解析深海極端環境下鈦合金的腐蝕問題

原文發表于《科技導報》2025 年第17 期 《 深海極端環境下鈦合金腐蝕科學問題評述 》

鈦合金作為高耐蝕海洋結構材料，在深海工程裝備制造中具有舉足輕重的地位，但目前仍對鈦合金在深海極端環境下的服役行為和失效機制認識不清，導致深海裝備鈦合金結構選材、設計和防護缺乏科學依據。《科技導報》邀請北京科技大學新材料技術研究院吳俊升教授等撰文，通過對鈦合金的耐蝕性及基本腐蝕電化學特征分析，梳理評述了鈦合金材料在深海極端環境下所面臨的腐蝕損傷問題，并提出了深海環境下鈦合金腐蝕研究重點和發展方向。

隨著科技的進步和陸地資源的日益枯竭，深海資源的開發利用已成為各國爭奪的焦點，深海裝備制造和深海材料研發必將成為各國研究和競爭的前沿熱點。材料的腐蝕損傷已成為制約中國開發利用深海資源所需裝備材料研發的關鍵瓶頸問題。

大量的研究表明，隨著海水深度加大，金屬材料總體上呈現均勻腐蝕速率降低、局部腐蝕加劇的趨勢。溫度、溶解氧、靜水壓是影響深海海水腐蝕最重要的3個環境要素，也是導致深海腐蝕與淺海腐蝕行為迥異的主要影響因素。因此，傳統海洋工程基于腐蝕減薄余量的壽命設計思路應用于深海環境就會存在很大的風險，尤其對于鈦合金、不銹鋼等鈍性金屬，必須系統研究包括點蝕、縫隙腐蝕、電偶腐蝕、應力腐蝕、腐蝕疲勞等局部腐蝕及耦合腐蝕問題，獲取詳實的深海腐蝕數據，建立可靠的腐蝕損傷預測模型，才能為工程裝備選材設計及壽命評估提供方法和依據。

1 鈦合金的耐蝕性及基本腐蝕電化學特征

1.1 鈦合金的耐蝕性

鈦合金由于其優良的耐腐蝕性，被公認為“海洋金屬”，也是理想的船舶用材料。大量的海洋工程實踐和科學試驗都表明，鈦合金在純凈的海水中具有優良的耐蝕性，均勻腐蝕幾乎不會發生，耐點蝕和縫隙腐蝕性能也十分優異。這些優良特性，決定了鈦合金是天然的耐腐蝕金屬材料。因此，通常都認為采用鈦合金制造的工程裝備，可以避免腐蝕問題，這就導致在海洋工程設計中很少考慮鈦合金結構的腐蝕及防護問題，這種一貫的思維會帶來嚴重的工程安全隱患，尤其對于長期在深海等極端環境中使用的裝備，其服役安全問題不可忽視。

事實上，盡管鈦合金材料耐蝕性優良，但在深海極端環境因素、力學載荷，以及微生物群落的耦合作用下，鈦合金結構在深海環境中仍會面臨性能退化及腐蝕失效等環境損傷問題。

1.2 鈦合金在深海環境中的腐蝕電化學特征

金屬鈦的標準電極電位為?1.63V（vsSHE），從理論上來說鈦屬于電化學活性極高的金屬。但由于其易鈍化的特性，使得其在實際環境中的電化學反應并不容易進行。鈦合金的基本電化學熱力學和動力學特征都可以證明其在海水環境中具有優良的電化學穩定性。

但在深海環境中，低溶氧濃度、低pH值、污染物和高靜水壓力等極端環境因素對鈦合金的電化學活性有較大的影響。因此，盡管鈦合金在海水中呈現了優良的電化學穩定性和耐蝕性，但在深海極端環境下，尤其是在高靜水壓力、局部酸化、低溶氧量、污染物（硫化氫、氟離子等）等環境工況下，鈦合金的電化學反應特征與淺海環境完全不同，其鈍化膜的穩定性也會變差，如果再疊加材料組織結構劣化、結構載荷、特殊構型等復雜工況條件，鈦合金的電化學腐蝕風險仍然存在，必須引起高度重視。

