从铝合金在海洋大气区、浪花飞溅区和海水全浸区的腐蚀行为可知,铝合金在海洋环境中的腐蚀以点蚀、晶间腐蚀和剥落腐蚀为主。由于海洋工程装备的服役环境较复杂,因此铝合金在外界条件干扰下还会发生其他类型的腐蚀,如应力与腐蚀环境耦合而引发的应力腐蚀、冲刷腐蚀、腐蚀疲劳等;铝合金与其他不同材料接触时因电位差不同导致的电偶腐蚀;由海水中活性生物引起的微生物腐蚀等[65]。根据腐蚀发生的频率和危害性,下面对海洋工程用铝合金的应力腐蚀和微生物腐蚀进行详细介绍。
应力腐蚀开裂(SCC)指在腐蚀环境中,金属或合金材料由于内部裂纹扩展,造成完整材料突然发生脆断的现象。裂纹扩展是一个长期的过程,由于脆断是毫无预兆的,因此易出现巨大的灾难和财产损失[66]。前文提到,7系铝合金具有高强韧特性,是海洋工程承力构件的常用材料,也是遭受应力腐蚀危害最深的一类铝合金。Wang等[67]研究了2024铝合金和7075铝合金在含Cl-的溶液和薄液膜中的SCC行为,以此模拟铝合金在海水和海洋大气环境下的腐蚀。结果表明,2024铝合金在薄液膜中的腐蚀破坏和SCC敏感性比溶液中更严重,而7075铝合金虽在薄液膜环境下的腐蚀情况较严重,但SCC敏感性却比在溶液中轻。铝合金表面发生阳极溶解会产生缺陷,促进溶液中氢的放电、渗入和脆化,在应力、阳极溶解和氢脆的协同作用下7075铝合金在溶液中的SCC敏感性最大。吴建山等[68]对Al-Zn-Mg合金在不同加载方向下的SCC行为进行了研究,加载方向设置为横向和纵向。结果表明,横向试样在312 h时发生断裂,纵向拉伸试样在360 h时仍未发生断裂,并且在横向试样处测得的腐蚀电流密度是纵向试样的5倍,可见7系铝合金在纵向拉伸时的抗应力腐蚀能力较强。
海水中的微生物腐蚀是困扰铝合金结构安全稳定的另一大难题,海洋中常见的微生物种类有硫酸盐还原菌(SRB)、铁氧化菌(FOB)、产酸菌(APB)等[69,70]。SRB作为一类厌氧微生物,常寄生于海洋油气工程管道内部和海底海泥区,对海洋工程金属构件的腐蚀危害较大[71,72]。针对SRB在海洋工程用钢腐蚀行为的研究较多,其作用机理为H2S或其他酸性代谢产物改变了基体表面的局部环境,SRB代谢过程中会消耗阴极氢,导致腐蚀加速[73]。目前,微生物对铝合金腐蚀行为的影响逐渐受到学者们的关注。Andrade等[74]和Guan等[75]都对海洋常用的5052铝合金的SRB腐蚀行为进行了研究,有趣的是两者的实验结果大不相同,前者认为SRB分泌的胞外聚合物(EPS)在铝合金表面形成了具有保护作用的生物膜,使其较未含SRB体系的腐蚀速率有所降低;后者认为SRB的代谢产物HS-与阳极溶解的Al3+形成了Al2S3,然后水解形成了Al(OH)3,这一过程加速了铝的阳极溶解。阴极产生的氢气易被SRB捕获和利用,使其代谢活性增加,因此SRB通过影响阴、阳极反应加速了铝合金的腐蚀。后来,Guan等[76]再次对5052和Al-Zn-In-Cd铝合金的SRB腐蚀行为进行了对比分析,结果与先前保持一致,只是Al-Zn-In-Cd铝合金的耐蚀性能较好,原因是Zn元素的加入起到了杀菌效果。从以上文献看出,海洋环境中微生物对铝合金腐蚀的作用机理观点尚未一致,且研究并不系统。目前,铝合金在海水淡化、海洋油气开发装备等海洋工程领域用量不断增多,为了避免其遭受更严重的破坏,对微生物腐蚀的研究已迫在眉睫。