Numerical and Experimental Investigation of Galvanic Corrosion in Coupled AA7025 and SS304L for Marine Applications
本研究结合了解析建模、COMSOL 仿真和实验测试，旨在证明将 AA7025 铝材与 SS304L 紧固件耦合会显著加速其在海洋环境中的腐蚀，同时确定了 Al-5Zn 牺牲阳极是一种有效的缓解策略。
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在造船与海洋工程领域，为了使船舶更轻、更高效，设计师们开始转向使用铝合金。这些金属拥有足以媲美钢材的强度，但重量显著减轻，这使得它们成为减轻船体沉重负担的理想选择。然而，铝有一个弱点：它具有化学活性，在暴露于恶劣的海水环境中时容易发生锈蚀。为了建造功能完备的船舶，工程师必须将这些铝板与其他部件连接，通常使用由不锈钢制成的螺栓和紧固件，因为不锈钢本身具有抗腐蚀性。当两种不同的金属在像海水这样导电的液体中接触时，它们会形成一个隐形的电池。在这种情况下，电阻较小的金属（即铝）会成为牺牲方，其腐蚀速度会比单独存在时快得多，以此来保护更具抗性的不锈钢。准确了解这种过程发生的速率以及金属分解时的形态，对于确保船舶不会遭受过早的结构失效至关重要。
来自埃塞俄比亚国防大学的一个研究小组致力于通过研究一种常见的组合来测量这一特定危险：常用于高强度应用的 AA7025 铝合金与 304L 不锈钢紧固件。他们想要观察这种组合在三种模拟真实环境的独特环境中的表现：普通自来水、旨在模拟海洋的盐水溶液，以及代表酸雨腐蚀影响的强酸溶液。为了获得全面的图景，他们并未仅依赖单一方法。相反，他们将金属物理样本浸泡在溶液中三十天，通过称重来观察材料损失量，并利用高倍显微镜观察其表面以查看物理损伤。他们还利用专门的软件构建了一个详细的数字模型来模拟金属之间流动的隐形电流，从而能够高精度地预测腐蚀速率。
结果显示，不锈钢紧固件的存在剧烈加速了铝的衰减。在自来水中，铝与钢耦合时的腐蚀速度几乎是单独存在时的五倍。在盐水中，腐蚀速率增加了三倍以上；而在酸性环境中，腐蚀速度则跃升了四倍多。最严重的破坏发生在酸性环境中，铝在短短一个月内损失了超过百分之十的表面硬度，且溶解深度超过了一百微米。当研究人员仔细观察受损表面时，他们发现腐蚀类型完全取决于液体。在自来水中，表面形成了一层碳酸钙垢。在盐水中，金属出现了由内部微小颗粒引发的深层局部点蚀。在酸中，金属经历了广泛的全面溶解，均匀地侵蚀了表面。
为了应对这种快速恶化，研究人员利用他们的数字模型来解决防护问题。他们模拟了加入第三种金属——牺牲阳极——的情况，这种阳极旨在代替铝结构进行腐蚀。他们在模拟中测试了三种不同类型的阳极，以观察哪种能提供最佳防御。模拟显示，一种由铝和百分之五锌组成的合金是最有效的保护者。这种特定的阳极产生了强大的保护电流，并将铝的电位转移到了不易发生腐蚀的水平。研究结论指出，虽然铝与不锈钢的组合在海洋环境中存在风险，但其损伤可以被高精度地预测，并且可以通过使用合适的牺牲阳极得到有效管理，这为延长这些关键海洋结构的寿命提供了清晰的路径。
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