舱外设备箱体模拟海洋大气环境中的加速腐蚀试验与结果分析

朱玉琴 1,2* ，李佳蒙 1,2 ，代璐 1,2 ，王莞 1,2 ，张薇 1

（1.西南技术工程研究所，重庆  400039；  2.环境效应与防护重庆重点实验室，重庆  400039）

摘要： 目的 研究模拟海洋大气环境对舱外设备箱体腐蚀行为的影响，为快速评价舱外设备箱体原材料、原  结构、原表面技术状态改进优劣提供技术和方法支撑。 方法 根据 XX 舱外设备箱体实际服役环境剖面、腐  蚀损伤状况， 制定含海水模拟、湿热、维护保养及检查阶段等 3 个模块的实验室模拟海洋大气环境加速谱， 运用外观、扫描电镜（SEM）、金相显微镜、X 射线能谱（EDS）等表征技术，研究设备箱体在 12 个循环周  期的宏微观形貌和腐蚀产物元素含量分布，并对标准金属铝和钢的同步实验室试验与 XX 近海户外自然环境  下的腐蚀效应进行对比。结果  12 个循环周期结束后， 底座铝合金严重腐蚀，呈现明显的晶间腐蚀， 并产生  大量腐蚀产物，腐蚀产物主要含有 O、Na、Al、Si、Cl、Ca 、Mn 、Fe 等元素，其腐蚀形貌及程度与实际服  役 5 a 的底座一致。标准金属铝和钢加速试验 120 d 的腐蚀效应分别等效 XX 近海大气试验 4.65 a和 10.57 a。 结论  海水模拟、湿热、维护保养及检查阶段等 3 个模块的实验室模拟循环试验能较好地模拟 XX 舱外设  备箱体经历的环境，  其腐蚀与实际服役环境下的腐蚀程度相近，  实现了基于短期内完成 3~5 a 的海洋运行  验证。

关键词： 舱外设备箱体；模拟海洋大气环境；腐蚀损伤；加速性

中图分类号： TG172               文献标志码： A               文章编号：  1672-9242(2024)01-0096-09

DOI：10.7643/ issn.1672-9242.2024.01.013

Accelerated Corrosion Test and Result Analysis of Extracurricular Equipment Box in Simulated Marine Atmospheric Environment

ZHU Yuqin1,2*, LI Jiameng1,2, DAILu1,2, WANG Wan1,2, ZHANG Wei1

(1. Southwest Institute of Technology and Engineering, Chongqing 400039, China;

2. Chongqing Key Laboratory for Environmental Effect and Protection, Chongqing 400039, China)

ABSTRACT: The work aims to investigate the impact of simulated marine atmospheric environment on the corrosion be- havior of extravehicular equipment cabin, in order to provide technical and methodological support for quickly evaluating the improvement of raw materials, structures, and surface technical conditions of extravehicular equipment cabin. Based on the actual service environment profile and corrosion damage status of the equipment box outside the XX cabin, a laboratory simulated marine atmospheric environment acceleration spectrum was developed with three modules: seawater simulation,

收稿日期：  2023-10-17； 修订日期：  2023-11-27

Received ：2023-10-17； Revised ：2023-11-27

引文格式： 朱玉琴 ,  李佳蒙 ,  代璐,  等 .  舱外设备箱体模拟海洋大气环境中的加速腐蚀试验与结果分析[J].  装备环境工程 ,  2024,  21(1): 96-104.

ZHU Yuqin, LI Jiameng, DAI Lu, et al.  Accelerated Corrosion Test and Result Analysis of Extracurricular Equipment Box in Simulated Marine Atmospheric Environment[J]. Equipment Environmental Engineering, 2024, 21(1): 96-104 .

*通信作者（Corresponding author）

humid heat, maintenance and inspection stage. Characterization techniques such as appearance, scanning electron microscopy (SEM), metallographic microscopy, and X-ray energy dispersive spectroscopy (EDS) were used to study the macroscopic and microscopic morphology of the equipment box and the distribution of corrosion product element content over  12 cycle peri- ods, and compare the corrosion effects of standard metal aluminum and steel through synchronous laboratory tests and out- door natural environments near XX offshore. After 12 cycles, the aluminum alloy on the base was severely corroded, pre- senting obvious intergranular corrosion and producing a large amount of corrosion products composed of O, Na, Al, Si, Cl, Ca, Mn, and Fe elements, and their corrosion appearance and degree were similar to the base after 5 years of service. After 120 days of cyclic testing, the corrosion effects of standard metal aluminum and steel were equivalent to those of 4.65 and 10.57 years of XX offshore atmospheric test. In the laboratory simulated marine atmospheric environment cycling test of three modules, namely  seawater simulation, humidity and heat, maintenance and inspection, the corrosion degree of the equipment box outside the cabin is similar to that in the actual service environment, achieving a short-term completion of 3-5 years of marine operation verification.

