隨著海洋國防、經濟及社會的發展，涉海腐蝕性環境服役裝備中運動部件不可避免的存在腐蝕 - 磨損耦合損傷，如磨蝕、沖蝕、氣蝕等動態腐蝕工況。因此，本文針對金屬材料在腐蝕介質中的磨損與腐蝕耦合作用行為及機理進行了深入分析，闡明動態腐蝕過程中材料的腐蝕、磨損及其交互作用，并在此基礎上簡介了幾種典型的耐磨與防腐一體化技術及其應用。

    一、腐蝕 - 磨損耦合損傷

    長期以來，腐蝕和摩擦問題不僅僅制約海洋、化工、生物工程、機械加工、交通運輸、航空航天等諸多工業領域的發展水平，還引發了帕爾珀·阿爾法石油鉆塔爆炸、青島中石化東黃輸油管道泄漏、德國高鐵 ICE 884 號出軌等重大災難。統計資料顯示，每年由于腐蝕造成的經濟損失約占國內生產總值的3.34%，人均約為 1550 元；而摩擦則消耗掉約 1/3 的一次能源，磨損致使大約 60% 的機器零部件失效，而且 50%以上的機械裝備惡性事故都起源于潤滑失效或過度磨損，按 GDP 的 5% 計算，2016 年我國因摩擦、磨損造成的經濟損失達 3.7 萬億。相對于腐蝕和磨損，腐蝕磨損指的是在腐蝕和摩擦的綜合作用下所產生的材料破壞現象，包括磨蝕、沖蝕、氣蝕等動態腐蝕工況。在動態腐蝕過程中，相互接觸面振動滑移、液體或氣體不僅直接磨耗材料，而且破壞材料表面的保護膜，使新鮮的材料表面不斷與腐蝕性流體接觸而加速了腐蝕作用，形成腐蝕與磨損的交互作用。因此，動態腐蝕工況材料的損失不僅僅是材料的腐蝕和磨損損傷的簡單疊加，而是因腐蝕和磨損的交互作用造成材料的損失顯著增加。因此，研究腐蝕介質中金屬材料的動態腐蝕失效行為及機制，闡明材料在動態腐蝕過程中腐蝕、磨損及其交互作用，并運用先進的耐磨與防腐一體化技術解決金屬材料的腐蝕磨損問題，這對于能源與資源節約的潛力巨大。

    二、金屬材料的腐蝕磨損行為與機理

    2013 年，黨的“十八大”首提“建設海洋強國”戰略，海洋成為關注的焦點，海洋的國家戰略地位空前提高。因此，如何對海洋強國的內涵再認識、再定位，堅持“以海興國”的民族史觀，使中國崛起于 21 世紀的海洋，是事關中華民族生存與發展、繁榮與進步、強盛與衰弱的重大戰略問題。實現由海洋大國向海洋強國的歷史跨越，是時代的召喚，也是中華民族走向繁榮昌盛的必由之路。

    發展海洋裝備，建設海洋工程是推進和實施國家海洋戰略的重要內容。鑒于海洋裝備和海洋工程長期處于海洋環境下工作，服役中無法回避的問題是海洋工程材料在海洋環境下的腐蝕損傷、磨蝕失效和生物污損。其中，磨蝕主要發生于腐蝕介質中運動部件，成為嚴重制約重大海洋工程技術和裝備發展的技術瓶頸之一，其失效問題更是嚴重影響海洋工程和裝備的可靠性和壽命，是國內外海洋工程領域亟待解決的關鍵問題。

    腐蝕磨損耦合損傷過程中，材料的損傷不僅僅受到海水腐蝕、壓力、溫度、介質性質等靜態環境因素外，摩擦運動、流體及氣體等對材料的腐蝕具有不可忽視的加速作用。而且，腐蝕的增大反過來又導致材料磨損的增大，形成了腐蝕介質特有的磨損與腐蝕交互作用現象，這也是現有海洋裝備運動部件所面臨的一個重大的科學和技術難題之一（圖1）。 因此，涉海環境服役金屬材料的腐蝕磨損問題引起了眾多研究人員的關注。

