分别从交流电腐蚀的特点、机理、影响因素以及对阴极保护和微生物腐蚀影响的角度,对近年来国内外开展的交流电腐蚀研究进行系统综述。通过对目前研究中存在的重点问题进行综合分析,展望这一领域的研究前景及发展趋势,为相关领域的研究人员提供新思路。
综述了导致混凝土材料和金属材料微生物腐蚀的研究现状,分别阐述了其微生物腐蚀的机理,包括混凝土生物硫酸腐蚀机制、金属微生物腐蚀的经典腐蚀机制和细胞外电子转移机制。概述了现有的建筑行业混凝土和金属材料微生物腐蚀及混凝土改性、制备保护涂层材料、添加杀菌剂等防护方法的研究进展,为后续建筑材料微生物腐蚀机制和防护技术的深入研究提供参考。
针对有机涂层中氧化石墨烯 (GO) 分散性差、与树脂相容性不好的问题,本工作选择间苯二胺作为“桥接物质”,利用其分子上的两个胺基与GO和环氧树脂的环氧基团分别键合,从而改善GO与环氧树脂间的相容性。同时,利用间苯二胺的空间位阻效应有效改善了GO的团聚问题,提高在环氧树脂中的分散性。采用化学接枝法得到间苯二胺表面改性的GO(M-GO),并制备了M-GO与环氧树脂E-44复合涂料 (EP/M-GO)。结果表明,间苯二胺的胺基能够成功与GO表面的环氧基团键合,且在透射电镜下可以观察到M-GO呈现出少量片层的状态,团聚现象明显改善。另一方面,涂层截面形貌表明M-GO与基料树脂之间结合良好。复合涂料在12 d的盐雾实验后仍然能够为金属基底提供保护,且浸泡1000 h后的阻抗模值 (|Z|0.01 Hz) 仍可达109数量级,防腐性能明显提高。
利用电化学阻抗谱和电化学噪声技术对比研究了国产镀锌钢板在盐水和淡水中的腐蚀行为。结果表明,镀锌钢在两种水溶液中的腐蚀均可分为3个阶段,不同阶段表现出完全不同的电化学特征,镀锌钢在盐水中的腐蚀速率明显高于其在淡水中的腐蚀速率,其在盐水中的腐蚀产物呈棒状或片层状,对基体不具有保护性,而在淡水中的腐蚀产物形态呈规则的球状,对基体具有明显的保护作用。
利用开路电位测量、电化学阻抗谱测试技术,结合微观形貌观察,对比研究了国产镀锌钢板在不同反渗透水中的腐蚀行为,镀锌钢在不同进水盐度所得的反渗透水中的腐蚀失效表现出了相似的电化学特征,通过CaCl2、NaCl和NaHCO3等对反渗透水的水质进行调整,改变了镀锌钢的腐蚀失效历程,这可能与腐蚀产物膜的脱落和附着密切相关。
采用动电位极化、线性极化、电化学阻抗等电化学测试技术,研究了不同应力比 (R) 下MS X65管线钢在含H2S介质中的腐蚀电化学行为随交变载荷频率变化的规律。结果表明:自腐蚀电流密度Icorr、电荷转移电阻Rct、线性极化电阻Rp等腐蚀电化学动力学参数均随着交变载荷频率的增加,先上升或下降,后趋于稳定,存在一个临界交变频率;且由R=0.4时的0.25 Hz增大到R=0.85时的1 Hz,这与不同应力比和交变频率对电极表面电化学活性反应位点和腐蚀介质中阴极反应物扩散速率的交互影响有关。
通过动电位极化和恒电位极化研究了Cl-浓度对304不锈钢在模拟混凝土孔隙液 (pH 12.6) 中亚稳态点蚀的影响,并利用极值统计分布研究了亚稳态点蚀的峰值电流密度 (Ipeak),亚稳态点蚀半径 (rpit),亚稳态点蚀稳定性乘积 (Ipeak·rpit) 以及单个亚稳态点蚀的生长时间 (tgrow),再钝化时间 (trep),生长率 (Kgrow) 和再钝化率 (Krep)。结果表明,在碱性介质中,Cl-浓度增加会促使亚稳态点蚀更易转变为稳定点蚀。
