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舰船是现代海军系统中海上作战的中坚力量，战略威慑能力的重要载体。无论是海洋经济的战略地位，还是各国之间的战略角逐，舰船作为建设海洋强国的主要装备，已然成为国家实力的重要象征。考虑到舰船长期处于复杂多变的海洋环境中，受温度、湿度、盐雾介质和溶解氧浓度等多种环境因素作用，舰船用金属材料极易受到腐蚀，导致舰船关键部件发生腐蚀开裂、力学性能退化等问题，直接影响舰船的服役安全性和作战能效。

随着海洋新材料在舰船上应用越来越广泛、舰船多海域执行任务逐渐常态化，面对苛刻的海洋腐蚀环境，舰船用金属材料的腐蚀防护工作面临巨大挑战。

一、金属材料在舰船上的应用

目前舰船用金属材料种类繁多，其中合金钢、铜合金、钛合金和铝合金是舰船部件使用较为广泛的金属材料类型。

高强耐蚀合金钢

钢材是舰船主体结构建造最主要的金属材料，须具备足够的强度、韧性、良好的可加工性和耐腐蚀性。美国在20世纪90年代研制出了高强、低温可焊的HSLA-80、HSLA-100等低合金系列钢，逐渐代替了上一代HY系列钢在驱逐舰和航母壳体、舰船甲板等部件上的应用。俄罗斯主要使用AB系列钢，日本主要使用Ns系列钢。我国舰船用钢的研发起步相对较晚，但通过研仿和不断创新，目前也已研制出多种规格的合金钢，且屈服强度覆盖广，基本满足舰船建造的需求。

高强耐蚀铜合金

铜合金具有良好的耐海水腐蚀性和防止海洋生物生长和附着的性能，加之其优良的可加工、导热和导电性，是目前舰船建造时不可或缺的金属材料。例如，具有高强、耐腐蚀且易于加工的锰青铜、镍铝青铜等铜合金常用于舰船螺旋桨；具有高导热、可焊和耐蚀的B30白铜、HSn锡黄铜是冷凝器的主要材料；具有高导电性和耐蚀性的TU1、T2等铜合金用于舰船上的设备导线和电缆等。

高强耐蚀钛合金

钛合金是新一代舰船用金属材料，其具有较高的比强度、可焊接性和优异的耐腐蚀性。在海水环境下，钛合金表面钝化形成的氧化物可以有效对抗氯离子造成的腐蚀，其抗腐蚀能力远优于不锈钢、铝合金、铜合金等金属材料，因此钛合金被誉为“海洋金属”。俄罗斯是世界上使用船用钛合金最多的国家，开发了多种强度的钛合金，以适应不同的应用环境，如应用于舰船管路系统的PT-7M钛合金，用于舰船压力容器的14钛合金。我国目前也已形成较为完整的船用钛合金体系，如应用于舰船机械各类部件的TA5A低强钛合金，应用于各种耐压系统的ZTi60和Ti75中强钛合金，以及应用于高压容器和螺旋桨等部件的ZTC4和Ti80高强钛合金。

轻质高强耐蚀铝合金

铝合金具有密度小、比强度高、可成形性和加工性好等特点，在减轻舰船质量、提升航速等方面具有重要价值。目前，铝合金在舰船上的应用主要分为三大类：以强度为主要指标的受力结构件，例如舰艇的船体、甲板等，通常采用Al-Mg合金（5系）和Al-Mg-Si合金（6系）；受力较小的构件，如油箱、水箱、水密门等，主要考虑铝合金的可加工性，通常采用3003、6082等铝合金；考虑隔热、降噪等功能性的功能材料，如发动机室降噪层。

二、舰船用金属材料的腐蚀问题

舰船在海上服役时长期受高温湿、高盐雾、高溶解氧浓度等苛刻海洋环境的作用，导致舰船用金属材料极易发生腐蚀，严重影响着舰船的安全可靠性和战技性能。

腐蚀环境

根据舰船结构、设备和装置的暴露条件，舰船用金属材料所处海洋腐蚀环境从上到下可分为5个区带：海洋大气区、浪花飞溅区、海水潮差区、海水全浸区和海底泥土区，且不同区带具有不同的环境特征，如图1所示。

