的前沿。

張濤教授

    深海蘊藏著豐富的油氣資源、礦產資源和生物資源。深海開發已經被很多國家列入國家發展計劃。作為一名多年從事深海環境下金屬腐蝕與防護研究人員，請您談下深海環境下腐蝕防護技術的研究對于深海開發有什么樣的重要意義？

    張教授：深海是我國經濟與軍事的戰略要地“走向深海大洋”是未來我國重要戰略目標之一。我國已探明的海底油氣儲量占全國總儲量的 1/4，深海的開發和利用在國民經濟中占有重要的地位。南海、“釣魚島”爭端，我國領海面臨嚴峻的挑戰，打造深藍海軍是我國重要的國策。深海環境下金屬材料腐蝕與防護技術發展提出更高的需求。

    目前，深海存在主要問題之一是金屬材料腐蝕加劇，犧牲陽極服役壽命短、效率低，因此金屬材料的深海腐蝕加速。特別在深度達到 350 米左右，犧牲陽極放電性能開始惡化，到 600 米水深時，犧牲陽極放電性能惡化非常嚴重，放電量相當于表面海水的 12%，電流效率降至 25%。

    無論是深海高靜壓下， 還是深海壓力交變，都會引發材料加速失效。所以開發深海資源，首先要研究海洋復雜耦合環境下現役的防腐涂料和防腐技術。

    您從事多年深海環境中金屬腐蝕與防護研究，介紹一下對您印象深刻的科研經歷并談下您的感想。

    張教授：2005 年，我從中科院金屬所畢業后來到哈爾濱工程大學工作，進入了深海腐蝕科研的領域。從 2006 到2016 年在過去 10 年科研工作中，我的工作可以劃分為兩個方面，一方面是對深海腐蝕行為的研究，另一方面對適用于深海環境的新型犧牲陽極進行了技術探索。

深海模擬裝置

    深海腐蝕行為的研究。早在 2006年年初，王福會老師邀請李曉剛老師到哈爾濱工程大學講學，其間兩位老師提出：深海腐蝕的相關數據在國內尚屬空白，在深海環境下材料腐蝕行為發生變化的情況下，現有的防護技術能否繼續使用，這些問題亟待解決。

    在王老師和李老師的啟發下，我和孟國哲、邵亞薇三人討論出來一個方案，并動手制作了第一個深海模擬裝置，進行最基本的監壓、控氧、進行簡單的電化學測試。這是一個比較簡陋的模擬裝置，在實驗中遇到了一些“有意思”的事。當我們進行降溫的操作時，設備運行良好，但一開動降溫操作電化學信號測試就出現異常，我們百思不得其解。

    孟國哲老師提出，是不是有弱電干擾？接著在咨詢過相關專業的老師后才明白制冷操作本身就有強烈信號，而我們測的卻是弱電信號，所以測得的數據很不理想，后來孟國哲老師提出加一個隔離變壓器——1 : 1變壓器解決了這個問題。

    這是我們最早對進行的實驗室內深海腐蝕模擬實驗。在此之后，國內一些科研單位陸續搭建了相應的深海腐蝕模擬設備。王福會老師、李瑛老師帶領馬元泰和劉莉，在金屬所研制了一個能夠保壓換水、精確控制深海環境因素，實現在線電化學測試功能、有計算機自動控制的深海腐蝕設備。當時在我眼里看來，那個設備是當時國內最先進的深海腐蝕模擬設備了。

    有了這一深海裝備后，我們開始著手對鎳的點蝕行為、鈍化膜的特征、點蝕產生的機制進行了腐蝕研究。結果發現，在靜水壓力下，純鎳的腐蝕坑和點蝕坑從半球型發展成了彈頭型，危害明顯加大，點蝕產生的速度和頻率明顯加快。 接著我們又對Fe-20Cr、 316L不銹鋼、2205 雙相鋼進行了研究，其結論大致相似：在深海環境中，鈍性金屬表面的鈍化膜成長速度變慢、模內缺陷增加，導致鈍性金屬的耐蝕性能變差。與此同時，我們發現不同幾何形狀蝕坑的靜水壓力分布存在顯著的差異，應力分布差異與電化學過程的交互作用是影響材料腐蝕機制的主要因素。當蝕坑呈淺碟型時，靜水壓力集中在蝕坑的邊緣，沿金屬表面二維方向的腐蝕生長速度加快，最終發展為均勻腐蝕；當蝕坑呈半球型時，靜水壓力集中在蝕坑底部，垂直于金屬表面腐蝕生長速度加快，最終發展為深孔型的點蝕。針對這些研究，我們提出了深海腐蝕是“正彈性應力作用下的電化學腐蝕過程”的觀點發表于《CorrosionScience》中，2014 年，意大利國家科學委員會海洋科學研究所的 E.Canepa 教授在其發表于 Ocean Engineering Journal上的評論性綜述中，引用了我們發表的4 篇論文作為近期的重要研究進展，大篇幅的加以評論和介紹。2015 年，俄羅斯圣彼得堡大學的 G.Pronina 博士在Corrosion Science 上就我們所提出的深海腐蝕機制發表評論。這說明我們在深海腐蝕領域的研究工作已經獲得了一部分國際同行的關注。

