阳极氧化A5052铝合金在长期深海海水暴露下的耐腐蚀性能：面向OTEC热交换器应用

《Journal of Marine Science and Engineering》：Corrosion Resistance of Anodized A5052 Aluminum Alloy Under Long-Term Deep Seawater Exposure for OTEC Applications

　　

为评估以铝替代钛作为海洋温差能发电（OTEC）系统热交换器传热板的可行性，研究人员开展了铝板耐海水腐蚀的调查研究。本研究利用日本久米岛一处运行中的深层海水设施持续供应的深层海水（DSW），进行了长期现场腐蚀试验。将经阳极氧化处理和未经阳极氧化处理的平板A5052铝合金板安装于板式热交换器（PHE）中，在真实流动条件下评估其腐蚀行为，持续12个月。在1、3、6和12个月时对板的腐蚀行为进行评估。结果表明，对于经阳极氧化处理的A5052铝合金板，在整个试验期间未观察到明显的腐蚀。尽管未处理试样上出现了局部腐蚀，但总体质量损失仍然有限。观察到含有无机和有机成分的表面沉积物。未处理A5052的最大腐蚀速率为2.56 × 10^?2 mm/y。总体而言，结果表明在所测试条件下，阳极氧化A5052具有作为OTEC系统传热材料的潜力。

研究背景方面，海洋温差能发电（OTEC）系统通常采用板式热交换器（PHE），其成本约占OTEC系统建设成本的三分之一，而钛因其耐腐蚀性被视为传热板的最佳材料，但钛制PHE制造成本高昂，亟需替代材料。铝因成本低于钛而受到关注，此前基于夏威夷自然能源实验室（NELHA）的研究确立了A5052和A3003为有前景的候选材料，但也揭示了深层海水（DSW）中点蚀和缝隙腐蚀的持续挑战。已有大量文献研究了铝合金在海水中的腐蚀行为及各种表面处理技术的防护效果，其中阳极氧化因工艺简单、成熟且 industrially practical 而具有吸引力，且研究人员此前的研究已证明阳极氧化铝具有优异的耐氨腐蚀性能。然而，以往研究多集中于静态海水暴露条件下A5052的腐蚀行为，而OTEC热交换器传热面长期处于连续海水流动条件下，因此亟需在流动海水条件下开展长期腐蚀评估。本工作的新颖性在于两方面：（1）研究A5052在一年连续深层海水循环过程中的长期腐蚀行为；（2）评估阳极氧化处理对A5052的保护效果，此前尚未在OTEC热交换器应用相关条件下得到充分研究。

研究人员开展了为期12个月的深层海水流动腐蚀试验，使用安装有经阳极氧化处理和未处理平板A5052试样（350 mm × 100 mm × 3.5 mm）的板式热交换器，海水来自日本冲绳县久米岛冲绳县海洋深层水研究中心OTEC冷凝器下游排放管线，流量约2.7–8 L/min（2.5–7.4 cm/s），入口温度约12.7–16.9 °C。在1、3、6和12个月时取出试样，通过质量测量、数码相机和数字显微镜表面观察、扫描电子显微镜/能量色散X射线光谱（SEM/EDX）元素分析、激光诱导击穿光谱（LIBS）简化元素分析以及傅里叶变换红外光谱（FTIR）腐蚀产物分析等手段进行评价。结论表明：阳极氧化A5052铝合金在一年海水流动后经数码相机和SEM观察未出现表面变化，除12个月试样外无显著质量损失；未处理A5052表面观察到白色粉末状化合物经鉴定为Al(OH)?，表明发生了阳极溶解腐蚀；未处理A5052早在第一个月即出现表面变色和点状局部腐蚀，12个月后未处理试样的质量损失显著大于阳极氧化试样。从工程角度，阳极氧化A5052具有作为OTEC热交换器钛的低成本替代材料的潜力。重要意义在于首次在接近实际OTEC热交换器流动条件下系统评估了阳极氧化A5052的长期耐海水腐蚀性能，为铝合金在OTEC系统中的应用提供了新见解。

关键技术方法方面，本研究采用板式热交换器（PHE）现场流动腐蚀试验装置，深层海水取自日本久米岛冲绳县海洋深层水研究中心OTEC冷凝器下游排放管线，试样为A5052铝合金平板（350 mm × 100 mm × 3.5 mm），阳极化处理按JIS H8601标准执行（硫酸法，阳极氧化层厚度约20–25 μm），在1、3、6和12个月时取样，通过电子天平质量测量计算腐蚀速率，结合数码相机、数字显微镜、SEM/EDX、LIBS和FTIR进行表面形貌观察、元素分析和腐蚀产物鉴定。