2 深海極端環境中鈦合金的腐蝕問題

2.1 鈦合金在深海極端環境中的微生物腐蝕

通常認為，深海環境由于無光、低氧、高壓、寡營等特征，導致隨著海水深度的增加海洋宏觀生物和微生物群落數量急劇減少，因而目前關于深海生物污損腐蝕方面的研究幾乎空白。

隨著海洋生物學的發展，科學家逐漸發現深海是最大的微生物生態系統，具有豐富的生物多樣性，盡管深海微生物種群跟表層海水相比有明顯的差異，但大量的研究報道都表明，包括硫酸鹽還原菌（SRB）、硝酸鹽還原菌（NRB）等與腐蝕相關的微生物種群廣泛存在于深海海水和沉積物中。事實上，在深海少氧環境下，更有利于硫酸鹽還原菌等厭氧菌的生存和生長，其對金屬腐蝕的影響不可忽視，尤其在深海高壓、低氧、低溫、低pH等特殊環境下，SRB等典型蝕損微生物在金屬表面的分布及其對鈦合金等鈍性金屬局部腐蝕損傷影響是深海腐蝕研究的重要前沿科學問題。

深海微生物的附著，是否會導致鈦合金發生腐蝕失效無法預知。但微生物的大量附著，其生命活動過程對鈦合金表面氧化膜結構、局部腐蝕微環境等的影響是可以肯定的，另外，SRB等微生物的生物代謝過程產生硫化氫等，會引起局部環境酸化，促進陰極析氫，這同樣對鈦合金的氫脆和應力腐蝕具有促進作用。同時，由于深海裝備在服役過程中會頻繁上浮下潛，淺海區的污損生物附著十分普遍，在淺海和深海交替服役環境下微生物的附著狀態和生命活動過程將更加復雜多變，其對鈦合金腐蝕的影響也十分復雜。

2.2 鈦合金在深海極端環境中的縫隙腐蝕

金屬的縫隙腐蝕是海洋工程實踐中導致突發性事故主要的局部腐蝕破壞形式之一，其腐蝕過程具有影響因素復雜、隱蔽性強、監測困難等特點，一直是海洋腐蝕研究的難點。在深海裝備工程結構中，金屬連接、密封、緊固等結構件總是不可避免地存在縫隙結構，縫隙腐蝕幾乎無法避免，尤其是鈦合金等鈍性金屬，盡管具有較好的耐海水氯離子點蝕性能，但由于閉塞區的存在，縫隙腐蝕比點蝕更容易發生。

對于鈦合金等鈍性金屬而言，鈍化膜的完整性和穩定性是決定其耐蝕性的前提，在深海環境中，工程結構往往存在包括異種金屬接觸的縫隙結構，由于電偶腐蝕等原因導致閉塞微環境的酸化問題，常常會出現pH值低于2的極端情況，容易誘發鈦合金縫隙腐蝕；另外，深海工程縫隙連接結構，在靜水壓力和交變載荷的作用下，往往還會疊加微動磨損問題，磨損使鈦合金表面鈍化膜破壞，不斷裸露出新鮮的金屬表面，縫隙接觸面鈦合金表面呈現活化狀態，這種情況可能會誘發嚴重的縫隙局部腐蝕問題。

2.3 鈦合金在深海極端環境中的電偶腐蝕

在海洋工程結構中，絕大部分金屬材料與鈦合金偶接后，其他金屬充當陽極，腐蝕加劇，而鈦合金一般都為陰極，腐蝕受到抑制。在深海環境中，盡管鈦合金電偶腐蝕一般不會發生，但其與其他電位更負的活潑金屬偶接后，會產生其他方面的問題：

• 其一，當鈦合金與其他活潑金屬偶接形成縫隙結構時，由于鈦合金與其他金屬之間的電位差較大，負電位金屬發生電偶加速腐蝕，導致在縫隙閉塞環境內部溶液介質的自催化酸化加劇，鈦合金表面由于充當陰極析氫，有可能會使鈦合金表面鈍化膜溶解破壞，進而引起氫脆等問題；