圖1 腐蝕磨損耦合損傷

    在薛群基院士、周廉院士等的引領下，中科院海洋新材料與應用技術重點實驗室緊密依托國家級科研平臺，聚焦國家重大需求，開展材料的腐蝕磨損耦合損傷行為及耐磨防腐一體化技術研究，承擔了包括973、國家重點研發計劃、國家自然基金、企業等科研項目，在此基礎上形成了一系列原創性成果，并在相關企業獲得了示范應用，取得了優異的成效。因此，本文將圍繞中科院海洋新材料重點實驗室海洋功能材料團隊在動態耐磨防腐技術領域的研究成果進行描述，以期推動相關學科發展與技術的轉化應用。

    海洋環境常用金屬材料首先應具有優異的耐腐蝕性能，因此不銹鋼、銅合金、鈦合金、鋁合金成為腐蝕性海洋環境服役裝備的首選。針對典型金屬材料的動態腐蝕行為與機理，團隊從 316 L不銹鋼、2205 雙相鋼入手考察了不銹鋼材料，從 Mone l400 合金分析了銅合金，從 2024 合金入手探討了鋁合金的腐蝕磨損行為，基于上述研究獲得了不同金屬材料的腐蝕磨損耦合損傷行為，闡明其主導失效機制，為金屬材料的耐磨防腐一體化處理技術開發提供了依據。其中，典型金屬材料，如 316 L 不銹鋼、2205 雙相不銹鋼的腐蝕磨損耦合損傷行為與機理為：

    316 L 不銹鋼、2205 雙相不銹鋼因具有優異的耐氯離子腐蝕能力而在海工領域獲得了廣泛應用，如設計使用壽命達 120 年的港珠澳大橋即采用 2205 雙相不銹鋼作為主體鋼結構。因此，考察不銹鋼的腐蝕磨損行為及失效機理可為不銹鋼在腐蝕性介質中的服役安全提供依據。

    奧氏體 316 L 不銹鋼具有低的層錯能，因此易于在摩擦應力作用下發生馬氏體相變，高硬度的馬氏體相改善了不銹鋼的耐磨性，但相變反過來加劇摩擦接觸面的電偶腐蝕等，從而形成了腐蝕與磨損的協同作用，結果如圖 2 所示。

    通過本研究表明：摩擦與磨損過程促進了不銹鋼材料的宏觀電偶腐蝕的發生，加劇了材料的腐蝕傾向，宏觀電偶腐蝕所形成的疏松產物反向加劇了材料的磨損；摩擦與磨損的應力過程誘導磨損表面生成了馬氏體相，所生成的馬氏體相具有高硬度、高耐磨性，抑制了磨損的加重；但是，磨損表面生成的馬氏體相與奧氏體基體相所組成的微觀電偶腐蝕則加劇材料的腐蝕，微觀電偶腐蝕則造成了馬氏體的溶解，導致磨損表面的馬氏體反復相處于生成 / 溶解過程；磨損與腐蝕過程中促進了微觀電偶腐蝕的發生，微觀電偶腐蝕導致馬氏體相溶解，加劇了材料的磨損。

圖2. 奧氏體316L不銹鋼的腐蝕磨損行為與機理

    進一步研究發現，雙相不銹鋼具有類似的腐蝕磨損行為，高摩擦應力導致磨損表面產生嚴重的變形，發生應變誘導 σ 相反應。其中，相變的發生提高了摩擦接觸面的硬度，增強了雙相不銹鋼的抗磨能力；但是，σ 相金屬間化合物的生成導致周邊形成貧 Cr（Ni）區，加劇了雙相鋼的電偶腐蝕。此外，腐蝕與磨損的協同作用表明腐蝕在磨損過程中作用隨著應力的增高而加劇，形成了典型了腐蝕對磨損的促進作用。

    綜上，對于以不銹鋼為主體的金屬材料而言，傳統結構材料的低硬度制約其抗磨能力，導致機械磨損分量在腐蝕磨損中占顯著地位，如 316 L 不銹鋼、2205 雙相不銹鋼的機械磨損分量約占總損失量的 70%，鈦合金為 63.7%，鎳合金為71.5%，鋁合金為80.2%。因此，在不降低材料耐腐蝕性的前提下提高金屬材料的硬度是改善其耐磨蝕性能的有效手段。

