目前世界上有三台“观天巨眼”，第一是500米口径球面射电望远镜（FAST），位于我国贵州省黔南州平塘县大窝凼；第二是美国的阿雷西博350米望远镜，建于1992年，23年来一直稳坐世界第一宝座，我国“天眼”的综合性能比它约强10倍；第三是德国波恩的100米口径望远镜，我国“天眼”的灵敏度比它提高了约10倍。

 

我国“天眼”的球面射电板是用铝合金板制的，德国及美国球面射电望远镜用的什么材料笔者还没有看到相关报道，日本国立天文台野边山宇宙电波所ALMA望远镜用的是5052铝合金板材，支架结构件是用6061铝合金挤压材制造，可在－20℃～20℃的环境中长期工作，建设地点标高5000米，2011年9月末建成，2012年初投入运用，共有10台，球面直径45米。

 

中国“天眼”的建设，喀斯特洼坑的寻觅

 

1993年国际无线电联合大会上，包括中国在内的10个国家的天文学家提出建设新一代射电“大望远镜”的倡议。1995年底，北京天文台联合国内20余所大学和研究所，成立了射电“大望远镜”中国推进委员会，提出了利用贵州喀斯特洼地建造球反射面，即“西雷西博型天线阵”的喀斯特工程概念。

 

此后，中国科学家进一步推进喀斯特概念，提出独立研制一台新型的喀斯特单元，即500米口径球面射电望远镜。为了给新一代射电“大望远镜”找一个合适的“家”，科学家通过卫星遥感把贵州喀斯特山区翻了个底朝天。当时天文台委托两家研究所进行搜寻，从300个候选洼坑中遴选。最终位于黔南州平塘县的大窝凼两次都获最高分。贵州天然喀斯特洼坑提供的条件，始终都是中国大射电望远镜最独到、成为世界最大最强的基础。

 

历时22年建成世界最大“天眼”

 

中国“天眼”——500米口径球面射电望远镜（FAST，Five-hundred meter Aperture Spherical Radio Telescope）从1994年提出构想到2016年9月建成历时22年，是具有中国自主知识产权的伟大工程，世界最大单口径、最灵敏的射电望远镜。借助这只巨大的“天眼”，科研人员可以窥探星际之间互动的信息、观测暗物质、测定黑洞质量，甚至搜寻可能存在的星外文明。众多独门绝技让其成为世界射电望远镜中的佼佼者，这也将为世界天文学的新发现提供机遇。

 

作为国家重大科研基础设施，“天眼”工程由主动反射面系统、馈源支撑系统、测量与控制系统、按收机与终端及观测基地等几大部分构成。主动反射面由上万根钢丝索和4450个反射单元组成的球冠型索膜结构，其外形像一口诺大无比的“锅”，接收面积相当于30个标准足球场。

 

利用天然的喀斯特洼坑作为台址，洼坑内铺以数千块单元组成的冠状主动反射面，采用轻型索拖动机构和并联机器人实现接收机高精度定位，这是中国“天眼”的三大自主创新。从2016年9月25日起，“天眼”方圆5千米已成为“静默区”。这个庞然大物开始睁开“慧眼”，专注地捕捉来自宇宙深处的信号。“天眼”工程除了宏伟、状观外，最震撼人心的是精准。经过3年的测试，基墩具有极高的稳定性，误差不超过1毫米。“天眼”能够接收到137亿光年以外的电磁信号，观测范围可达宇宙边缘。

 

不过，在此需指出的是，FAST的地球“最大天眼”称号可能只能保持七八年就得让位给南非的阵列射电望远镜（SKA）。SKA目前正在南非台地高原地区和西澳大利亚州默奇森郡沙漠区进行建设，其接收面积达1平方千米，建成后将是世界上最大的综合孔径射电望远镜，也是国际天文界建造的有史以来最大的科学工程。SKA由多国参与修建，在目前SKA公开发布的11个工程中，中国参与了其中6个研发工作。

 

2020年1月11日被誉为“中国天眼”的500米口径球面射电望远镜顺利通过国家验收，正式开放运行。作为天下最大最灵敏的射电望远镜，“天眼’工程圆满收官，意味着中国大科技基础设施进一步完善，人类探索未知宇宙有了更加深邃视角。“天眼”的成功，体现了中国智慧、中国技术、中国力量、更彰显中国担当。“天眼”的背后，是中国人民在长期奋斗中培育、继承、发展起来的伟大创造精神、伟大梦想精神、伟大团结精神。正是这样的民族精神成就了“天眼”。

中国“天眼”造价12亿元，经过三年零三个多月的调试，于2020年1月11日正式运行。调试期间发现了102颗脉冲星，超过同期欧美多个脉冲星搜索团队发现数量的总和。

 

为了配合“中国天眼”的建设，其所在地区约7000名居民搬迁到约10千米外的另一座小城市，以确保望远境的性能与平静运行。

 

