典型船用铜合金微观组织与腐蚀行为关系研究

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铜合金因优良的耐海水腐蚀性能、抗海洋生物污损性能、综合力学性能及加工性能而成为现役海洋材料的主力军之一。然而,由于海洋腐蚀环境的苛刻性,服役过程中铜合金部件的腐蚀失效时有发生,造成舰船在航率降低及维修成本升高,甚至威胁到装备的安全性。铜合金的耐蚀性与其组织结构密切相关,通过适当工艺来调控微观组织是改善其耐蚀性的重要途径,也是当下材料领域的研究热点,这首先需要明确铜合金微观组织特征与腐蚀行为之间的关系,然而目前该领域的相关研究缺乏,且存在诸多矛盾与争议。因此,开展典型船用铜合金的微观组织与腐蚀行为关系的研究具有重要的理论意义和实际价值。本文以海水环境中广泛应用的两类铜合金,即单相的B10铜镍合金和多相的铝青铜合金为研究对象,就其微观组织与腐蚀行为的关联性展开研究和探讨。对于B10合金,明确了晶粒取向对其活性溶解行为及表面氧化物生长行为的影响规律,揭示了活性溶解过程中各向异性的刻面特征的形成机制,并利用第一性原理结合功函数计算解释了各向异性的氧化物生长速率;对于铝青铜,揭示了不同组成相之间以及镍铝青铜和锰铝青铜之间选择性腐蚀行为的差异及原因;最后探索了背散射电子衍射(EBSD)测试过程中电子束辐照对样品表面状态及耐蚀性的影响。主要研究结果总结如下:基于91个随机取向晶粒的统计数据,揭示了 B10合金在酸性NaCl溶液中的活性溶解速率与晶粒表面偏离<111>方向的偏离角θ(111)之间存在负的线性关系,即随着晶粒取向偏离<111>方向,腐蚀速率逐渐降低,遵循(111)>(101)>(001)的规律。此外,不同取向晶粒活性溶解后的腐蚀形貌特征与晶粒取向之间存在关联性,近(111)、(101)、(001)和(112)取向的晶粒分别呈现三棱锥簇、三角形台阶、平滑面及长条簇4种刻面特征。晶体学分析表明,每种特征形貌暴露出的小刻面都是耐蚀的(001)晶面,与晶粒取向无关。在碱性NaCl溶液浸泡初期,B10合金不同取向晶粒表面生成的氧化物均为Cu2O,但Cu2O的生长速率对晶粒取向有显著依赖性,遵循(111)>(101)>(001)的顺序。各向异性的氧化物生长速率导致了光镜下晶粒间颜色衬度的差异及所测表面伏打电位的反转。第一性原理计算和基于配位数的功函数分析表明,有台阶结构的(111)晶面的氧吸附能及功函数最低,Cu-O交互作用最强,易于与氧进行电荷转移,氧吸附最稳定,即各向异性的氧吸附能力是造成不同取向晶粒表面氧化物生长速率差异的重要原因。锰铝青铜和镍铝青铜中α相最耐蚀,κ相易发生选相腐蚀,锰铝青铜中β相发生脱成分腐蚀,而镍铝青铜中β相以选相腐蚀为主。各相腐蚀行为的差异直接影响了锰铝青铜和镍铝青铜的整体腐蚀行为,锰铝青铜表现为典型的沿纵深发展的脱成分腐蚀,而镍铝青铜以选相腐蚀为主,脱成分腐蚀并不明显。造成两种铝青铜腐蚀行为差异的关键因素是第二相的分布特征:锰铝青铜中β相彼此相连或通过相界相连,κ相仅零星分布;而镍铝青铜中β相被阻隔,独立的小尺寸β相与相邻的大尺寸α相之间更容易形成电偶对发生选相腐蚀,而且镍铝青铜中含有大量具有较高选相腐蚀倾向的κ相。EBSD测试过程的电子束辐照(EBI)与样品表面碳质化合物之间相互作用,在B10合金样品表面生成了石墨烯膜。在酸性和碱性NaCl溶液中的浸泡实验表明,EBI在基体表面生成的石墨烯膜具有良好的抗腐蚀性能;相比之下,人工喷碳区的碳层由于质量较差而防腐性能有限。此外,经电子束两道次辐照生成的石墨烯膜比单道次辐照生成的石墨烯膜具有更好的抗腐蚀性能。
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