• 其二，當鈦合金與其他金屬偶接后，無論是否形成縫隙結構，都可能會引起鈦合金的陰極析氫問題。

因此，在深海環境中，鈦合金的電偶腐蝕問題并不是要單純關注鈦合金本身的電偶腐蝕，而更多的是需要考慮與其偶接的負電位金屬由于電偶效應，導致縫隙微環境酸化、促進鈦合金陰極析氫，進而引起氫脆和應力腐蝕等問題，這對深海裝備鈦合金結構的腐蝕損傷尤為重要。

2.4 鈦合金在深海極端環境中的氫脆及應力腐蝕

氫脆和應力腐蝕是海洋工程裝備用鈦合金面臨的主要威脅之一，據統計，鈦合金結構有40%以上的事故與鍛造、加工、焊接、熱處理等過程中引入的殘余應力所造成的應力腐蝕開裂有關，大量的試驗研究都證明了鈦合金尤其是高強度鈦合金在海水環境中具有應力腐蝕敏感性。

高強金屬材料的應力腐蝕開裂機理包括陽極溶解機制、氫致開裂機制及其混合機制。但對于鈦合金材料來說，發生應力腐蝕的理論依據仍然存在較大的爭議，尤其在深海環境中，鈦合金環境是否會發生應力腐蝕以及應力腐蝕發生的機理還很不清晰。

因此，無論是從已有的為數不多的試驗研究報道，還是理論分析，都表明在深海極端環境下鈦合金結構發生陽極溶解應力腐蝕的電化學條件以及氫脆發生的條件都有依據。從已公開的幾起深海裝備應力腐蝕開裂事故也可以證明，氫脆和應力腐蝕是鈦合金在深海中所面對的最主要的風險之一，深入全面了解鈦合金在深海極端環境中的應力腐蝕機理以及影響應力腐蝕主要因素，對鈦合金在深海中全面應用和長期安全服役有著重要的意義。

2.5 鈦合金在深海極端環境中的腐蝕疲勞

鈦合金的疲勞損傷失效在航空領域獲得廣泛關注，通常都認為鈦合金優良的耐蝕性使其對腐蝕環境敏感性較低，一些研究結果表明，鈦合金在海水和空氣中的疲勞極限差別很小。通常認為，鈦合金在高循環載荷作用下受到的疲勞損傷，以及在低循環載荷作用下受到的腐蝕損傷是關鍵因素。一些研究結果也證明，在高應力水平下腐蝕介質對疲勞壽命影響不大，而低應力水平下腐蝕疲勞壽命則大大低于單純的疲勞壽命。

深海裝備服役過程中，除了承受上浮下潛的交變應力載荷，還面臨著高靜水壓力、低氧含量、局部環境酸化以及污染物和微生物等極端環境的影響，鈦合金結構在深海環境中是否會發生腐蝕促進低周疲勞損傷問題，目前還沒有定論。但從鈦合金低周疲勞和深海環境基本特征推測，這種可能性是存在的。因此，深海高靜水壓力作用下的鈦合金低周腐蝕疲勞也是深海裝備服役安全必須要關注的科學問題。

2.6 復雜鈦合金結構在深海極端環境中的多因素耦合腐蝕損傷

鈦合金材料本身所表現出的優良耐蝕性能，使得人們普遍認為采用鈦合金制造海洋工程裝備可以避免腐蝕失效問題。因此，相對于其他海洋工程材料，鈦合金的海洋腐蝕研究較少，尤其是在深海環境中，目前開展的研究還很不系統。

盡管已經開展并獲得了一些進展，但目前對鈦合金結構在深海環境中的腐蝕損傷行為還缺乏認識，尤其是實驗室標準材料試驗所得出的評價和預測結果，往往跟工程實際中鈦合金結構在深海工況下發生的多起腐蝕損傷失效安全事故情況嚴重背離。其中重要的原因就是實際工程裝備鈦合金結構所處工況條件非常復雜，往往是極端環境因素、材料因素、載荷因素、復雜結構等多因素耦合構成的復雜體系，伴隨著電化學?微生物?應力載荷?縫隙?電偶等耦合腐蝕作用，極大地提高了深海裝備鈦合金結構的腐蝕損傷風險，也給鈦合金結構深海腐蝕研究帶來了極大的挑戰。