    三、金屬材料的動態耐磨防腐技術

    表面工程通過表面涂覆、表面改性或多種表面技術復合處理，改變固體金屬表面的形態、化學成分、組織結構和應力狀況，以獲得表面所需性能，如耐磨、耐蝕性能。因此，表面工程技術成為改善金屬材料動態耐磨防腐的首選技術途徑，合理的表面技術可極大地提高傳統材料的服役期限，拓寬傳統材料的應用范圍?；诖?，針對金屬材料的腐蝕磨損耦合損傷問題，通過在材料表面進行涂覆及改性處理，可將金屬和涂層的優點相結合，使金屬材料具有優良的綜合機械性能，延長使用壽命。針對不同的表面工程技術，團隊采用了 PVD 硬質涂層技術、電鍍涂層技術、熱噴涂涂層技術及聚合物粘結涂層技術來改善金屬材料的動態耐腐防腐行為，取得了一系列卓有成效的結果，主要表面工程技術為：

    1. PVD硬質涂層

    深?；蜻h海機械系統維護補給困難，因此相關部件的可靠性與穩定性要求高，而海洋環境機械運動部件磨蝕損傷嚴重，須通過耐磨與防腐一體化防護技術進行強化處理。針對PVD硬質涂層，如CrN、TiN、GLC等，團隊通過研究磨損—腐蝕交互作用機制，構建了具有致密結構、多層界面的高承載及腐蝕通道阻隔作用的涂層材料，研制了集低摩擦、耐磨損與防腐蝕特性于一體的抗磨耐蝕材料（如圖 3 所示），有效改善了金屬材料的抗磨蝕性能。

    2. 電鍍涂層

    作為典型的電鍍涂層，鎳鍍層在現代工業中獲得了廣泛的應用，同樣有望解決金屬材料的耐磨蝕問題。研究表明：對于鎳鍍層，隨著晶粒尺寸從 50 nm 減少至 5 nm，鍍層耐腐蝕性能增強，非晶鎳鍍層的耐腐蝕性能達到最好，其次，非晶納米晶涂層的耐腐蝕性能介于20 nm 鍍層與 5 nm 鍍層之間，顯示了比大尺寸納米晶優越的耐腐蝕性能。此外，不同晶粒尺寸鎳鍍層的硬度為：5 nm>非晶 / 納米晶 > 非晶 >20 nm>50 nm。因此，晶粒細化和非晶化可提高鍍層的硬度及耐腐蝕性。

圖3 PVD耐磨與防腐一體化涂層

    3. 熱噴涂涂層

    鎳基涂層因金屬鎳為主而具有優異的耐腐蝕性能，但存在硬度低、耐磨性差等問題。因此，利用等離子噴涂設備制備 WC 陶瓷增強鎳基復合涂層，并研究了涂層在海水工況下磨蝕性能，如圖4 所示。其中，WC 增強鎳基復合涂層主要由灰色的連續相和白色的帶狀相所組成，分別為 γ-Ni 固溶體和碳化鎢。

    海水工況磨蝕測試表明，WC 增強鎳基復合涂層的摩擦系數和磨損率均優于316L 不銹鋼，尤其在干摩擦條件下其磨損率甚至比 316 L 不銹鋼低兩個數量級左右。這表明 WC 陶瓷增強鎳基復合涂層具有良好的耐磨蝕性能，可以作為 316 L不銹鋼的表面防護的一種重要手段。

圖4 熱噴涂耐磨與防腐一體化涂層

    4. 聚合物粘結涂層

    通過設計優異力學性能和耐高溫、耐化學腐蝕改性高分子樹脂，通過高硬度、耐磨陶瓷顆粒篩選和級配，結合碳纖維、聚醚醚酮纖維、石墨烯等功能填料優異的力學和防腐性能，實現協同耐沖蝕防腐功能。

圖5 PVD耐磨抗蝕一體化涂層的應用 

    上述研究表明，耐磨與防腐一體化涂層的選擇應參考如下準則：①材料體系耐氯離子腐蝕；②鈍化層形成速度快；③避免疲勞磨損；④具有較好的耐磨性。

    其中，耐氯離子腐蝕包括陶瓷相、鎳、銅、鈦等，同時鈍化層在破損后易于修復；此外，非晶 / 納米晶化是實現強耐磨抗蝕一體化功能的主要途徑，如納米化電鍍鎳基涂層、非晶 / 納米晶復合 CrN 基涂層材料、鐵基非晶涂層等均在海水環境下有優異的表現，成為抗磨蝕的重要材料之一。

