氨燃料燃烧环境下船用发动机缸套材料的腐蚀行为与机理研究

《Corrosion Communications》：Corrosion behavior of marine engine cylinder liner materials in simulated environment of ammonia fuel combustion products

本研究针对氨作为零碳燃料在航运业应用中可能加剧发动机缸套材料腐蚀的问题，通过高温高压模拟实验，揭示了灰铸铁在氨燃烧产物环境中的复杂腐蚀机制。研究发现氨浓度对腐蚀行为具有双重影响：低浓度促进保护性钝化膜形成，而高浓度则因形成Fe(NH3)n2+络合物加速局部腐蚀。该研究为氨燃料发动机的腐蚀防护提供了重要理论依据。

　　

随着航运业承担全球80%以上的贸易运输量，其温室气体排放占比也达到2.89%，推动行业绿色转型刻不容缓。氨燃料因其零碳特性、储运便利性和高抗爆性等优势，成为船舶动力系统脱碳的最具前景选择。然而，氨燃烧产生的未燃尽NH₃等含氮化合物具有强腐蚀性，可能加速发动机关键部件（特别是缸套材料）的失效，这成为氨燃料规模化应用亟待解决的技术瓶颈。

为探究这一难题，中国科学院金属研究所的研究团队在《Corrosion Communications》发表了创新性研究。他们通过构建高温高压模拟系统，首次系统揭示了灰铸铁在氨燃料燃烧产物环境中的腐蚀演化规律与微观机制。

本研究主要采用了高温高压腐蚀模拟、扫描电子显微镜(SEM)、X射线光电子能谱(XPS)、扫描开尔文探针显微镜(SKPM)和电化学测试等关键技术方法。实验材料为上海船用柴油机研究所提供的船用发动机缸套灰铸铁，通过在3升高压釜中模拟220℃、2.5MPa的实际工况环境，利用电阻探针实时监测腐蚀动力学过程。

3.1 微观结构

研究显示灰铸铁由珠光体基体、片状石墨和三元磷共晶组成。扫描开尔文探针分析表明，片状石墨的工作函数显著高于珠光体，形成以珠光体为微阳极、石墨为微阴极的腐蚀电偶。B型石墨因聚集分布形成更大阴极面积，导致其周边基体腐蚀程度显著高于分散的A型石墨。

3.2 腐蚀行为

氨浓度对腐蚀速率呈现先降后升的规律：在无氨环境下腐蚀速率为0.054 mm/a，产物以疏松的α-Fe₂O₃和FeOOH为主；当氨浓度升至0.8 vol.%时，腐蚀速率降至0.018 mm/a，表面形成致密钝化膜；而浓度增至3.2 vol.%后，腐蚀速率反弹至0.020 mm/a。实时监测显示高氨环境下腐蚀速率在20小时后出现异常波动，暗示络合反应主导的加速腐蚀机制。

3.3 电化学测试

动电位极化曲线揭示氨的双重作用：低浓度(0.2-0.8 mol/L)使自腐蚀电流密度降至0.27-0.64 μA/cm²，材料进入稳定钝化区；而高浓度(1.5 mol/L)导致钝化电流密度骤增至22.51 μA/cm²，表明钝化膜溶解加速。微观形貌证实高氨环境下腐蚀产物在石墨边缘显著聚集。

讨论部分深入阐释了腐蚀机理：在氨燃烧环境中，腐蚀起始于铁阳极溶解和氧阴极还原的耦合反应。低浓度氨通过吸附在铁活性位点促进Fe₃O₄/Fe₂O₃/FeOOH三层钝化膜形成；而当氨浓度超过0.8 mol/L时，NH₃与Fe²⁺形成可溶性Fe(NH₃)_n²⁺络合物，破坏钝化膜稳定性，引发局部腐蚀加剧。XPS氮元素分析直接检测到高氨环境下特征络合物峰位，为机理推断提供了实验证据。

该研究明确了灰铸铁在氨燃料环境中的腐蚀临界浓度窗口，为船用发动机材料选型与氨燃料浓度控制提供了理论指导。通过建立微观结构-腐蚀电化学-产物表征的关联体系，不仅深化了对氨腐蚀机理的认识，更为航运业碳中和目标下氨燃料发动机的可靠性设计奠定了科学基础。