因此，在深海極端環境中，深海裝備鈦合金結構的耦合腐蝕損傷是深海裝備安全服役中最值得關注的關鍵科學問題。必須充分考慮深海復雜環境因素、微生物因素、力學載荷、偶接結構等復雜系統問題，方可能得出更符合深海海洋工程實際鈦合金結構腐蝕損傷行為和機理的科學結論，進而為深海裝備的設計制造和安全服役評估提供可靠的理論支撐。

3 結論及建議

相對于大氣和淺海水等常規腐蝕環境，鈦合金在深海環境中的腐蝕研究還很不系統，基于傳統對“海洋金屬”鈦合金耐蝕性的固有認識，導致深海工程裝備尤其是復雜鈦合金結構的設計和選用存在很高的風險，需要系統開展深海極端環境鈦合金材料及結構的腐蝕損傷研究。

1）實海試驗是評價材料在深海環境中腐蝕行為和規律的最直接有效的方法。需要通過長期的深海實海試驗和工程實踐，系統收集獲取鈦合金材料尤其是典型鈦合金結構在深海極端環境下的腐蝕數據，研究鈦合金及結構在復雜深海環境中的基本腐蝕行為與規律。

2）基于實際服役深海環境因素及實海試驗結果，研究發展室內加速模擬深海腐蝕評價技術尤為重要，通過對靜水壓力、溫度、溶解氧、污染物等深海環境特征因素的有效模擬調控，結合電化學測試等技術手段，可原位監測研究深海腐蝕的電化學過程和機理，通過力學載荷的原位加載來研究應力腐蝕和腐蝕疲勞，系統闡明深海極端環境中鈦合金的腐蝕損傷規律和機理。

3）迫切需要將基于材料基因工程理念的腐蝕計算模擬研究手段引入深海腐蝕研究中來，通過將跨尺度腐蝕計算與室內模擬試驗驗證相結合，可以使鈦合金的深海腐蝕研究更加高效，且能從理論和實驗兩個層面更加深入地認識和了解深海環境下鈦合金結構的腐蝕損傷行為和機理。

4）結合深海裝備工程實踐和服役環境特征，需要重點關注深海極端環境因素、微生物因素、材料及工藝因素、載荷因素等多因素耦合集成構成的復雜體系，系統研究深海環境下鈦合金材料的電化學?微生物?應力載荷?微動磨損?縫隙?電偶等耦合腐蝕行為與機理，揭示深海極端環境下鈦合金復雜結構的腐蝕電化學特征，闡明縫隙腐蝕、電偶腐蝕、氫脆及應力腐蝕、腐蝕疲勞及其多因素耦合等腐蝕損傷失效特征與規律，為深海裝備的安全服役與壽命評估提供理論基礎。

本文作者：吳俊升、胡科峰、董超芳、胡凌越、張博威、范林、肖葵、孫明先、雍興躍、李曉剛

作者簡介：吳俊升，北京科技大學新材料技術研究院，教授，研究方向為材料海洋腐蝕與防護；胡科峰，武漢第二船舶設計研究所；董超芳，北京科技大學新材料技術研究院；胡凌越，武漢第二船舶設計研究所；張博威，北京科技大學新材料技術研究院；范林，中國船舶集團有限公司第七二五研究所海洋腐蝕與防護全國重點實驗室；肖葵，北京科技大學新材料技術研究院；孫明先，中國船舶集團有限公司第七二五研究所海洋腐蝕與防護全國重點實驗室；雍興躍，北京化工大學有機無機復合材料國家重點實驗室；李曉剛，北京科技大學新材料技術研究院。

文章來 源 ： 吳俊升, 胡科峰, 董超芳, 等. 深海極端環境下鈦合金腐蝕科學問題評述[J]. 科技導報, 2025, 43(17): 77?84 .

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