解析深海极端环境下钛合金的腐蚀问题

原文发表于《科技导报》2025 年第17 期 《 深海极端环境下钛合金腐蚀科学问题评述 》

钛合金作为高耐蚀海洋结构材料，在深海工程装备制造中具有举足轻重的地位，但目前仍对钛合金在深海极端环境下的服役行为和失效机制认识不清，导致深海装备钛合金结构选材、设计和防护缺乏科学依据。《科技导报》邀请北京科技大学新材料技术研究院吴俊升教授等撰文，通过对钛合金的耐蚀性及基本腐蚀电化学特征分析，梳理评述了钛合金材料在深海极端环境下所面临的腐蚀损伤问题，并提出了深海环境下钛合金腐蚀研究重点和发展方向。

随着科技的进步和陆地资源的日益枯竭，深海资源的开发利用已成为各国争夺的焦点，深海装备制造和深海材料研发必将成为各国研究和竞争的前沿热点。材料的腐蚀损伤已成为制约中国开发利用深海资源所需装备材料研发的关键瓶颈问题。

大量的研究表明，随着海水深度加大，金属材料总体上呈现均匀腐蚀速率降低、局部腐蚀加剧的趋势。温度、溶解氧、静水压是影响深海海水腐蚀最重要的3个环境要素，也是导致深海腐蚀与浅海腐蚀行为迥异的主要影响因素。因此，传统海洋工程基于腐蚀减薄余量的寿命设计思路应用于深海环境就会存在很大的风险，尤其对于钛合金、不锈钢等钝性金属，必须系统研究包括点蚀、缝隙腐蚀、电偶腐蚀、应力腐蚀、腐蚀疲劳等局部腐蚀及耦合腐蚀问题，获取详实的深海腐蚀数据，建立可靠的腐蚀损伤预测模型，才能为工程装备选材设计及寿命评估提供方法和依据。

1 钛合金的耐蚀性及基本腐蚀电化学特征

1.1 钛合金的耐蚀性

钛合金由于其优良的耐腐蚀性，被公认为“海洋金属”，也是理想的船舶用材料。大量的海洋工程实践和科学试验都表明，钛合金在纯净的海水中具有优良的耐蚀性，均匀腐蚀几乎不会发生，耐点蚀和缝隙腐蚀性能也十分优异。这些优良特性，决定了钛合金是天然的耐腐蚀金属材料。因此，通常都认为采用钛合金制造的工程装备，可以避免腐蚀问题，这就导致在海洋工程设计中很少考虑钛合金结构的腐蚀及防护问题，这种一贯的思维会带来严重的工程安全隐患，尤其对于长期在深海等极端环境中使用的装备，其服役安全问题不可忽视。

事实上，尽管钛合金材料耐蚀性优良，但在深海极端环境因素、力学载荷，以及微生物群落的耦合作用下，钛合金结构在深海环境中仍会面临性能退化及腐蚀失效等环境损伤问题。

1.2 钛合金在深海环境中的腐蚀电化学特征

金属钛的标准电极电位为−1.63V（vsSHE），从理论上来说钛属于电化学活性极高的金属。但由于其易钝化的特性，使得其在实际环境中的电化学反应并不容易进行。钛合金的基本电化学热力学和动力学特征都可以证明其在海水环境中具有优良的电化学稳定性。

但在深海环境中，低溶氧浓度、低pH值、污染物和高静水压力等极端环境因素对钛合金的电化学活性有较大的影响。因此，尽管钛合金在海水中呈现了优良的电化学稳定性和耐蚀性，但在深海极端环境下，尤其是在高静水压力、局部酸化、低溶氧量、污染物（硫化氢、氟离子等）等环境工况下，钛合金的电化学反应特征与浅海环境完全不同，其钝化膜的稳定性也会变差，如果再叠加材料组织结构劣化、结构载荷、特殊构型等复杂工况条件，钛合金的电化学腐蚀风险仍然存在，必须引起高度重视。