KEYWORDS: cabin equipment box; simulating marine atmospheric environment; corrosion damage; acceleration

近年来，我国机载装备和舰载装备在沿海、岛礁 上使用时，  出现环境损伤的情况越来越多[1-4] 。如何 在实验室模拟海洋加速环境下重现这些装备结构产 品的主要腐蚀损伤形态， 完成短时间验证， 同时验证 总成级产品和分机级产品优化改进后的防腐措施显 得迫在眉睫。

刘元海等 [5-7] 进行了典型大气环境加速腐蚀试 验环境谱研究，给出了各环境模块参数确定方法及 加速谱构成。张泰峰等[8-10]研究了海洋环境下材料结 构产品的腐蚀行为。但如何根据装备实际服役剖面 和损伤形态，在实验室海洋加速环境下重现装备主 要的腐蚀损伤形态，并根据自然环境试验进行腐蚀 效应等效耐受腐蚀时间目前鲜有报道。本文针对 XX 某舱外设备的实际服役剖面和损伤状态，制定该舱 外设备模拟海洋大气环境的实验室加速循环试验 谱， 开展 12 周期的循环试验， 从宏微观层次深入揭 示舱体底座的失效行为与原因，并根据标准金属的 腐蚀深度判定其加速性，为其典型装备防护工艺优 化验证提供依据。

1  试验

1.1  样品

舱外设备是采用铸造和焊接结合的箱体结构， 组  成包括壳体、底座、天线罩、维修孔口、电缆进线口  等部件装配形成的外壳结构，具体结构如图 1 所示。 其中， 箱体尺寸为 884 mm×906 mm×1 192 mm，试验  件安装在试验托架上。箱体为铸铝 ZL114A ，其余外  露结构件为铝板 5A06，表面微弧氧化处理，喷 TB06-9  丙烯酸底漆、 TH06-23 环氧云铁中间漆及 TS96-61 氟  聚氨酯面漆。底座与底板的结合面缝隙，一半用聚氨  酯填充，  一半用阻尼脂填充。

图 1    箱体结构

Fig.1 Cabin structure

1.2  循环试验方法

针对被试品的服役环境剖面[11]、腐蚀损伤状况及 试验目的，参照 GJB  150.9A[12]和 GJB  150.11A[13] ， 建立实验室加速环境谱。本试验谱由 3 部分组成，分 别为海水模拟阶段、湿热阶段、维护保养及检查阶段 （见图  2 ）。其中，海水模拟阶段、湿热阶段、维护  保养及检查阶段依次经历 1 次为 1 个循环周期， 依据  环境等效原理，3 个循环周期等效海洋大气环境户外 1 a ，试验共 12 个循环周期，则等效海洋大气环境户 外 4  a 。考虑到维护保养及检查阶段中间时间可能的 延迟性及试验环境量值极值确定原则，本试验达到的 目的是 12 个循环周期等效海洋大气环境户外 3~5 a。

在保证腐蚀机理一致的前提下， 为了提高加速倍 率， 在第 9 周期后， 对加速环境谱进行了调整，将海 水模拟阶段的静置时间从 5  h 减小至2  h，其他试验 条件不变。同时， 在相同环境下放置钢、铝 2 种标准 金属， 通过整个试验周期的标准金属加速性来判定整 个试验谱的加速性。

图 2    加速环境谱

Fig.2 Acceleration environmental spectrum

2  结果与讨论

2.1  箱体底座腐蚀后的宏微观形貌

2.1.1  宏观形貌

在 1~7 周期试验中，  箱体底座基本完好。第 8 周 期试验后，箱体底座涂阻尼脂侧面，以及箱体背面底 座出现大量腐蚀产物。在后续试验中， 腐蚀产物逐渐 增多，见图 3~4。

第 12 周期试验结束后， 去除底座腐蚀产物，发 现铝合金腐蚀严重，如图 5~6 所示。

阻尼脂容易干涸， 形成裂缝， 溶液进入裂缝， 使  底座涂层破坏，铝合金腐蚀。铝合金和托盘钢板的腐  蚀产物堆积在铝合金表面，容易吸附溶液。同时，  腐  蚀产物隆起，高于底座与钢板的界面，阻碍溶液排出。 因此，沿阻尼脂填充的界面发生严重的腐蚀。

