铝添加对铜镍合金微观结构及抗冲刷腐蚀性能的协同增强机制研究

为解决海洋工程中铜镍合金在动态海水环境下的腐蚀失效问题，研究人员通过系统研究Al添加对Cu-10Ni-1.8Fe-0.8Mn合金微观结构、力学性能及抗冲刷腐蚀性能的影响，发现3 wt% Al的添加使合金极限抗拉强度提升32.9%，腐蚀速率降低78.1%，并揭示了Al2O3在腐蚀产物膜中的关键保护作用。该研究为设计高性能海洋用铜镍合金提供了新思路。

　　

在波涛汹涌的海洋环境中，船舶管道系统长期承受着海水冲刷与电化学腐蚀的双重考验。铜镍合金因其优异的耐海水腐蚀性能成为首选材料，但其传统组分在动态海洋环境中的腐蚀防护机制存在明显短板——Fe元素过量会导致晶界析出相增多，而Mn的协同作用尚未完全克服材料在机械-化学耦合作用下的失效风险。更棘手的是，现有研究多聚焦静态腐蚀条件，与真实海洋环境中的冲刷腐蚀工况存在显著差异。

针对这一难题，中国的研究团队创新性地将Al元素引入Cu-10Ni-1.8Fe-0.8Mn合金体系，通过多尺度表征技术揭示了Al对合金性能的协同增强机制。研究发现，3 wt% Al的添加不仅通过固溶强化和(Ni,Fe)₃Al沉淀相将合金强度提升近三分之一，更使人工海水冲刷条件下的腐蚀速率骤降78%。这项突破性成果发表于《Materials》期刊，为海洋工程材料的研发提供了重要理论依据。

研究团队采用真空熔炼制备B10（无Al）与B10-Al合金，通过热挤压-冷拔-退火工艺获得标准试样。利用电子背散射衍射(EBSD)分析晶界特征分布，透射电镜(TEM)表征析出相结构，原子力显微镜(AFM)测量相间电位差。冲刷腐蚀测试在自制循环海水装置中进行21天，结合电化学阻抗谱(EIS)和Mott-Schottky分析评估膜层特性，X射线光电子能谱(XPS)解析腐蚀产物化学状态。

【微观结构分析】
EBSD结果显示Al使特殊晶界比例提升7.21%，显著抑制晶间腐蚀扩展。TEM证实Al促成纳米级(Ni,Fe)₃Al相析出（平均尺寸0.28 μm），AFM显示其与基体电位差仅15 mV，避免了显著微电偶腐蚀。

【力学与腐蚀性能】
B10-Al合金抗拉强度达399 MPa，较B10提高32.9%。冲刷腐蚀速率降至0.0632 mm/a，显微划痕测试显示腐蚀膜结合力提升47%（临界载荷6.41 N）。

【腐蚀产物膜特性】
三维分层结构分析揭示：外层为含Fe化合物的疏松CuO（厚度~5 μm），中层为Al₂O₃强化的致密Cu₂O（缺陷浓度3.6×10¹⁹ cm^-3），内层为富Ni的Cu₂O。XPS证实Al₂O₃占比达11.7%，显著降低膜层孔隙率。

【电化学行为】
EIS拟合表明B10-Al总膜电阻(R_t)达10.37 kΩ·cm²，为B10的1.8倍。Mott-Schottky曲线证实Al使Cu₂O膜由p型半导体特性增强， acceptor浓度降低22%。

这项研究创新性地阐明了Al在铜镍合金中的三重作用机制：通过降低堆垛层错能增加特殊晶界比例，形成电化学惰性的(Ni,Fe)₃Al强化相，以及在腐蚀膜中构建Al₂O₃屏障层。特别值得注意的是，Al促进的"三明治"结构腐蚀膜——外层CuO拦截机械冲击、中层Al₂O₃阻断离子渗透、内层富Ni Cu₂O保护基体，这种分级防护策略为恶劣海洋环境下的材料设计提供了范式转变。Yi Yuan等作者的工作不仅解决了传统铜镍合金在动态腐蚀环境中的性能瓶颈，其提出的"成分-结构-性能"协同调控思路更可拓展至其他海洋工程材料的研发领域。