2 深海极端环境中钛合金的腐蚀问题

2.1 钛合金在深海极端环境中的微生物腐蚀

通常认为，深海环境由于无光、低氧、高压、寡营等特征，导致随着海水深度的增加海洋宏观生物和微生物群落数量急剧减少，因而目前关于深海生物污损腐蚀方面的研究几乎空白。

随着海洋生物学的发展，科学家逐渐发现深海是最大的微生物生态系统，具有丰富的生物多样性，尽管深海微生物种群跟表层海水相比有明显的差异，但大量的研究报道都表明，包括硫酸盐还原菌（SRB）、硝酸盐还原菌（NRB）等与腐蚀相关的微生物种群广泛存在于深海海水和沉积物中。事实上，在深海少氧环境下，更有利于硫酸盐还原菌等厌氧菌的生存和生长，其对金属腐蚀的影响不可忽视，尤其在深海高压、低氧、低温、低pH等特殊环境下，SRB等典型蚀损微生物在金属表面的分布及其对钛合金等钝性金属局部腐蚀损伤影响是深海腐蚀研究的重要前沿科学问题。

深海微生物的附着，是否会导致钛合金发生腐蚀失效无法预知。但微生物的大量附着，其生命活动过程对钛合金表面氧化膜结构、局部腐蚀微环境等的影响是可以肯定的，另外，SRB等微生物的生物代谢过程产生硫化氢等，会引起局部环境酸化，促进阴极析氢，这同样对钛合金的氢脆和应力腐蚀具有促进作用。同时，由于深海装备在服役过程中会频繁上浮下潜，浅海区的污损生物附着十分普遍，在浅海和深海交替服役环境下微生物的附着状态和生命活动过程将更加复杂多变，其对钛合金腐蚀的影响也十分复杂。

2.2 钛合金在深海极端环境中的缝隙腐蚀

金属的缝隙腐蚀是海洋工程实践中导致突发性事故主要的局部腐蚀破坏形式之一，其腐蚀过程具有影响因素复杂、隐蔽性强、监测困难等特点，一直是海洋腐蚀研究的难点。在深海装备工程结构中，金属连接、密封、紧固等结构件总是不可避免地存在缝隙结构，缝隙腐蚀几乎无法避免，尤其是钛合金等钝性金属，尽管具有较好的耐海水氯离子点蚀性能，但由于闭塞区的存在，缝隙腐蚀比点蚀更容易发生。

对于钛合金等钝性金属而言，钝化膜的完整性和稳定性是决定其耐蚀性的前提，在深海环境中，工程结构往往存在包括异种金属接触的缝隙结构，由于电偶腐蚀等原因导致闭塞微环境的酸化问题，常常会出现pH值低于2的极端情况，容易诱发钛合金缝隙腐蚀；另外，深海工程缝隙连接结构，在静水压力和交变载荷的作用下，往往还会叠加微动磨损问题，磨损使钛合金表面钝化膜破坏，不断裸露出新鲜的金属表面，缝隙接触面钛合金表面呈现活化状态，这种情况可能会诱发严重的缝隙局部腐蚀问题。

2.3 钛合金在深海极端环境中的电偶腐蚀

在海洋工程结构中，绝大部分金属材料与钛合金偶接后，其他金属充当阳极，腐蚀加剧，而钛合金一般都为阴极，腐蚀受到抑制。在深海环境中，尽管钛合金电偶腐蚀一般不会发生，但其与其他电位更负的活泼金属偶接后，会产生其他方面的问题：

• 其一，当钛合金与其他活泼金属偶接形成缝隙结构时，由于钛合金与其他金属之间的电位差较大，负电位金属发生电偶加速腐蚀，导致在缝隙闭塞环境内部溶液介质的自催化酸化加剧，钛合金表面由于充当阴极析氢，有可能会使钛合金表面钝化膜溶解破坏，进而引起氢脆等问题；

