海洋是人类生存与发展的资源宝库和空间,海洋经济正成为全球经济新的增长点。随着我国建设海洋强国战略的确立,海洋资源的加快开发,沿海经济的飞速发展,海洋用新材料产业已经成为当今科技创新最为活跃的领域之一。
开发海洋需要各种装备,而装备功能的实现依赖于材料技术。海洋和陆地不同,海水与海洋大气中含有的氯化物和硫化物,对机械装置材料腐蚀作用很大,而深海海水的强大压力,需要设备结构强度高,否则会出现失效。故海洋工程用设备构件,特别是在深度海水中作业的构件,需要选用比强度高、比韧性好、耐海水腐蚀的材料加工制造。
然而海洋新材料的发展仍然存在着诸多问题,如海洋装备和海洋工程用材料的腐蚀和生物污损问题已经严重制约了我国建设海洋强国的步伐。作为海洋经济新一代高新技术的基础和先导,海洋新材料的研发以及腐蚀防护工作已成为我国在发展中急需解决的重要课题。在海洋材料腐蚀与防护大会上来自国内外的海洋腐蚀与防护领域的100多位专家各抒己见,为我国海洋材料的发展提出了诸多宝贵的建议,分享了多项研究课题与成果。
海洋“奇材”钛合金
钛,被称为“海洋金属”,其具有质轻、高强、无磁、耐蚀等特点,与钢铁、不锈钢、铜、铝等常用材料相比,特别突出的是耐海水和海洋大气腐蚀,是优异的轻型结构材料。在塑性成形、铸造、焊接等方面,与其他常用金属材料一样,可以采用常规的方法进行加工成形,因而使钛材对各类海洋工程具有广泛的适用性,可谓为海洋“奇材”。
西北有色金属研究院副总工程师、科研处处长赵永庆在《海洋模拟环境钛合金的腐蚀行为》的报告中也证明了钛合金在海洋用材料中优于其他金属。为了评价钛合金及其他金属材料和部件在海洋环境中的腐蚀行为,该研究院自主设计和建立了海洋环境试验平台,并通过不同流速的海水及不同金属的实验,在经过不间断的1200小时实验后,对相应的金属材料部件进行解剖分析,最终结果表明,与其他金属材料相比钛合金材料及相应的部件具有优良的耐海水腐蚀能力。
虽然钛材在作为海洋工程用材料中具有很多优异的性能,但也并非全然美好,尚有缺陷。中国科学院宁波材料技术与工程研究所李金龙教授在其《钛金属表面改性及PVD涂层防护技术研究》的报告中说到,钛及其合金虽具有高比强度和优异的耐腐蚀性能,可广泛应用于航空航天和海工装备关键部件等领域,但钛在应用过程中存在的耐磨性能不足及其生物相容性导致的钛部件生物污损严重的问题是阻碍其发展的两个重要因素。
如何解决这两个问题,该所通过采用多种表面改性和涂层技术,对钛进行了表面防护和功能化的研究工作。并通过采用物理气相沉积技术,在钛表面备制耐磨蚀及兼具防生物污损的硬质功能涂层;采用化学表面热处理与PVD涂层的复合技术,制备出适用于高速高载工况条件下钛部件超厚耐磨耦合涂层;采用离子注入保型表面改性技术,在钛表面购置超厚耐磨合超光滑表面耐磨防护改性层等技术,彻底解决了钛材在耐磨性和生物污损的两大缺陷。
海洋“怪材”铝合金
铝的密度低、资源丰富、可成型与加工性好、强度高、抗蚀性强等优益特点,使其在交通、能源、电子等多个领域得到了广泛应用,到目前为止,全世界已经正式注册的铝合金达千种以上,可谓是材料界中的一大“怪材”。
自1981年,瑞士一家造船厂用铝板建造了世界首艘铝合金小船后,铝合金便在海洋工程中开始了广泛的应用。美国早在1933年就用铝合金制造航母、驱逐舰、巡洋舰等的桥楼、甲板舱室、飞机发射架、升降舵、桅杆等装备,而我国也在2012年9月25日交付的首艘航母“辽宁”号中应用了约650吨的铝材。可见目前铝及其合金在海洋工程用材中占据着重要的位置。
在海洋环境中,由于自然环境和气候等原因,铝合金的应用,必须经受着盐、飞溅、浪花以及持续不断的干/湿循环的作用,特别是氯离子的存在。氯离子的存在导致铝合金氧化膜破坏,使铝合金很容易发生点腐蚀、缝隙腐蚀、剥落腐蚀和腐蚀疲劳等问题,从而使铝合金大大缩短了结构的使用寿命。那么,找出铝合金的腐蚀规律、阳极氧化铝合金的大气腐蚀规律等,对解决目前铝及其合金的腐蚀问题有着重要的意义。
北京航空航天大学甘力中教授在其报告《铝及其合金在海洋环境下腐蚀行为研究》中提出了两种铝合金海洋腐蚀研究的方法,包括室内实验及室外暴露。其中室内模拟加速实验方法主要包括湿热试验法、盐雾试验法、周期循环盐雾符合试验法、气体腐蚀试验法、干燥/湿润周浸循环试验法、多因子循环符合腐蚀试验法等。还介绍了对铝合金海洋腐蚀研究的电子化学测试方法及其团队在该领域的最新进展。并通过现有对海洋环境中铝合金腐蚀的防护措施研究的对比,提出了系统的铝合金腐蚀防护措施,为探讨铝合金海洋腐蚀的防护发展趋势提供了方向和可贵的建议。
海洋材料“纵横”时代来临
除了以上两种我们常见的金属材料以外,海洋材料已经形成多学科、多领域的融合模式。此次大会聚集的众多针对海洋材料及工程防腐蚀发展的专题研讨,表明了一个跨行业、多领域的海洋材料工程时代已经来临。
在大会上,专家们围绕海洋腐蚀课题进行了多项研讨,为我国海洋工程及研究打下了一个良好的基础。同时,通过集纳各行业的专家和科研工作者系统的探讨解决海洋材料防腐蚀的关键技术。使我国海洋材料工程的发展进入了大数据时代,使海洋材料及工程能够吸取各方养料,逐步打破发展瓶颈,提高科技创新水平,让我国海洋材料最终走向高端蓝海。