研究结果方面，第一，质量减少与腐蚀速率：通过电子天平测量各暴露期试样质量变化并与初始质量比较，得出所有试样质量损失随海水流动时间增加而增大，1至6个月间两种试样质量损失处于同一数量级，但12个月时未处理试样（TFP-2）的质量损失约为阳极氧化试样（TFP-1）的四倍；TFP-1在1和3个月时腐蚀速率较高，6和12个月时降至一半，而TFP-2腐蚀速率6个月后虽有所下降但整体呈上升趋势；TFP-2在12个月时的最大腐蚀速率为2.56 × 10^?2 mm/y，与作者此前研究中未处理A1050的3.07 × 10^?2 mm/y相比低约17%，与Darby报道的A5052海水管道约1.0 × 10^?2 mm/y处于同一数量级。第二，表面状况：通过数码相机和数字显微镜观察，得出TFP-1在整个试验期间未观察到明显表面变化和腐蚀，而TFP-2沿垫片槽出现白色沉积物，经FTIR分析鉴定为Al(OH)?（520 cm^?1处Al-OH振动峰、3200–3500 cm^?1处羟基宽吸收带、2350 cm^?1处CO?吸收峰），沿垫片槽观察到局部连续腐蚀，认为是垫片与铝表面之间滞留海水导致的缝隙腐蚀，与Makai Ocean Engineering报道的DSW环境中严重缝隙腐蚀一致；此外在腐蚀铝合金表面观察到白色半透明沉积物，LIBS初步元素分析表明为有机化合物。第三，表面化学分析：通过SEM/EDX分析，得出TFP-1表面呈现多个凹陷（认为系阳极氧化封孔处理所致），仅检测到源自试样和阳极氧化铝组成的元素，未观察到腐蚀产物；TFP-2表面呈现含大量裂纹的结晶层，EDX检测到O、Mg、Si和Ca，与Diderot等对A5083生物矿化膜的研究结果一致，LIBS分析检测到有机成分（C: 50.3%, O: 41.7%, H: 8.0%），但本研究未直接研究该层的生物来源和形成机制，生物矿化仅作为潜在解释而非确认机制讨论。

讨论部分总结：本研究通过一年海水流动实验确定了表面处理对A5052铝合金在海水中腐蚀行为的影响。阳极氧化A5052在一年海水流动后未见表面变化且除12个月试样外无显著质量损失，但12个月阳极氧化试样出现显著质量下降，其机制未能阐明。未处理A5052表面出现Al(OH)?白色粉末状化合物及点状局部腐蚀，但前6个月两种试样质量损失相近，12个月后未处理试样质量损失显著更大。虽观察到含Mg、Ca和Si的表面沉积物，但其形成机制及对腐蚀防护的贡献未能确定。研究局限性包括：未与钛和STS316进行对比评价，未进行点蚀深度测量、剩余壁厚和截面分析等局部腐蚀定量表征，因此阳极氧化A5052的抗穿孔性能不能确定。未来研究应包括与传统热交换器材料的对比测试、电化学测量和局部腐蚀定量评估。研究结论翻译如下：（1）阳极氧化A5052铝合金在一年海水流动后经数码相机和SEM观察未出现表面变化，此外除12个月试样外无与腐蚀相关的显著质量损失。（2）对于12个月阳极氧化铝试样，观察到显著质量下降，但根据本研究获得的数据无法阐明该质量损失的机制。（3）在未处理A5052表面，观察到经鉴定为Al(OH)?的白色粉末状化合物附着，表明腐蚀通过铝从表面的阳极溶解发生。（4）对于未处理A5052，早在第一个月即观察到表面变色和点状局部腐蚀，类似表面退化在后续试样中持续出现；然而未处理和阳极氧化试样在前6个月暴露期间质量损失量级相近，12个月后未处理试样质量损失显著大于阳极氧化试样；虽观察到含Mg、Ca和Si的表面沉积物，但其形成机制及对腐蚀防护的贡献无法从本研究中确定。结果表明阳极氧化提高了A5052在长期深层海水暴露条件下的耐腐蚀性，但12个月阳极氧化试样中观察到的相对较大质量损失表明阳极氧化层的长期退化行为需进一步研究。从工程角度，阳极氧化A5052具有作为OTEC热交换器钛的低成本替代材料的潜力，此外作者此前的工作已证明阳极氧化铝在OTEC蒸发器中具有改善的传热性能。然而本研究仅使用实验室规模热交换器评估了腐蚀行为，传热性能、压力损失、抗泄漏性、可维护性和长期涂层稳定性等重要因素未予考察。