• 其二，当钛合金与其他金属偶接后，无论是否形成缝隙结构，都可能会引起钛合金的阴极析氢问题。

因此，在深海环境中，钛合金的电偶腐蚀问题并不是要单纯关注钛合金本身的电偶腐蚀，而更多的是需要考虑与其偶接的负电位金属由于电偶效应，导致缝隙微环境酸化、促进钛合金阴极析氢，进而引起氢脆和应力腐蚀等问题，这对深海装备钛合金结构的腐蚀损伤尤为重要。

2.4 钛合金在深海极端环境中的氢脆及应力腐蚀

氢脆和应力腐蚀是海洋工程装备用钛合金面临的主要威胁之一，据统计，钛合金结构有40%以上的事故与锻造、加工、焊接、热处理等过程中引入的残余应力所造成的应力腐蚀开裂有关，大量的试验研究都证明了钛合金尤其是高强度钛合金在海水环境中具有应力腐蚀敏感性。

高强金属材料的应力腐蚀开裂机理包括阳极溶解机制、氢致开裂机制及其混合机制。但对于钛合金材料来说，发生应力腐蚀的理论依据仍然存在较大的争议，尤其在深海环境中，钛合金环境是否会发生应力腐蚀以及应力腐蚀发生的机理还很不清晰。

因此，无论是从已有的为数不多的试验研究报道，还是理论分析，都表明在深海极端环境下钛合金结构发生阳极溶解应力腐蚀的电化学条件以及氢脆发生的条件都有依据。从已公开的几起深海装备应力腐蚀开裂事故也可以证明，氢脆和应力腐蚀是钛合金在深海中所面对的最主要的风险之一，深入全面了解钛合金在深海极端环境中的应力腐蚀机理以及影响应力腐蚀主要因素，对钛合金在深海中全面应用和长期安全服役有着重要的意义。

2.5 钛合金在深海极端环境中的腐蚀疲劳

钛合金的疲劳损伤失效在航空领域获得广泛关注，通常都认为钛合金优良的耐蚀性使其对腐蚀环境敏感性较低，一些研究结果表明，钛合金在海水和空气中的疲劳极限差别很小。通常认为，钛合金在高循环载荷作用下受到的疲劳损伤，以及在低循环载荷作用下受到的腐蚀损伤是关键因素。一些研究结果也证明，在高应力水平下腐蚀介质对疲劳寿命影响不大，而低应力水平下腐蚀疲劳寿命则大大低于单纯的疲劳寿命。

深海装备服役过程中，除了承受上浮下潜的交变应力载荷，还面临着高静水压力、低氧含量、局部环境酸化以及污染物和微生物等极端环境的影响，钛合金结构在深海环境中是否会发生腐蚀促进低周疲劳损伤问题，目前还没有定论。但从钛合金低周疲劳和深海环境基本特征推测，这种可能性是存在的。因此，深海高静水压力作用下的钛合金低周腐蚀疲劳也是深海装备服役安全必须要关注的科学问题。

2.6 复杂钛合金结构在深海极端环境中的多因素耦合腐蚀损伤

钛合金材料本身所表现出的优良耐蚀性能，使得人们普遍认为采用钛合金制造海洋工程装备可以避免腐蚀失效问题。因此，相对于其他海洋工程材料，钛合金的海洋腐蚀研究较少，尤其是在深海环境中，目前开展的研究还很不系统。

尽管已经开展并获得了一些进展，但目前对钛合金结构在深海环境中的腐蚀损伤行为还缺乏认识，尤其是实验室标准材料试验所得出的评价和预测结果，往往跟工程实际中钛合金结构在深海工况下发生的多起腐蚀损伤失效安全事故情况严重背离。其中重要的原因就是实际工程装备钛合金结构所处工况条件非常复杂，往往是极端环境因素、材料因素、载荷因素、复杂结构等多因素耦合构成的复杂体系，伴随着电化学−微生物−应力载荷−缝隙−电偶等耦合腐蚀作用，极大地提高了深海装备钛合金结构的腐蚀损伤风险，也给钛合金结构深海腐蚀研究带来了极大的挑战。