日本野边山用5052及6061铝合金打造口径45米望远镜

 

日本国立天文台野边山宇宙电波观测所共有10台球面望远镜（天线），直径45米、高50米，1971年建成。球面望远镜位于50米高的架上，球面是用5052铝合金板材加工的，支架用6061铝合金挤压型材打造，用电火花工艺加工。加工天线表面极具挑战性，因为其表面越光洁才能接收到越短的电波，因此必须用有一定强度性能的、韧性高的铝合金加工，其表面粗糙度应≤25纳米，同时在－20℃～＋20℃的环境中仍保持着这个精度。直径12米的球面天线是用205块1米×1米的铝板铺设的，原材料厚度30毫米，以纳米为单位进行史无前例的一层一层地切削加工，每一块都有极其精准的抛物面，为了组成大的抛物面，用了37种不同形状的铝板坯料。

 

为了制造直径45米最大高度50米的天线，遇到的最大问题是如何减轻其自身质量，因为它的抛物面积1590平方米，质量700吨。为了轻量化，天线表层（镜面体）采用夹层的碳纤维增强塑料蜂窝铝板。为了避免骨架因太阳光直射而变形，在天线背面装有隔热铝板。经过这种精心设计，使这种毫米波望远镜在世界该类装备中如鹤立鸡群，居世界顶尖水平，镜面精度保持在170微米左右，铝合金在这些超级天线中发挥了无可替代的作用。

 

5052铝合金是制造球面射电望远镜最佳材料

 

5052铝合金的力学性能

 

口径小于3米的球面射电望远镜的抛物面可用整块的铝合金冲制，因为当今世界上辊面宽度最大的冷轧机为4350毫米，口径再大的球面射电望远镜就得用一块块抛物面铝合金板拼接，日本国立天文台野边山宇宙所45米口径的望远镜、美国波多黎各天文台望远镜、德国波恩天文台望远镜、巴西天文台望远镜的抛物面都是用形状特异的5052铝合金板拼成，因为冷轧5052铝合金板是制造这种抛物面板的最佳材料。

 

为什么抛物面都用5052铝合金打造？因为它具有一系列优秀性能。它是美国铝业公司（Alcoa）于上世纪20年代后期推向市场的，其标定成分（质量%）：Si0.25，Fe0.40，Cu0.10，Mn0.10，Mg2.2～2.8，Cr0.15～0.35，Zn 0.10，其它杂质单个0.05、合计0.15，其余为铝。由Al-Mg系相图可知，Mg在铝中的溶解度仅次于Zn，居第二位，在450℃的极限溶解度为17.4%，室温时只有1%，在理论上Al-Mg合金应该有相当大的时效硬化效应，但因受β相（Mg2Al3）的沿晶沉淀倾向和弥散度的限制，一般没有价值和必要利用这种效应，全可以在退火和冷作硬化状态使用。

 

AI﹣Mg合金过饱和固溶体α′的沉淀过程：

α′→GP区→β′→β（Mg2Al3）

 

Mg原子直径（0.320纳米）远比Al（0.286纳米）的大，淬火后GP区虽在几秒内就能形成，但尺寸小（1.0纳米～1.5纳米），周围有密集的空位云，与母相间几乎不发生共格应变，故Mg含量≤7%的没有明显的时效硬化效应。

 

5052合金是一种中等偏低强度合金。AI-Mg合金加Mn或Cr主要为了改善抗蚀性和可焊性，但固溶部分还有一定的强化作用，Cu、Zn、Fe、Si是杂质，应严加控制。特点是：密度2.68g/cm3，比纯铝1050的2.705g/cm3稍低一些；有优秀的抗腐蚀性，在海洋气氛与海水中有高的抗蚀性，表面可长期保持高的表面光洁度，几乎“终身”不需要维护；可焊性良好，焊缝的力学性能几乎与基体材料的相等；特别好的可抛光性能，表面处理后亮晶晶的；塑性与成形性能优秀，可加工成各种各样的零部件，它的抗拉强度虽不高，但还是比1050工业纯铝的高不少，比3003合金的高一些，还有高的疲劳强度，不管是在实验室还是在实际使用中，都未出现应力腐蚀开裂现象。

 

由于5052合金具有上述的诸多优点，成为工业界一致认同的制造射电望远镜球面抛物面板块的不可多得的好材料。所以国外射电望远镜的“大锅”都是用一块块5052合金抛物线板块拼成的。

 

5052合金板的力学性能见表，它的物理性能如下：密度2.68g/cm3，熔化607℃～649℃，20℃时的电导率35%IACS，25℃时的热导率138W/（m·℃），20℃时的比热900J/（kg· ℃），（20℃～100℃）的线胀系数23.8×10-6/℃。在2.67%AlCl3溶液中对干汞电极（SCE）的自然电位为－936.2mV，孔食电位为－722.7mV，抗蚀性及抗应力腐蚀开裂性能均被评为A级。