图1 舰船所处海洋腐蚀环境区带

处于海洋大气区的甲板、舰载武器装备等用金属材料常年不接触海水，但长期受高温、高湿、高盐雾和强辐射等环境因素作用，导致这些材料腐蚀速率是内陆大气腐蚀的2～5倍。浪花飞溅区位于海水与大气的交界处，该区域内舰船用金属材料除了受温度、湿度和盐度等环境因素的影响外，还因海水溅射长期处于干湿交替和高溶解氧浓度的环境中，在多因素共同作用下，该区域内材料的腐蚀情况最为严峻。海水潮差区同样受海水干湿交替的影响，但该区域内氧的扩散速度以及海水对舰船部件的冲击程度都不及飞溅区，处于该区域内的舰船用金属材料的腐蚀情况相对较轻。海水全浸区内离子浓度高，微生物多，且水压力大，处于该区带内的螺旋桨、船舵等用金属材料要同时面对电化学腐蚀、微生物腐蚀和应力腐蚀问题。海泥区内氧浓度低，但存在大量细菌和生物，在海底沉积物的影响下，该区域内船锚等用金属材料主要发生生物腐蚀。总之，掌握不同区带内详细的环境特征，对模拟海洋环境以加快舰船用金属材料的腐蚀防护研究有重大意义。

腐蚀类型

受不同海洋腐蚀区带内温度、湿度、盐度、pH值、溶解氧浓度、海水冲击和微生物含量等环境因素影响以及外加应力、残余应力等作用，舰船用金属材料服役时会发生多种腐蚀损伤，主要包括点蚀、缝隙腐蚀、电偶腐蚀、微生物腐蚀以及应力腐蚀开裂等腐蚀行为。

1、点蚀

点蚀是舰船用金属材料最常见的一种腐蚀形态，容易发生在表面钝化或表面镀有阴极性镀层的金属材料的敏感微区。如暴露在海洋大气区或海水全浸区的舰船结构、管道等表面。通常腐蚀小孔形成后，会向深处加速发展，具有极大的隐患性和破坏性。

2、缝隙腐蚀

缝隙腐蚀是结构缝隙中含氯等卤素离子的腐蚀介质处于滞留状态而引起缝内金属加速腐蚀的腐蚀类型，多发生在法兰、螺纹等舰船上可拆卸连接部位、复合金属层板或有缺陷的金属材料表面。

3、电偶腐蚀

电偶腐蚀是指在海水这种强电解质的环境作用下，金属与另一种金属或非金属导体由于电位差的存在会分别作为阳极和阴极，形成电偶对，进而加速腐蚀的现象。在海水管路系统及设备、船体、紧固件等异种金属接触部位，电偶腐蚀时常发生。

除了异种金属接触发生电偶腐蚀外，合金钢、铝合金等舰船用合金材料中固溶体或金属间化合物的存在同样会导致材料内部出现电位差，进而造成微观电偶腐蚀。例如，在304不锈钢中，低电位的马氏体和高电位的奥氏体形成电偶对，导致马氏体作为阳极发生溶解；7A85铝合金中的金属间化合物Al2CuMg作为阴极，与基体形成了微电偶腐蚀对，引起了点蚀。

4、微生物腐蚀

微生物腐蚀是指微生物及其代谢产物的活动直接或间接引起的腐蚀现象。由于微生物腐蚀速率很快，且往往在局部区域形成突然穿孔或微坑，导致腐蚀破坏难以预测，是影响舰船用金属结构安全问题的重大危害之一。