因此，在深海极端环境中，深海装备钛合金结构的耦合腐蚀损伤是深海装备安全服役中最值得关注的关键科学问题。必须充分考虑深海复杂环境因素、微生物因素、力学载荷、偶接结构等复杂系统问题，方可能得出更符合深海海洋工程实际钛合金结构腐蚀损伤行为和机理的科学结论，进而为深海装备的设计制造和安全服役评估提供可靠的理论支撑。

3 结论及建议

相对于大气和浅海水等常规腐蚀环境，钛合金在深海环境中的腐蚀研究还很不系统，基于传统对“海洋金属”钛合金耐蚀性的固有认识，导致深海工程装备尤其是复杂钛合金结构的设计和选用存在很高的风险，需要系统开展深海极端环境钛合金材料及结构的腐蚀损伤研究。

1）实海试验是评价材料在深海环境中腐蚀行为和规律的最直接有效的方法。需要通过长期的深海实海试验和工程实践，系统收集获取钛合金材料尤其是典型钛合金结构在深海极端环境下的腐蚀数据，研究钛合金及结构在复杂深海环境中的基本腐蚀行为与规律。

2）基于实际服役深海环境因素及实海试验结果，研究发展室内加速模拟深海腐蚀评价技术尤为重要，通过对静水压力、温度、溶解氧、污染物等深海环境特征因素的有效模拟调控，结合电化学测试等技术手段，可原位监测研究深海腐蚀的电化学过程和机理，通过力学载荷的原位加载来研究应力腐蚀和腐蚀疲劳，系统阐明深海极端环境中钛合金的腐蚀损伤规律和机理。

3）迫切需要将基于材料基因工程理念的腐蚀计算模拟研究手段引入深海腐蚀研究中来，通过将跨尺度腐蚀计算与室内模拟试验验证相结合，可以使钛合金的深海腐蚀研究更加高效，且能从理论和实验两个层面更加深入地认识和了解深海环境下钛合金结构的腐蚀损伤行为和机理。

4）结合深海装备工程实践和服役环境特征，需要重点关注深海极端环境因素、微生物因素、材料及工艺因素、载荷因素等多因素耦合集成构成的复杂体系，系统研究深海环境下钛合金材料的电化学−微生物−应力载荷−微动磨损−缝隙−电偶等耦合腐蚀行为与机理，揭示深海极端环境下钛合金复杂结构的腐蚀电化学特征，阐明缝隙腐蚀、电偶腐蚀、氢脆及应力腐蚀、腐蚀疲劳及其多因素耦合等腐蚀损伤失效特征与规律，为深海装备的安全服役与寿命评估提供理论基础。

本文作者：吴俊升、胡科峰、董超芳、胡凌越、张博威、范林、肖葵、孙明先、雍兴跃、李晓刚

作者简介：吴俊升，北京科技大学新材料技术研究院，教授，研究方向为材料海洋腐蚀与防护；胡科峰，武汉第二船舶设计研究所；董超芳，北京科技大学新材料技术研究院；胡凌越，武汉第二船舶设计研究所；张博威，北京科技大学新材料技术研究院；范林，中国船舶集团有限公司第七二五研究所海洋腐蚀与防护全国重点实验室；肖葵，北京科技大学新材料技术研究院；孙明先，中国船舶集团有限公司第七二五研究所海洋腐蚀与防护全国重点实验室；雍兴跃，北京化工大学有机无机复合材料国家重点实验室；李晓刚，北京科技大学新材料技术研究院。

文章来 源 ： 吴俊升, 胡科峰, 董超芳, 等. 深海极端环境下钛合金腐蚀科学问题评述[J]. 科技导报, 2025, 43(17): 77−84 .

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