研究了充氢时间、充氢电流密度、晶体结构对不锈钢氢脆敏感性的影响。结果表明:对于铁素体不锈钢,随着充氢时间的延长、电流密度的增大,塑性显著降低,氢脆敏感性大幅度增加;通过SEM观察实验钢断口形貌,断裂类型由韧性断裂转变为脆性断裂。而相同条件下,奥氏体不锈钢氢脆敏感性较低,抗氢脆性能较好。充氢后实验钢表面存在大量H,且氢含量随试样深度逐渐降低,晶界可能作为氢陷阱影响实验钢的氢脆敏感性。
利用附着力测试、吸水率测试和电化学阻抗谱测试等手段,研究了淡水舱涂层在反渗透水、调质水、自来水等淡水以及盐水中的腐蚀失效行为。结果表明,自来水比盐水具有更快的渗透速度,导致涂层在淡水中会优先失效。淡水舱涂层在反渗透水、调质水和饮用水3种淡水中的腐蚀失效历程相同,根据电化学阻抗谱的变化特征可分为3个阶段:水的快速渗透、涂层/金属界面金属基体的腐蚀和涂层中颜填料对金属的缓蚀。
采用传统重力铸造法制备了Mg-3Zn-1Y-xZr (x=0,0.2,0.4,0.6) 合金,并通过光学显微镜 (OM)、扫描电镜 (SEM)、失重和电化学实验研究了Zr含量对Mg-3Zn-1Y显微组织和腐蚀行为的影响。结果表明:Mg-3Zn-1Y主要由α-Mg基质和Mg3YZn6(I) 相组成,Zr的加入没有改变第二相的类型。Zr能显著细化晶粒,优化组织结构,提升合金耐腐蚀性。同时,Zr能提升合金基体腐蚀电位,减小腐蚀电流密度,抑制合金腐蚀。失重结果表明,Mg-3Zn-1Y-0.6Zr具有最佳的耐腐蚀性能,达到 (0.325±0.042) mm/a。
采用电化学技术与微观形貌观察,研究了不同频率 (0.1,0.5,1.0,1.3,1.8和2.0 Hz) 弹性交变应力下E690高强海洋工程用钢在3.5% (质量分数) NaCl溶液中的腐蚀电化学行为,探讨了加载频率对腐蚀反应机理的影响。结果表明,存在一个临界频率,将交变应力作用下腐蚀电化学行为分为两个不同的阶段。加载频率在临界频率以下时,随着弹性交变应力加载频率的增大,E690钢的应变速率峰值增大,钢的表面产生活性位点增多,腐蚀过程主要受活化控制,腐蚀速率和局部腐蚀面积均随着加载频率的提高而增大。加载频率超过临界频率时,腐蚀过程主要受扩散控制,腐蚀速率和局部腐蚀面积不受加载频率变化的影响。
利用高温高压反应釜,采用失重、SEM、XRD、EDS和电化学方法研究了不同温度下X70管线钢在含CO2地层水中的腐蚀行为。讨论了X70钢CO2腐蚀机理的热力学和动力学机制。结果表明:温度通过影响FeCO3过饱和度、晶粒形核率和长大速率,进而影响X70钢腐蚀速率。在温度为30 ℃时,FeCO3的过饱和度较小,不能在X70钢表面连续析出,难以形成保护性产物膜,X70钢腐蚀速率较高。温度为60~90 ℃时,FeCO3的形核速率大于生长速率,X70钢表面形成致密的FeCO3膜,腐蚀速率开始下降。继续升温至120和150 ℃,FeCO3的形核速率小于生长速率,X70钢表面不能形成完整的具有保护性的FeCO3膜,或膜内应力增大导致膜破裂。FeCO3膜与基体金属形成电偶电池,发生局部腐蚀。