图 3    箱体底座腐蚀检查位置

Fig.3 Location for corrosion inspection of cabin base

图 4    试验结束后箱体底座形貌

Fig.4 Morphology of cabin base after the test

图 5    试验结束后箱体背面底座形貌（去除腐蚀产物）

Fig.5 Morphology of cabin base on the back after the test (after removal of corrosion product)

图 6    试验结束后箱体底座涂阻尼脂侧形貌（去除腐蚀产物）

Fig.6 Morphology of the side of the cabin coating with damping

grease after the test (after removal of corrosion product)

2.1.2  底座腐蚀后的微观形貌

对  1 、2 、3  号位置取样，进行微观表征，如图 7~9 所示。

箱体采用的铝合金牌号为 ZL114A ，为铝-硅-镁 系高强度铸造铝合金。根据 GB/T  1173 ，ZL114A 铝 合金的主要成分见表 1。

与 ZL104 铝合金相似，ZL114A 铝合金具有高含 量的 Si 元素，在基体内部形成了大量的共晶硅。从

图 7     1 号位置腐蚀微观形貌

Fig.7 Microscopic morphology of corrosion at position 1: a) surface morphology; b) cross-sectional morphology

图 8    2 号位置腐蚀微观形貌

Fig.8 Microscopic morphology of corrosion at position 2: a) surface morphology; b) cross-sectional morphology

图 9    3 号位置腐蚀微观形貌

Fig.9 Microscopic morphology of corrosion at position 3: a) surface morphology; b) cross-sectional morphology

表 1  ZL114A 铝合金化学成分（质量分数，%）

Tab.1 Chemical composition of ZL114A (mass fraction, %)

图 7~9 可见， 1 、2 、3 号位置的腐蚀形貌相似。铝合  金基体向内部腐蚀的过程中， 共晶硅周围的铝合金基  体优先腐蚀溶解， 形成的腐蚀通道沿着共晶硅表面不  断向基体内部延伸， 导致铝合金基体一边溶解，一边  被分割。在宏观上表现为，靠近基体表面的铝合金  变得疏松，  在外力作用下容易散落成颗粒，而铝合  金基体溶解产生的  Al3+沿着腐蚀通道向外迁移，在  基体外表面形成腐蚀产物。箱体底座长期积存溶液， 并且溶液流动大，容易带走  Al3+ ，对铝合金腐蚀阳极反应的去极化作用明显，对铝合金溶解起到了加 速作用[14-20]。

2.2  箱体底座腐蚀产物 X 射线能谱分析

从图 4 中可以发现，  1 、2 、3 号位置的腐蚀产物 均由灰色和棕黄色腐蚀产物组成。由于腐蚀产物中非 晶体含量较高，无法采用 XRD 进行物相分析， 取 2 种颜色的腐蚀产物进行 X 射线能谱分析[21-24]。

1 号位置腐蚀产物的 X 射线能谱见图 10~ 图 11， 腐蚀产物的元素含量见表 2。

表 2 中，1 号位置灰色腐蚀产物主要含有 O、Na、 Al 、Si 、Cl 、Mn 、Fe  元素； 棕黄色腐蚀产物主要含  有 O、Na、Al、Cl、Ti、Fe 元素。箱体材料为 ZL114A   铝合金，  主要成分中不含 Fe 元素，托盘与箱体的接触面为钢板， 而试验过程中海水模拟阶段使用的溶液 为 NaCl 溶液，湿热阶段使用的溶液为纯水。因此， 推测腐蚀产物中的元素来源于铝合金中的 Al 、Si、Ti 等元素，  托盘钢板中的 Fe 、Mn 元素，以及 NaCl 溶 液中的 Na 、Cl 元素。

图 10    1 号位置灰色腐蚀产物 X 射线能谱

Fig.10 X-ray energy spectrum of gray corrosion products

at position 1

图 11    1 号位置棕黄色腐蚀产物 X 射线能谱

Fig.11 X-ray energy spectrum of brownish yellow

corrosion products at position 1

表 2  1 号位置腐蚀产物元素含量

Tab.2 Element content of corrosion product at position 1

2 号位置腐蚀产物的 X 射线能谱见图 12~ 图 13， 腐蚀产物的元素含量见表 3。

图 12    2 号位置灰色腐蚀产物 X 射线能谱

Fig.12 X-ray energy spectrum of gray corrosion products at

position 2

图 13    2 号位置棕黄色腐蚀产物 X 射线能谱

Fig.13 X-ray energy spectrum of brownish yellow corrosion

products at position 2

表 3  2 号位置腐蚀产物元素含量

Tab.3 Element content of corrosion product at position 2

从表 3 中可以看出，  2 号位置灰色腐蚀产物主要  含有 O、Na、Al 、Si 、Cl 元素； 棕黄色腐蚀产物主要  含有 O 、Na 、Al 、Cl 、Ca 、Mn 、Fe 元素。推测腐蚀  产物中的元素来源于铝合金中的 Al 、Si 元素，托盘  钢板的 Fe 、Mn 、Ca 元素，以及 NaCl 溶液中的 Na、 Cl 元素。