    適用于深海環境的新型犧牲陽極

    在系統地對鈍性結構材料核活性結構的金屬進行研究之后，我們知道深海腐蝕研究的重點在于防護技術，我們把研究的焦點轉移到深海腐蝕的防護技術上。

    陰極保護與重防腐涂料是海洋工程中主要的防腐蝕技術。由于設計簡單、管理維護方便，在海洋防腐工程中大多采用犧牲陽極陰極保護系統。國內外的相關深海環境下犧牲陽極的放電性能發生惡化，以 Al-Zn-In 犧牲陽極為例，在深海環境下其放電量僅為淺海環境下的 12%，電流效率僅為 25%，無法適應深海環境下防腐蝕工程的需要。我們研究發現低溫所導致的銦元素溶解 - 沉積反應速度的降低，低溶解氧導致的破鈍化形核密度的下降，是 Al-Zn-In 系犧牲陽極材料在深海環境下放電性能嚴重惡化的主要原因。此外，犧牲陽極其柱狀晶區和等軸晶區在深海環境下電化學行為差異巨大，柱狀晶區電化學性能惡化更為嚴重。研制新型犧牲陽極的核心問題在于“破鈍化與抑制自腐蝕”。

    微合金化一種傳統的方法，通過向 Al中添加多種微量合金元素形成金屬間化合物促進鈍化膜破裂，實現犧牲陽極放電性能的提高。目前通過微合金化法已經發展出五元、甚至六元鋁基犧牲陽極。但是微合金化存在兩個負面作用。

    首先，金屬間化合物會與基體形成腐蝕微電池，從而促進犧牲陽極的自腐蝕，導致電流效率下降；其次，多元合金成分導致冶煉困難，合金成分難以準確控制。此外，針對微合金化方法存在的弊端，我們采用熱加工的手段研制新型深海犧牲陽極。我們通過擠壓變形細化晶粒、增加位錯密度、消除等軸晶與柱狀晶區的差異，有效地提高了深海環境下犧牲陽極的電化學性能，初步研制成功了適用于深海環境的新型犧牲陽極。

    鑒于我們在深海犧牲陽極方面的研究工作，2012 年被 Emerald Publishing Limited授予為該期刊年度最佳論文獎（2012Outstanding Paper Award），這一獎項每年僅授予一人。

    您認為未來推進深海環境中金屬腐蝕與防護的研究還需要做哪些方面的努力？

    張教授：深海設備：目前國內很多單位出了很多深海設備，這些設備都能夠實現控制壓力和氧濃度，實現在線的電化學測試，甚至還能實現壓力條件下換水和壓力條件下的慢拉伸功能。盡管如此，還有一個因素未能實現，就是海底流速的真實模擬。未來深海腐蝕研究的一個重要內容就是進一步完善深海模擬設備，實現動態、靜態、壓力、氧含量等深海環境因素的精確模擬。

    深海應力腐蝕：我們之前進行的研究是材料級別的研究。我們把材料放置到深海模擬設備中，試樣處于等靜壓狀態，但實際上在深海環境中，在結構級的條件下，材料自身和靜水壓力都會產生結構應力，會產生嚴重的應力腐蝕問題。比如說 1 千米水下的深海空間站，在靜水壓力下，它受力的結構點只有固定的幾個點，那幾個點的應力強度非常大，所以深海應力腐蝕是應該大力發展的研究方向。從另外一個角度講，深海腐蝕的陰極反應以析氫過程為主，H 離子還原變成吸附性 H 原子，氫原子再變成氫氣。深海條件下是壓力增大的過程，壓力上升后氣體不容易溢出，逆反應速度就會增大，吸附性 H 原子不容易結合生成氫氣，這時候吸附性 H 原子就會擴散到金屬內部產生氫脆，也是一個非常應該重視研究的方向。