舰船服役时，海洋微生物常附着在固体表面（如船体、管道等），形成生物膜层。随着膜内微生物不断生长发育，其会直接影响膜内的pH值、溶解氧浓度、离子浓度等条件，导致金属与溶液界面发生变化，引起不可预测的腐蚀破坏。海洋中污损生物种类繁多，主要包括细菌（如硫酸盐还原细菌SRB、硫氧化细菌SOB等）、真菌、水藻等。在实际海洋环境中，舰船用金属材料通常会受到多种微生物作用，在这些微生物的相互作用下，材料的腐蚀行为存在明显差异，开展多微生物的腐蚀行为研究对控制舰船微生物腐蚀具有重大意义。

5、应力腐蚀开裂

除了环境因素造成的腐蚀类型之外，舰船用金属材料在环境和应力的共同作用下还会发生应力腐蚀开裂、空泡腐蚀、冲刷腐蚀等腐蚀行为。其中，应力腐蚀开裂是一种最为常见的环境与力耦合作用的腐蚀方式，其指在腐蚀环境中裂纹萌生并扩展，最终造成脆断的现象。为了保证舰船用金属材料在海洋腐蚀环境中安全服役，研究人员针对海洋腐蚀环境下裂纹萌生和扩展的原因开展了大量的实验和理论研究。根据应力腐蚀过程中发生的阳极反应和阴极反应，造成应力腐蚀开裂的机理主要有阳极溶解理论和氢脆理论。掌握金属材料的应力腐蚀开裂规律和机理对寻求防护措施很有必要。

三、舰船用金属材料的防护技术

舰船系统庞大，且所处腐蚀环境恶劣，为维持舰船长期的安全运行和战技能力，提升舰船用金属材料的腐蚀防护技术迫在眉睫。目前，舰船用金属材料的腐蚀防护已发展成主动控制为主、被动防护为辅，主要从合理选材、有效表面防护、腐蚀环境控制等方面入手。

耐蚀金属材料的选用

随着对舰船用金属材料的腐蚀环境以及腐蚀行为研究的不断深入，研究人员致力于开发新型耐蚀金属材料。微合金化和组织调控是目前改善金属材料本身耐蚀性能的重要技术手段。其中，微合金化技术通过在金属中添加适量Cr、Ti、Ni、Mo、Sn等耐蚀性合金元素来提高金属的耐腐蚀性。例如，Cr元素能加速腐蚀产物向稳定态发展，能使合金钢表面形成稳定且致密的锈层，以阻碍海洋环境中的氯离子通过来提高钢材的耐蚀性。除了改变合金的化学成分外，还可以通过调控合金组织结构来改善材料的耐蚀性，如细化晶粒、均匀化组织等。通过分析舰船用金属材料的服役环境特点，以及可能发生的腐蚀类型和腐蚀速率大小，设计选择既能保证舰船部件安全运行，又考虑费效比的材料是舰船主动腐蚀防护的关键环节。以钢材为例，根据不同的服役环境，国内外已研制出了不同海洋环境区带的耐蚀钢材。例如适用于海洋大气区的R-TEN A（美国），适用于海洋全浸区的MARILOY（日本）等牌号的合金钢。对于异种金属连接处，为了避免发生严重的电偶腐蚀，优先选择电位差较小的电偶对同样也是主动腐蚀防护的有效途径。例如，与TA15钛合金连接使用时，采用30CrMnSiNi2A结构钢代替30CrMnSiA结构钢可以大大降低连接处的电偶腐蚀敏感性。

表面防护技术

1、表面涂镀层与改性技术

表面涂镀层与改性技术是目前应用最为广泛的舰船用金属材料的腐蚀防护方法，主要采用涂、镀、渗、化学转化、形变强化等措施，改变材料表面的化学成分、组织结构、力学状态等理化和力学性能，使材料表面获得保护性的覆盖层或强化层，从而将金属基体与腐蚀介质隔离开，达到防止金属材料腐蚀的目的。

1）表面涂镀层技术：表面涂镀层不仅对金属基材起到保护作用，还具有绝缘、伪装、装饰等功能性作用。根据成分的不同，表面涂镀层可以分为金属涂镀层、有机涂层、无机涂层以及新型复合涂层。