圖6 聚合物粘結涂層在耐沖蝕領域的應用

    綜上所述，海洋等腐蝕性環境下服役的工程裝備的長壽命安全運行，離不開傳輸、傳動、連接、密封機構的長壽命穩定運行，此類機械的工作面不僅僅受到海水的腐蝕作用，相對運動也必然會引起摩擦磨損現象的發生。因此，研究腐蝕與摩擦的交互作用機理、海洋環境動態變化下的長效可靠性及耐磨防腐一體化技術極其重要。通過加強涉海裝備關鍵性的典型機械零部件的磨蝕研究，積累現場數據；并結合實驗室模擬及仿真技術，加強磨蝕機理研究，闡明腐蝕性介質的 pH 值、溫度、速度等因素在磨蝕中的作用規律都是重要的研究方向。此外，針對材料的腐蝕磨損失效機理提出針對性的防護技術，開展磨蝕的控制機理研究，是提高金屬磨蝕性能的基礎性工作。

    四、典型應用

    案例1. 抗磨耐蝕一體化涂層（海水液壓馬達）

    海水傳動技術指以海水作為工作介質來實現能量的傳遞的液壓技術，該系列液壓馬達以海水為工作介質，整個吸水、排水這一液壓循環均在海水中實現，從而減少了水箱和回水管等循環設備，在簡化了系統結構，減輕結構重量方面具有顯著的優勢，尤其在潛水器、海軍艦艇等領域發揮著關鍵作用。但是，海水的粘度只有油介質的 1/40 左右，因此用海水潤滑的柱塞 / 缸孔、缸體 / 配流盤、滑靴 / 斜盤及軸承等摩擦副配合間隙內的潤滑液膜厚度將大大減小，這將導致摩擦副處于邊界摩擦或干摩擦狀態，從而產生嚴重的粘著磨損及腐蝕磨損。因此，腐蝕摩擦學問題是海水馬達研發過程中最關鍵的問題，必須給予足夠的重視。

    中科院海洋新材料與應用技術重點實驗室海洋功能材料團隊通過多年的技術攻關，成功實現了 PVD 硬質涂層在海水液壓馬達領域的應用（圖 5），合作企業產品已進入國外高端市場，實現了技術服務實體經濟，“把科技轉化為生產力”這一目標。

    2. 抗沖蝕氣蝕防腐涂層（腐蝕性流體裝備）

    沖蝕、氣蝕磨損廣泛存在于電力、鋼鐵、化工、礦山以及船舶等行業，沖蝕氣蝕磨損加速設備失效，導致維修、更換頻繁，造成巨大的經濟損失。因此，發展耐沖蝕氣蝕防腐特種涂層，可延長設備使用壽命、降低成本。

    依托于“中國科學院寧波材料技術與工程研究所、邁格鈉磁動力股份有限公司永磁傳動關鍵部件防腐與防護新材料聯合實驗室”，海洋功能材料團隊針對企業生產過程中化工泵閥、葉輪葉片、水冷設備殼體所面臨的腐蝕性沖蝕、氣蝕問題，通過設計優異力學性能和耐高溫、耐化學腐蝕改性高分子樹脂，通過高硬度、耐磨陶瓷顆粒篩選和級配，結合碳纖維、聚醚醚酮纖維、石墨烯等功能填料優異的力學和防腐性能，實現協同耐沖蝕防腐功能，如圖 6所示。所研制的耐蝕防腐涂層目前已在企業完成了示范應用，獲得了良好的經濟和社會效益。

    ●  作者簡介

    劉二勇，男，1982 年 08 月，工學博士，高級工程師，2013 年 12 月畢業于西安交通大學，2016 年 01 月中國科學院寧波材料技術與工程研究所材料科學與工程博士后出站?，F就職于西安科技大學材料科學與工程學院，主要從事金屬表面工程，腐蝕與摩擦學等研究工作。