0 引言

    B10 銅鎳合金是國際上公認的耐海水腐蝕性能優良的銅鎳合金，廣泛應用于國內外的海洋工程中。B10 銅鎳合金不僅具有銅合金優異的物理傳導性能，而且在流動海水中耐腐蝕性能較好，抗生物污損性能優良。國內外對銅鎳合金腐蝕行為進行了廣泛的研究。文獻研究了在 NaCl 溶液中 B10 銅鎳合金的電化學腐蝕行為，認為 B10 銅鎳合金在流動海水中隨海水流速的增大，陽極鈍化區范圍減小，合金腐蝕受陽極反應過程控制。文獻研究表明：B10 銅鎳合金在海水介質中，表面會形成一層鈍化膜，從而阻止合金腐蝕反應的進一步擴展，使合金的耐腐蝕性能提高。因此，影響該鈍化膜的因素均會影響其耐蝕性 。目前，針對 B10 銅鎳合金耐腐蝕性能的研究，主要集中在自然環境變量（如溫度、pH 值和鹽度等）對小試樣腐蝕過程的影響，但是對其在實際管流狀態下耐腐蝕問題的研究比較少。本文主要通過自制的模擬人工海水管材沖刷腐蝕試驗機，研究流動海水中 B10 銅鎳合金管材的沖刷腐蝕情況。

    1 試驗材料與方法

    1.1 試驗材料

    試驗采用國產 B10 銅鎳合金管材作為試樣，外徑 12 mm，壁厚 1 mm，長 80 mm。B10 銅鎳合金管材的化學成分如表 1 所示。

    試驗前，將試樣放在無水乙醇中用超聲波振蕩，去除表面的雜質和油污。試樣清洗干凈后，在120 ℃烘箱中干燥 10 min。采用 FA2004N 型分析天平（精度為 0. 1 mg）稱量試樣試驗前的質量。試驗介質為人工配制的海水。

    1.2 試驗方法

    將已經處理好的試樣安裝在自制的管材沖刷試驗機上，設定流動海水的流速分別為 1. 5 m/s、2. 0 m/s、2. 5 m/s、3. 0 m/s 和 3. 5 m/s，沖刷時間分別為 12 h、24 h、48 h、96 h 和 192 h。沖刷完成后用無水乙醇清洗試樣表面的雜質。待試樣清洗干凈后，放入 120 ℃的烘箱中干燥 10 min。將試樣在線切割機上切割成表面積（與海水接觸的部分）為 1 mm 2 的小試樣，對這些小試樣進行電化學測試和微觀腐蝕形貌的觀察。

    在 CHI660D 型電化學工作站上，通過三電極體系測試合金的電化學性能，飽和甘汞電極（saturatedcalomel electrode，SCE）作為參比電極，石墨作為輔助電極，電解質溶液為分析純試劑配制的人工海水，試驗溫度為室溫。交流阻抗譜的測試頻率為 0. 1 Hz ～100 kHz，交流激勵信號幅值為 5 mV，線性極化掃描速率為 5 mV/s，開路電位（open circuit potential，OCP）測試時間為 900 s。

    通過 JSM-5610 型掃描電鏡觀察合金在不同條件下的微觀腐蝕形貌。

    2 結果與分析

    2.1 腐蝕質量損失與腐蝕速率

    圖 1 為不同模擬海水流速下 B10 銅鎳合金管材隨沖刷時間變化的質量損失圖。從圖 1 中可以看出：在流動海水流速相同的條件下，隨著沖刷時間的延長，質量損失是不斷增大的，這是由于整個試驗過程中合金的腐蝕反應在持續進行。在流動海水中，合金的表面會有一部分金屬因與溶液中的化學物質發生化學反應而被沖走，也有一部分金屬通過化學反應生成化合物附著于合金表面，從而在合金表面形成一層鈍化膜。鈍化膜能夠阻止腐蝕反應的發生，降低合金的腐蝕速率。

    在試驗的初始階段合金的質量損失增長率較高，試驗后期質量損失增長率降低，這是因為沖刷初期B10 銅鎳合金管材是整個裸露在人工海水中的，無任何保護措施，所以初期腐蝕得較快。但是隨著沖刷時間的延長，合金的表面逐漸形成氧化膜層即鈍化膜，降低了合金表面陰極反應和陽極反應的傳質速度和電荷轉移速度，使得合金表面發生腐蝕反應的速率降低。圖 2 為不同模擬海水流速下 B10 銅鎳合金管材隨沖刷時間變化的腐蝕速率圖。從圖 2 可以看出：B10 銅鎳合金管材在流速為 3. 0 m/s 時的腐蝕速率要比其余流速時的大，流速為 1. 5 m/s 時腐蝕速率最小，所以選擇海水流速為 1. 5 m/s 和3. 0 m/s時的管材進行對比研究。