3 号位置腐蚀产物的 X 射线能谱见图 14~ 图 15， 腐蚀产物的元素含量见表 4。

图 14    3 号位置灰色腐蚀产物 X 射线能谱

Fig.14 X-ray energy spectrum of gray corrosion products at

position 3

图 15    3 号位置棕黄色腐蚀产物 X 射线能谱

Fig.15 X-ray energy spectrum of brownish yellow corrosion

products at position 3

表 4  3 号位置腐蚀产物元素含量

Tab.4 Element content of corrosion product at position 3

表 4 中，3 号位置灰色腐蚀产物主要含有 O、Na、 Al 、Cl 、Fe 元素；棕黄色腐蚀产物主要含有 O 、Al、 Cl 、Fe  元素。推测腐蚀产物中的元素来源于铝合金  中的 Al 元素，托盘钢板中的 Fe 元素，以及 NaCl 溶  液中的 Na 、Cl 元素。

通过对上述 3 处位置腐蚀产物能谱分析，推测腐 蚀产物大部分为箱体铝合金腐蚀产生，少量为托盘钢 板腐蚀产生。

2.3  加速试验与实际服役后腐蚀损伤形态 对比

对比加速试验 12 个循环周期后箱体设备底座腐 蚀形貌和在实际服役环境下服役 5 a 后该箱体的底座 形貌，见图 16~17。

图 16    加速试验后的底座形貌

Fig.16 Morphology of the base after accelerated test

图 17    实际服役 5 a 后的底座形貌

Fig.17 Morphology of the base after actual

service of 5 years

加速试验后的底座形貌与实际服役  3~5  年的底  座形貌相似， 底座涂层大部分发生破坏，铝合金腐蚀  严重， 产生大量腐蚀产物。箱体底座直接与托盘钢板  接触，之间存在缝隙，盐溶液进入缝隙后不容易排出， 涂层长期受到盐溶液侵蚀。渗入涂层的介质在环境应  力的联合作用下， 可促使微裂纹尖端扩展， 甚至产生  开裂。随着介质抵达铝合金基体，将使铝合金发生化  学或电化学反应， 反应生成物体积大于被溶解的金属  体积， 使涂层从基体上分离，引起涂层鼓泡。当泡内  压力达到某一临界值时， 将使涂层破裂，从而引起全  面的失效。随着试验进行，底座被 Cl －渗透的面积逐  渐扩大，腐蚀面积增大，涂层破坏面积增大。

2.4  标准金属加速性分析

在本加速试验各试验周期中， 标准金属铝、钢的 平均腐蚀深度见表 5 。XX 近海大气环境中，  标准金 属铝、钢的平均腐蚀深度见表 6。

标准金属试样在腐蚀过程中形成的腐蚀深度- 时  间曲线是一个腐蚀深度逐渐增大， 斜率（腐蚀速率） 逐渐增大或减小的过程，通常采用经验公式幂函数  y=axb 进行拟合。式中，系数 a 、b 与腐蚀速率相关，  当腐蚀速率逐渐增大时， b>1；当腐蚀速率逐渐减小  时， b<1[25]。

表 5  经过各周期试验后标准金属的平均腐蚀深度

Tab.5 Average corrosion depth of standard metal after each cycle of test

μm

表 6  XX 近海大气环境下标准金属的腐蚀深度

Tab.6 Corrosion depth of standard metal in XX offshore

atmospheric environment

2.4.1  铝的加速性分析

通过表 5 、表 6 数据绘制本加速试验中和 XX 近 海大气环境中铝的腐蚀深度- 时间曲线，采用幂函数 y=axb    进行拟合，见式（ 1 ）~式（ 2 ）。

yA1  = 0.034 94 . t1(1.115) 31   ，r2=0.782                          ( 1)

yA2  = 0.165 73 . t2(0.508) 68   ，r2=0.763                          (2)