金属涂镀层通常通过电镀、热浸镀、热喷涂、激光熔覆等方法制备，使被保护金属表面形成另一种金属的保护涂镀层。金属涂镀层通常选用锌、铝等较为活泼的金属材料，通过牺牲表面涂镀层起到保护基材的作用，已广泛应用于舰船用金属材料的腐蚀防护上。此外，还可以选择涂镀高耐蚀和耐磨性的材料，例镍、铬、高熵合金等。有研究人员利用高能激光熔覆工艺在铝合金表面制备了AlxCrFeCoNiCu高熵合金涂层，如图2所示，明显提升了材料的耐腐蚀和耐磨性能。

图2 激光熔覆工艺制FeCoNiCrCu高熵合金涂层的形貌

有机涂层主要是通过在金属表面涂覆有机涂料，基于其对外界腐蚀介质的物理屏蔽、对金属表面的化学钝化或缓蚀等机制，达到金属基材的腐蚀防护作用，是最经济、应用最广泛的涂层防腐方法。常用的有机防腐涂料有沥青类、橡胶类、有机硅、环氧类、聚氨酯类等。

在实际应用中，可以根据金属基材服役环境的不同，合理选择适宜的有机防腐涂料。对于处于海水全浸区（如船底）或浪花飞溅区（如水线区）的舰船用金属材料，在使用有机涂层防腐时，要求有机涂层与金属基材具有良好的附着力，一般采用环氧厚浆沥青防腐涂料等，如我国的环氧煤沥等涂料产品。对于舰船工作舱等，在考虑有机涂料耐蚀性的同时，还需要考虑涂料的安全性，在这些区域通常采用环保无有害物质的涂料，如环氧聚酰胺涂料。此外，为了提升有机涂料的耐腐蚀性和力学性能，研究人员还开展了大量新型有机涂层的研究。

无机涂层包括搪瓷涂层、陶瓷涂层、硅酸盐水泥涂层、化学转化膜等，主要通过热喷涂、直接涂覆、气相沉积、阳极氧化等工艺制备。其中，微弧氧化工艺是常用的一种直接在金属表面原位生长陶瓷层的电化学方法，获得的氧化物薄膜通常具有耐腐蚀、耐高温和耐磨等优异性能，广泛应用于铝合金、钛合金等轻金属的腐蚀防护。有研究人员利用微弧氧化在7075铝合金表面制备了腐蚀防护涂层，如图3所示，可见形成的氧化铝涂层与基体结合良好，并显著降低了7075铝合金在模拟海水溶液中的腐蚀速率。

图3 微弧氧化工艺制MAO镀层的微观结构

除了单一材质的防腐涂层外，目前还发展了多种防腐复合涂层或涂料，以结合不同材料的优异性能。为了弥补单一防腐涂层的不足，未来防腐涂层将向着复合化、多功能化发展，对抑制或减缓舰船用金属材料的腐蚀有重大意义。

2）表面改性技术：为了改善舰船用金属材料的耐蚀性能，还可以采用表面机械强化、表面热流强化、表面合金化、离子注入等技术对金属表面进行改性。

2、阴极保护技术

阴极保护技术是指对金属施加外电动势，将其电位移向免蚀区或钝化区，以减少或防止腐蚀的方法，常用的有牺牲阳极保护法和外加电流阴极保护法。

牺牲阳极保护法则将被保护的金属材料作为阴极被保护，而把电位较低的金属作为阳极被牺牲。通常的做法是在合金钢、钛合金等金属表面焊接上铝、锌等低电位金属块，让低电位金属块首先被腐蚀，进而保护主体材料不被腐蚀。这种方法通常用于保护浸于水下的舰船用金属材料。外加电流阴极保护法通过对被保护金属施加一定的外部电流，使其发生阴极极化，从而降低或防止金属腐蚀，适用于解决螺旋桨、舵面等复杂曲面处的金属材料腐蚀问题。当采用外加电流阴极保护法来减少舰船用金属材料腐蚀情况时，需要考虑温度、湿度、盐度、含氧量等因素对阴阳极电化学行为的影响，并确保外加电流装置的安全性和可靠性。此外，为了达到更理想的防护效果，阴极保护通常需要与涂镀层防护联合使用。

