船用牺牲阳极材料研究进展

王烨煊 张凯

摘要：本文简述了牺牲阳极的保护原理，针对铝、镁、锌不同金属基体牺牲阳极的优缺点进行了说明，阐述了目前针对不同金属基体牺牲阳极所做的试验研究。并展望了目前牺牲阳极的发展趋势，目前牺牲阳极主要朝着拓宽使用条件、延长使用寿命、降低生产成本的方向发展，后续可通过电极改性、优化成形工艺、探索新材料等方式，提高牺牲阳极的性能。

关键词：牺牲阳极；电化学性能；合金

中图分类号：TJ04 文献标识码：A

1 前言

材料腐蚀对经济造成巨大损失，由腐蚀造成的损失约占国民生产总值的5%。随着船舶行业蓬勃发展，金属材料在海洋环境下的腐蚀与防护是亟待解决的问题之一。船体结构复杂，且长期处在海水环境下，海水浸泡冲击造成油漆脱落，失去保护效果，导致腐蚀。牺牲阳极的阴极保护方法由于简单易行、成本低、防护效果好等优势，广泛应用于钢铸码头、船舶结构及海上采油平台等工程中。牺牲阳极保护法主要是通过将被保护金属连接一个电位更负的金属作为阳极，与被保护金属在电解质溶液中形成宏观腐蚀电池，形成阴极极化，从而防止金属腐蚀^[1]。用作牺牲阳极材料的金属或合金，需要具备足够负且稳定的电位、阳极极化小、溶解均匀且腐蚀产物易脱落、电流效率高以及腐蚀产物无毒害等特点。目前工程上常用的牺牲阳极材料主要有镁合金、锌合金和铝合金。

2 牺牲阳极的发展现状

2.1 镁基牺牲阳极

金属镁具有密度小、理论电容量大、电化学活性高、极化率低等特点，适用于土壤和淡水等高电阻率环境下结构防腐。罗双等人^[2]向AZ31和AZ63镁合金中加入稀土元素Nd，研究了合金元素Nd对上述两种镁合金牺牲阳极的耐腐蚀与电化学性能的影响，结果表明，合金元素Nd的加入能使AZ31和AZ63镁合金晶粒细化，自腐蚀速率降低，电流效率提高。王前进等人^[3]，通过制备Mg-Mn牺牲阳极，探讨了水淬温度和时间对镁合金牺牲阳极的电化学性能和晶粒大小的影响，结果表明，在30℃的水中水淬4分钟后，得到的镁合金牺牲阳极晶粒较小，性能较高。赵言辉等人^[4]以高电位镁合金牺牲阳极的生产工艺为根据，研究了Mn、Zn等元素对镁阳极电流效率的影响。结果表明，当W（Fe）<0.005%时，随着锰含量增加，电流效率逐渐降低；W（Zn）=0.04%时，牺牲阳极的电流效率最高。高佳伟等人^[5]采用理论计算和现场试验相结合的方法研究了D形、圆形、正六边形等六种不同截面形状对牺牲阳极服役性能的影响，结果表明，牺牲阳极保护电流随着阳极长宽比的增大而增大，阳极自身的腐蚀速率随着长宽比的增大先减小后增大，并在4.1时达到最小值。

2.2 锌基牺牲阳极

锌是最早开始使用的牺牲阳极材料，锌的标准电极电位是-0.762V，对钢铁构件的保护驱动力较小，适用于海水等电阻率低的工作环境^[6]。南雪丽等人^[7]，通过在Zn-Al合金中添加稀土元素（La，Ce），分析了稀土元素含量对Zn-Al牺牲阳极的性能影响，结果表明，随着稀土元素含量的增加，Zn-Al阳极耐腐蚀性先提高后降低，当稀土含量为0.6%时，电化学性能和耐蚀性表现最佳。赵密锋等人^[8]为解决某油田深井套管腐蚀问题，研制了一种Zn基新型牺牲阳极，通过严格控制铝元素的含量，同时在牺牲阳极中添加Mn、Mg、Cd等元素，其制备的牺牲阳极在高温情况下电位较负，没有出现明显钝化现象，提高了牺牲阳极在高温下的防腐蚀性能，可以在125℃情况下有效保护套管。王琰等人^[9]通过分析失效锌阳极表面形成的腐蚀产物层，发现腐蚀产物具有明显的分层结构，腐蚀产物形貌以片状产物居多，锌块中Pb、Cu、Fe等有害杂质元素，导致牺牲阳极收到杂散电流干扰，阳极表面会被快速极化呈现钝化状态，失去牺牲保护作用。