式中： yA1 为加速试验中铝的腐蚀深度，μm；yA2 为 XX 近海大气环境下铝的腐蚀深度，μm；t1 为加速

试验时间， d ；t2 为 XX 近海大气环境试验时间， d。

根据式（ 1 ）、式（ 2 ），取不同的腐蚀深度，计算 得到相应的加速试验和 XX 近海大气环境所需时间， 见表 7。

表 7  XX 近海大气环境和加速试验中铝达到

相同腐蚀深度所需时间

Tab.7 Time required for aluminum to reach the same

corrosion depth in XX offshore atmospheric environment

and accelerated test

取 XX 近海大气试验时间 t2 为 1 095 d（ 3 a ）和 1 825 d（ 5 a ），计算达到相同腐蚀深度时，加速试验 所需时间，见表 8。

表 8  XX 近海大气试验 1 095 d（3 a）、1 825 d（5 a）

与加速试验等效时间

Tab.8 Equivalent time of 1 095 d (3 a) and 1 825 d (5 a) for

XX offshore atmospheric environment and accelerated test

以加速试验时间 t1 为横坐标， 以达到相同腐蚀深 度的 XX 近海大气环境试验时间 t2 与加速试验时间 t1 的比值 t2/t1 为纵坐标作图，见图 18。

图 18    铝的加速转换因子-加速试验时间 tB  曲线

Fig.18 tB curve of aluminum acceleration conversion factor

and accelerated test time

对图 18 进行回归分析， 得到加速转换因子（ ASF ） 随加速试验时间 t1  的变化规律，见式（ 3 ）：

ASF  = 0.046 87 . t11.192 56  ，r2=1                                  (3)

式中： ASF 为加速试验相对于 XX 近海大气试验 的加速倍率。

2.4.2  钢的加速性分析

通过表 5~表 6 数据绘制本加速试验中和 XX 近 海大气环境中钢的腐蚀深度- 时间曲线，采用幂函数 y=axb    进行拟合，见式（ 4 ）、式（ 5 ）。

yS1  = 0.192 05 . t1(1.616) 35   ，r2=0.952                           (4)

yS2  = 0.246 23 . t2(0.906) 98   ，r2=0.990                          (5)

式中： yS1 为加速试验中钢的腐蚀深度， μm；yS2 为 XX 近海大气环境下钢的腐蚀深度，  μm；

根据式（ 4 ）、式（ 5 ），取不同的腐蚀深度，计算 得到相应的加速试验和 XX 近海大气环境所需时间， 见表 9。

表 9  XX 近海大气环境和加速试验中钢达到

相同腐蚀深度所需时间

Tab.9 Time required for steel to reach the same corrosion

depth in XX offshore atmospheric environment and

accelerated test

取 XX 近海大气试验时间 t2 为 1 095 d（ 3 a ）和 1 825 d（ 5 a ），计算达到相同腐蚀深度时，加速试验 所需时间，见表 10。

表 10  XX 近海大气试验 1 095 d（3 a）、1 825 d

（5 a）与加速试验等效时间

Tab.10 Equivalent time of 1 095 d(3 a) and 1 825 d(5 a) for

XX offshore atmospheric environment and accelerated test

以加速试验时间 t1 为横坐标， 以达到相同腐蚀深 度的 XX 近海大气环境试验时间 t2 与加速试验时间 t1 的比值 t2/t1 为纵坐标作图，见图 19。

对图 19 进行回归分析， 得到加速转换因子随加 速试验时间 t1  的变化规律，见式（ 6 ）。

图 19    钢的加速转换因子-加速试验时间 t1  曲线

Fig.19 t1 curve of steel acceleration conversion factor

and accelerated test time

ASF  = 0.760 33 . t1(0.782) 12   ，r2=1                                 (6)

从图 18~19 和式（ 3 ）、式（ 6 ）中可以看出，  加  速试验的初始加速倍率较小， 随试验时间增加，加速  倍率增大。对于铝，加速试验 98 d，等效 XX 近海大  气试验 3 a；加速试验 120 d，等效 XX 近海大气试验  4.65 a 。对于钢，加速试验 59  d，等效 XX 近海大气  试验 3 a；加速试验 79 d，等效 XX 近海大气试验 5 a； 加速试验 120 d，等效 XX 近海大气试验 10.57 a。

3  结论

1 ）加速试验后铝合金呈现明显的晶间腐蚀，铝 合金腐蚀严重，并产生大量腐蚀产物。

2 ）加速试验后的设备箱体底座形貌与实际服役 5 a 的底座形貌相似，底座涂层大部分发生破坏。

3 ）通过对比铝、钢 2 种标准金属在本加速试验 和 XX 近海大气环境中的腐蚀深度， 铝、钢加速试验 120 d  的腐蚀效应分别等效 XX  近海大气试验 4.65 a 和  10.57 a ，说明该加速试验谱的制定能够满足实际 运行 3~5 a 的加速倍率要求。

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