耐蚀高熵合金在岛礁装备中的应用

2022-05-24

21世纪是海洋世纪，发展海洋工程装备，建设海洋强国是推进和实施国家海洋战略的重要内容。南海岛礁在巩固领土主权、保护航行安全、维护海洋权益、拓展远程预警方面有着无可替代的重要地位，军事价值十分重要。南沙区域位于中国南海南部海域，属于海洋性热带雨林气候，是典型的高温、高湿、高盐、高辐照的严酷海洋大气环境。资料表明[1,2]，暴露在南海区域的典型金属材料的大气腐蚀速率要远高于青岛、万宁等其他海洋地区，南沙岛礁装备的腐蚀问题严重影响了设备的工作可靠性、安全性以及服役寿命。

我国现役的岛礁装备材料主要为碳钢、不锈钢及铝合金等材料。其中，碳钢的力学性能较好，但其在海洋环境中的耐腐蚀性能较差，一般还需要采用镀层、涂层等方式保护，提升其抗腐蚀能力。然而，在腐蚀介质和应力的共同作用下，材料表面的涂层或镀层容易发生破坏，由于电化学反应，反而加速了材料的腐蚀破坏，无法实现金属材料的长期防腐需求。对于不锈钢材料而言，虽然面心立方结构（奥氏体）的不锈钢（如304不锈钢、316不锈钢等）具备了优异的耐腐蚀能力，可以有效抵抗Cl-的侵蚀，但这类材料强度偏低。如果通过冷加工提高其强度，又会显著降低其抗腐蚀性能和疲劳性能。对于铝合金，由于对与其相接触的金属非常敏感，尤其是与电位较正的金属相接触时，会发生严重的局部腐蚀行为，因此，在严酷的岛礁腐蚀环境中，铝合金难以满足长期服役的需求。

我国对新型耐蚀合金的开发起步较晚，研制水平远远落后于国外先进水平。随着我国对海洋资源开发的不断推进，以及“海上丝绸之路”战略的实施，积极开展新型高性耐蚀合金材料的研制，对提升我国岛礁装备的安全性及服役性能具有重要的意义。

高熵合金，作为近十几年来发展起来的全新合金材料，凭借其优异的综合性能，为我国新型岛礁用结构材料的研制提供了一个新方向。不同于以1种或2种元素为主要组元的传统合金，高熵合金通常被定义为具备4种及以上主要组元的合金体系，并倾向于形成多组元无序固溶体结构。这种特殊的微观结构不仅使得高熵合金更容易兼具各组元的性能特点，还能产生一些独特的效应，如高熵效应、晶格畸变效应、迟滞扩散效应和“鸡尾酒”效应等，使其获得出色的“性能加成”。尤其是，“优秀的耐腐蚀能力”已经成为了高熵合金的一个引人注目的标签[3,4,5,6,7,8]。现有研究表明，以Ti、Zr、Nb、Mo等为主要组元的体心立方结构（BCC）高熵合金和以Co、Cr、Fe、Ni等为主要组元的面心立方结构（FCC）高熵合金在腐蚀介质中均展现出了高腐蚀电位、低腐蚀电流密度、高点蚀电位和宽钝化范围的特性，因而，具备了媲美甚至超越奥氏体不锈钢的耐腐蚀性能[9,10,11,12,13,14]。综合考虑材料密度、强度、韧性以及成本等因素，FCC结构高熵合金显然更适合作为高强度金属的备选材料。基于其巨大的工程化应用前景，国内外已开展大量研究工作，意图开发新型的FCC结构高熵合金体系，并阐明相应的腐蚀机理。

在此基础上，文中针对南海岛礁的腐蚀环境特征，叙述了装备腐蚀特点以及耐蚀高熵合金的研究进展，分析了合金化元素及热处理工艺对耐蚀高熵合金腐蚀性能的影响规律，并归纳了耐蚀高熵合金在岛礁装备中的潜在应用领域，为全面提升我国关键装备在南沙岛礁环境中的服役能力提供理论支撑。