腐蚀环境控制

由于腐蚀是材料所接触环境造成的，合理控制材料的服役环境是减缓或消除舰船用金属材料腐蚀的重要技术途径。腐蚀环境控制主要包括两方面。一方面是控制或去除周围环境中促进腐蚀的有害因素，如建立相应的环境控制系统来控制环境中的温度、湿度、氯离子浓度、氧浓度、微生物含量或种类等。例如，为降低微生物腐蚀对船体、管路系统的安全可靠性的影响，通常采用电化学方法杀菌、超声波处理等方法，定期减少环境内的微生物含量，从而起到减缓微生物腐蚀的作用。另一个方面是强化有利于减缓腐蚀的因素或加入有利的物质，如添加缓蚀剂。缓蚀剂技术由于良好的防腐效果和较高的经济效益，是金属材料腐蚀防护技术中应用极为广泛的方法之一。通常在腐蚀环境中使用缓蚀剂，可以在金属表面形成氧化膜、沉淀膜或吸附层，进而抑制腐蚀反应的进行。缓蚀剂种类主要分为无机、有机、天然和稀土等缓蚀剂，其中天然缓蚀剂、稀土缓蚀剂由于资源丰富、绿色环保，是目前研究极受关注的缓蚀剂类型。然而，在实际情况中，由于海域辽阔，缓蚀剂无法直接加入使用，因此缓蚀剂主要被应用于介质相对固定的内部结构，例如舰船管道、发动机舱等周围环境。

四、结语

随着现代舰船中新型合金钢、铜合金、钛合金、铝合金等金属材料的应用越来越广泛，舰船的服役安全性和可靠性须得到确切保障。面对不同海洋区带内高温、高湿、高盐雾、干湿交替等恶劣的腐蚀环境，舰船用金属材料时常会发生点蚀、缝隙腐蚀、电偶腐蚀、微生物腐蚀和应力腐蚀开裂等多种环境损伤行为。解决舰船用金属材料的腐蚀问题是一项长期且艰巨的任务，依赖于材料本身的耐蚀性、表面涂层、电化学保护以及腐蚀环境控制等技术手段。本文从典型金属材料在舰船上的应用现状及存在的腐蚀问题出发，总结分析了已有的金属材料腐蚀防腐技术，结合舰船用金属材料腐蚀与防护的研究现状，提出了以下几点未来的研究方向：

1、加强舰船用金属材料腐蚀环境、腐蚀行为和机理研究。

现代舰船装备结构复杂程度、精密程度越来越高，不同舰船部件所处腐蚀环境迥异，且可能受力、微生物等多因素的耦合作用，导致所呈现出来的腐蚀形式多种多样。因此，对于舰船的关键部件，需针对性地探究材料的腐蚀机理，以指导防腐设计。

2、系统开展舰船腐蚀环境及舰船用金属材料腐蚀的数据库建立。

海洋环境因地理位置不同、季节变换等因素呈现出复杂多变的特征，进而直接影响金属材料的腐蚀行为。随着新型金属材料的不断研制，掌握不同材料在不同腐蚀环境下的腐蚀规律对腐蚀防护设计很必要。

3、充分利用已有的腐蚀防护技术，加强多种防护技术的组合使用，发展新型表面腐蚀防护技术。

舰船用金属材料的腐蚀防护是一项系统工程，需从选材、表面防腐、环境控制等多方面着手，综合考虑各种防护手段的适用条件及实施的可行性和经济性，采用系统方法来解决舰船用金属材料在海洋环境中的腐蚀问题。

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