    2.2 電化學測試

    2. 2. 1 動電位極化行為的變化

    圖3 為在流動人工海水中 B10 銅鎳合金管材隨沖刷時間變化的動電位極化曲線，其中，橫坐標為電流密度的對數，縱坐標為電位。圖 3a 為 B10 銅鎳合金管材在流速為 1. 5 m/s 時，沖刷不同的時間后動電位極化曲線。由圖 3a 可以看出：B10 銅鎳合金管材在 96 h 之前的腐蝕電位比較穩定；當沖刷時間達到 96 h 時，B10 銅鎳合金管材的腐蝕電位升高，此時形成了較為穩定的腐蝕鈍化膜。圖 3b 為 B10 銅鎳合金管材在流速為 3. 0 m/s 的海水沖刷下的動電位極化曲線，與圖 3a 不同的是，在流速 3. 0 m/s 的海水沖刷 192 h 后，腐蝕電位才升高，這說明在較高的流速下，B10 銅鎳合金管材的表面形成鈍化膜較晚。

    2. 2. 2 交流阻抗譜的變化

    圖4 為在人工海水流速為1. 5 m/s 和3. 0 m/s 的條件下，B10 銅鎳合金管材隨著沖刷時間的延長電化學阻抗的變化，其中，橫坐標為阻抗的實部，縱坐標為 －1 倍的阻抗虛部。從圖 4a 可以看出：人工海水流速為 1. 5 m/s 時，隨著沖刷時間的延長，高頻區容抗弧的半徑增大，說明隨著沖刷時間的增加，合金表面電荷轉移電阻是增大的。沖刷 96 h 時，容抗弧半徑突然變大，說明此時合金的表面已經形成較為完整的鈍化膜層。從圖4b 可以看出：人工海水流速為3. 0 m/s 時，沖刷192 h 后，容抗弧半徑急劇增大，說明合金表面的電阻變大，腐蝕速率開始下降。
  

  2.3 微觀腐蝕形貌觀察

    圖 5 為 B10 銅鎳合金管材在 1. 5 m/s 和 3. 0 m/s 流速下，隨著沖刷時間的延長，其微觀腐蝕形貌的掃描電鏡照片。其中，圖 5a 和圖 5b 分別為流速 1. 5 m/s 和 3. 0 m/s 時，試樣在人工海水中沖刷12 h 后的微觀掃描照片。從圖 5a 和圖 5b 中可以看出：在流動海水中腐蝕 12 h 后，合金表面經砂紙打磨之后的打磨條紋依然清晰。圖 5c 為試樣在流速 1. 5 m/s 的海水中沖刷 96 h 的表面微觀形貌，從圖 5c 中可以看出：合金表面已經形成較為完整的鈍化膜，此時的表面膜較為致密，孔隙率低。圖5d 為試樣在流速 3. 0 m/s 的海水中沖刷 96 h 的表面微觀形貌，隨著沖刷時間的延長，合金表面已經有腐蝕產物生成并附著，但腐蝕產物膜并不完整。圖 5e 為試樣在流速 1. 5 m/s 的海水中沖刷 192 h的表面微觀形貌，合金表面膜更加完整致密。圖 5f 為試樣在流速 3. 0 m/s 的海水中沖刷 192 h 的表面微觀形貌，此時合金表面打磨劃痕已經消失，表面形成一層致密均勻的鈍化膜，能有效降低腐蝕反應速率。合金表面這一變化過程表明：當模擬海水的流速為 1. 5 m/s 時，銅鎳合金初期的腐蝕速率高于后期，沖刷 96 h 后開始形成鈍化膜。當模擬海水的流速為 3. 0 m/s 時，銅鎳合金腐蝕速率達到最大，并且在沖刷 192 h 后才開始形成鈍化膜，但是鈍化膜很不穩定，容易被破壞。

    3 結論

    （1）當沖刷時間相同時，B10 銅鎳合金管材的腐蝕速率隨著人工海水流速的增加而變大，但是當人工海水流速達到 3. 0 m/s 后，腐蝕速率迅速增大，合金表面破壞嚴重，有蝕坑出現。

    （2）流速不同時鈍化膜形成時間不同。當模擬海水的流速為 1. 5 m/s 時，B10 銅鎳合金管材初期的腐蝕速率高于后期，沖刷96 h 后開始形成鈍化膜。當模擬海水的流速為3. 0 m/s 時，B10 銅鎳合金管材腐蝕速率達到最大，并且在沖刷 192 h 后才開始形成鈍化膜，但是鈍化膜很不穩定，容易被破壞。