采取模拟大气环境的室内中性盐雾腐蚀实验,探讨了铜铝层状复合材料的腐蚀行为。通过扫描电镜 (SEM) 观察腐蚀后铜铝界面形貌,结合X射线衍射仪 (XRD) 和能谱仪 (EDS) 分析腐蚀产物成分,并通过电化学检测分析试样经过不同时间盐雾腐蚀后的表面腐蚀状态,探讨铜铝复合板在服役环境下的腐蚀机制。结果表明:铜铝复合板在盐雾环境下铜铝构成腐蚀原电池,Al为阳极铜为阴极,阴阳极面积比越大,腐蚀速率越大。随着腐蚀的不断进行,铜铝界面的Cu一侧发生腐蚀,且靠近界面的位置腐蚀最为严重,随着腐蚀时间延长,铝基体出现严重的剥蚀现象,Cu几乎无变化。腐蚀产物成分为Al2O3,Al(OH)3和AlO(OH),电化学结果显示:铜铝复合板在腐蚀的过程中,腐蚀速率呈现先增加后减小再增加的趋势。
采用挂片、电化学实验和SEM等手段研究了L245钢在含有铁细菌 (FB) 的页岩气压裂产出水中的腐蚀行为。结果表明:有、无FB压裂产出水都会对L245钢造成腐蚀,但失重分析和极化曲线分析都证明FB的存在促进了L245钢的腐蚀;电化学阻抗拟合结果表明,在不含FB的页岩气压裂产出水中,L245钢的腐蚀速率在前5 d逐渐增大,后快速减小。在含有FB的页岩气压裂产出水中,L245钢的腐蚀速率先减小,至8 d后逐渐增大。SEM分析结果表明,两种体系生成了不同的腐蚀产物膜。
利用反向等温包覆挤压技术制备了直径38 mm的铝包覆镁合金复合挤压棒材,采用浸泡实验和电化学工作站进行腐蚀分析,对比研究铝镁双金属反向等温挤压棒材表层、芯部及铝镁包覆结合界面层在3.5%NaCl溶液中腐蚀前后的微观组织形貌、腐蚀失重率、极化曲线、阻抗谱等。结果表明:铝镁合金在挤压过程中发生再结晶,包覆结合界面层析出β (Al3Mg2) 相和γ (Mg17Al12) 相,而未包覆挤压镁合金,在晶界处析出γ (Mg17Al12) 相。相比于未包覆状态而言,反向等温包覆挤压棒材在腐蚀过程中,包覆铝表面层更容易富集腐蚀产物形成钝化膜抑制腐蚀进行。因此这一双金属包覆反向等温复合挤压技术有利于提高AZ31镁合金型材的耐腐蚀性能。
在1250 ℃的温度下对Gd2(Zr1-xCex)2O7 (x=0,0.1,0.2,0.3) 陶瓷分别进行了5、10和20 h不同腐蚀时间的CMAS热腐蚀实验,利用XRD、SEM及EDS等表征手段对腐蚀过程中元素的扩散、物相和形貌的变化进行了研究。结果表明,CMAS与Gd2 (Zr1-xCex)2O7(x=0,0.1,0.2,0.3) 陶瓷在不同的腐蚀时间段内都会生成以萤石Ca0.2(ZrxCe1-x)0.8O1.8和磷灰石Ca2 (GdxCe1-x)8(SiO4)6O6-4x为主的反应层腐蚀产物。Ce4+的掺杂含量越多,反应层的厚度越薄,而Gd2(Zr0.7Ce0.3)2O7在任一腐蚀时间段其反应层厚度都是最薄的,相比较而言其抗CMAS热腐蚀性能是最好的。Ce4+的掺杂加快了CMAS与陶瓷的反应速率,从而快速形成致密的反应层阻止CMAS向陶瓷层内部的侵蚀并且提高了陶瓷的应变容限。
采用带有磁力驱动轴的高温高压腐蚀测试釜,通过失重法研究了施加应力与介质流动对20#钢和L245NS钢在H2S/CO2共存环境中腐蚀行为的影响。采用SEM和XRD表征手段分析了浸泡腐蚀后四点弯曲试样表面的微观形貌及腐蚀产物的组成。结果表明:在H2S/CO2共存环境中的各实验条件下,20#钢的平均腐蚀速率均高于L245NS钢的。当施加应力和液态介质流动时,两种材料的腐蚀速率均增大;应力对腐蚀速率的影响更显著。推测腐蚀机理为:H2S在腐蚀过程中起主导作用,生成了具有保护性的FeS腐蚀产物膜。应力会导致腐蚀产物膜存在大量微观通道,促进了腐蚀过程的进行;流体流动加速了金属溶解和腐蚀性物质的扩散,表现出最大的腐蚀速率。