    溫躍層對深海腐蝕的影響：溫躍層是位于海面以下 100、400 米左右的、溫度、氧含量發生劇烈變化一層海水，是上層的薄暖水層與下層的厚冷水層間出現水溫急劇下降的水層。在溫躍層里水溫是呈現出驟降狀態，氧的變化跟溫度是一樣的。深海工程中采油立管穿過溫躍層時，立管外部的溫度、氧含量劇烈變化，其電位也會隨之改變，這就有可能產生類似于陸地上長輸管道的“宏電池”腐蝕現象。在溫躍層里最嚴重的是結垢問題，比如說從海里打撈出一個鐵器，上面會有一層厚厚的碳酸鹽結垢。

    在不同的溫躍層，碳酸鈣的結晶差異很大，導致金屬表面腐蝕速度的差異更大。

    所以說溫躍層對深海腐蝕的影響是一個值得關注的問題，解決這一問題所衍生出的技術就是陰極保護。在海水表面，結了很厚的一層碳酸鈣，金屬表面被覆蓋住了，初期的時候金屬需要加一個很大的陰極保護電流，過了一段時間后形成結殼后電流就明顯減少。而在溫躍層中，由于碳酸鹽結垢不致密，金屬所需的陰極保護電流明顯增大。此外，在溫躍層中犧牲陽極也會出現結垢現象，這對深海陰極保護的影響也是未來亟待需要解決的地方之一。

    深海環境下防腐蝕技術的研究：目前，海洋復雜耦合環境下現役防腐涂料——淺海環境防腐涂料性能差、壽命短，急需深海復雜耦合環境下高性能、長壽命防腐涂料。眾所周知，在深海環境下，壓力是引發有機防腐涂層失效的關鍵環境因素，很容易引發涂層加速失效，因此需要在深海環境下研制出新型化學鍵合防腐涂料和新型犧牲陽極的技術。

    深海防腐蝕技術的研究離不開深海實驗：大力發展深海里的實海掛片實驗非常有必要的，現在中船的 725 所和北京科技大學都在做這件事，這些深海里的實海試驗結合實驗室里的實驗，才可能把深海腐蝕的行為研究透徹。

    后記：

    “走向深海大洋”是國家發展的戰略目標。不管是深海資源開發還是大潛深潛艇， 都涉及到深海腐蝕的問題。 面對深海是一個高靜水壓力、低溫、低溶解氧的環境，張濤教授不僅研制了相關設備，解決了實驗室模式深海環境下的腐蝕測量問題，同時他系統地研究了代表性材料的深海腐蝕行為；初步研制了適用于深海環境的犧牲陽極材料。這些工作為深海工程材料的選材和防腐蝕處理提供了理論指導，也為實現“走向深海大洋”的目標奉獻了一份綿薄之力！

    人物簡介

    張濤，1977年9月生，博士，東北大學教授、博士生導師。中組部萬人計劃—青年拔尖人才、中科院百人計劃、教育部新世紀優秀人才入選者。2005年于中國科學院金屬研究所獲得博士學位，同年赴哈爾濱工程大學任教，2012年赴中國科學院金屬研究所任百人計劃研究員，2016年赴東北大學工作。兼職國際期刊《NPJ-Material Degradation》、《Adv. Mater. Sci. Eng.》、《Int. J. Metal》編委、核心期刊《腐蝕科學與防護技術》編委，中國腐蝕與防護學會理事、全國腐蝕電化學與測試方法專業委員會委員。主要從事材料的深海腐蝕、鎂合金腐蝕與防護、電化學噪聲技術等方面的研究工作。成果獲中國腐蝕與防護學會杰出青年學術獎—左景伊獎、國防技術發明二等獎、黑龍江省自然科學二等獎各一次、Emerald Publishinglimited出版社授予的Outstanding Paper Award（年度最佳論文獎）一次；授權國家發明專利6項；發表SCI檢索論文50余篇。先后承擔國防973子專題、國家自然科學聯合基金重點項目、面上項目、青年基金、國防技術基礎、海裝預研、華為公司項目等科研項目二十余項。