2.3 铝基牺牲阳极

铝相比于镁、锌电极，具有更加突出的优点，其重量轻、电容量大、制造工艺简便。但纯铝阳极容易钝化，表面上容易形成电位正、保护性能强的Al₂O₃氧化膜，导致其电位较正，保护效果差。宋卿源等人^[10]为提高Al牺牲阳极的综合性能，研究了Mg元素含量对Al-Zn-In-Mg-Ti-Ga-Mn牺牲阳极的性能影响，其研究结果表明Mg元素含量变化主要通过影响牺牲阳极晶粒尺寸、内析出物数量和分布来影响牺牲阳极的各项性能，当Mg含量为0.8%时，牺牲阳极的性能较优。孙海静等人^[11]对Al-An-In-Mg-Ti牺牲阳极在深海低溶解氧环境下的性能进行了研究。结果表明，深海低溶解氧条件下，电极溶解速度减缓，活性元素的再沉积过程受到抑制，活化作用减弱，导致铝阳极表面氧化膜不易溶解，造成活化困难，放电性能下降，电流效率降低。刘欣等人^[12]在铝合金牺牲阳极表面镀覆了不同厚度的锌层并进行电化学测试，结果表明，镀锌阳极试样的电化学活性增加，腐蚀电位随锌层厚度增加逐渐正移，阴极保护电位随时间变化总的趋势是先快速下降，而后趋于缓慢下降至稳定，镀锌层越厚阴极电位负移程度越大。

3 牺牲阳极发展趋势

随着油气工程、海洋工程等技术的发展，防腐蚀要求随之提高，针对牺牲阳在不同使用条件的性能也提出了新的要求。牺牲阳极今后的发展方向主要有以下几种，一是针对已有的基体金属进行改性，通过添加其他金属和稀土元素、表面镀层等方式，提高牺牲阳极的电化学活性，减轻阳极极化现象，提高阳极性能。二是通过改善电极成形工艺，增加电极内部孔隙率，提升电极的比表面积，进而提高电极的电化学活性，减小电极钝化，缺点是可能造成牺牲阳极寿命缩短。三是研究新材料，选择具备电位负、电容量大、电化学活性高等特点的新材料作为电极基体，开发新牺牲阳极电极体系。

[1] 孔小东.金属腐蚀与防护导论.北京:科学出版社.2016.

[2] 罗双，马正青.合金元素Nd对AZ系镁合金牺牲阳极材料耐腐蚀和电化学性能的影响[J].

材料保护，2016，49（8）：4.

[3] 王前进.水淬对镁合金高电位牺牲阳极性能的影响[J].世界有色金属，2020（1）：2.

[4] 赵言辉，宋蕾，张广强，董帮少，周少雄.新型高电位镁合金牺牲阳极的研究开发[J].轻

合金加工技术，2014，42（8）：5.

[5] 高佳伟，刑琳琳，唐德志，杜艳霞.牺牲阳极截面形状对其服役性能的影响[J].腐蚀与防

护.2015.

[6] 雷冰，张华，胡胜楠，等.深海环境用牺牲阳极材料研究进展.[J].全面腐蚀控制，2016，

30（12）：18-23.

[7] 南雪丽，唐维斌，李晓民，魏定邦，等.Zn-Al合金牺牲阳极材料的稀土（La,Ce）改性

研究[J].稀有金属，2021.

[8] 赵密锋，常泽亮，周理志，谢俊峰，等.一种油田深井用新型耐高温锌合金牺牲阳极[J].

腐蚀与防护，2017，38（12）.

[9] 王琰，郭淳，孔德成，赵振江，等.锌阳极的微观组织和腐蚀失效分析[J].粉末冶金技术，2018（5）：7.

[10] 宋卿源，张海兵，马力，孙明先.Mg含量对Al-Zn-In-Mg-Ti-Ga-Mn牺牲阳极的影响[J].材料保护，2021，54（2）：6.

[11] 孙海静，覃明，李琳.深海低溶解氧环境下Al-Zn-In-Mg-Ti牺牲阳极性能研究[J].中国腐蚀与防护学报，2020，40（6）：9.

[12] 刘欣，黄印俊，刘学庆，翟慎宝，毛爱英，侯宝荣.铝合金牺牲阳极的镀锌处理及其电

化学性能[J].腐蚀与防护，2012，33（1）：5.