 

5052合金只在退火（300℃～360℃）或冷加工硬化状态下使用，它的优秀抗蚀性只在β相沿晶内和晶界均匀分布的情况下，才能显示出来，同时有极高的稳定性，无论是退火或冷加工状态，在室温或低温或敏化处理温度（67℃～177℃）长时间加热，均不形成沿晶β相网膜，对应力腐蚀开裂（SCC）和剥落腐蚀（EFC）也不敏感。但Mg含量＞3.5%的合金则不是这样。

 

“天眼”中的铝材

 

中国“天眼”所用的铝合金板材与挤压铝材都是中铝西南铝业（集团）有限责任公司（以下简称“西南铝”）提供的，它的4450块反射面单元是用西南铝的板材加工的。除了第一“天眼”正式启用外，中国还有内蒙古自治区锡林郭勒盟正镶白旗草原深处的专门“看”太阳的“草原天眼”，占地10平方千米，排列着100面白色的抛物面天线阵列，这就是被誉为“草原天眼”的明安图射电频谱日像仪群，英文缩写名为MUSER。MUSER项目2008年开工建设，2013年开始进行一系列太阳射电观测，还将投资1.3亿元，进行二期建设，占地215亩，预计2023年建成，2025年投入使用。

 

铝合金的分类与不同牌号铝合金的典型用途

 

一系              

 

在所有系列中1000系列属于含铝量最多的一个系列。纯度可以达到99.00%以上。由于不含有其他技术元素，所以生产过程比较单一，价格相对比较便宜，是目前常规工业中最常用的一个系列。1000系列铝合金代表1050、1060 、1100系列。

 

1050——食品、化学和酿造工业用挤压盘管，各种软管，烟花粉

 

1060——要求抗蚀性与成形性均高的场合，但对强度要求不高，化工设备是其典型用途

 

1100——用于加工需要有良好的成形性和高的抗蚀性但不要求有高强度的零件部件，例如化工产品、食品工业装置与贮存容器、薄板加工件、深拉或旋压凹形器皿、焊接零部件、热交换器、印刷板、铭牌、反光器具

 

1145——包装及绝热铝箔，热交换器

 

1199——电解电容器箔，光学反光沉积膜

 

1350——电线、导电绞线、汇流排、变压器带材

 

二系              

 

2000系列铝板的特点是硬度较高，其中以铜原属含量最高，大概在3-5%左右。2000系列铝棒属于航空铝材，目前在常规工业中不常应用。2000系列铝合金代表2024、2A16（LY16）、2A02（LY6）。

 

2011——螺钉及要求有良好切削性能的机械加工产品

 

2014——应用于要求高强度与硬度（包括高温）的场合。飞机重型、锻件、厚板和挤压材料，车轮与结构元件，多级火箭第一级燃料槽与航天器零件，卡车构架与悬挂系统零件

 

2017——是第一个获得工业应用的2XXX系合金，目前的应用范围较窄，主要为铆钉、通用机械零件、结构与运输工具结构件，螺旋桨与配件

 

2024——飞机结构、铆钉、导弹构件、卡车轮毂、螺旋桨元件及其他种种结构件

 

2036——汽车车身钣金件

 

2048——航空航天器结构件与兵器结构零件

 

2124——航空航天器结构件

 

2218——飞机发动机和柴油发动机活塞，飞机发动机汽缸头，喷气发动机叶轮和压缩机环

 

2219——航天火箭焊接氧化剂槽，超音速飞机蒙皮与结构零件，工作温度为-270~300℃。焊接性好，断裂韧性高，T8状态有很高的抗应力腐蚀开裂能力

 

2319——焊拉2219合金的焊条和填充焊料

 

2618——模锻件与自由锻件。活塞和航空发动机零件

 

2A01——工作温度小于等于100℃的结构铆钉2A02工作温度200~300℃的涡轮喷气发动机的轴向压气机叶片                

 

2A06——工作温度150~250℃的飞机结构及工作温度125~250℃的航空器结构铆钉

 

2A10——强度比2A01合金的高，用于制造工作温度小于等于100℃的航空器结构铆钉

 

2A11——飞机的中等强度的结构件、螺旋桨叶片、交通运输工具与建筑结构件。航空器的中等强度的螺栓与铆钉              

 

2A12——航空器蒙皮、隔框、翼肋、翼梁、铆钉等，建筑与交通运输工具结构件

 

2A14——形状复杂的自由锻件与模锻件

 

2A16——工作温度250~300℃的航天航空器零件，在室温及高温下工作的焊接容器与气密座舱

 

2A17——工作温度225~250℃的航空器零件

 

2A50——形状复杂的中等强度零件

 

2A60——航空器发动机压气机轮、导风轮、风扇、叶轮等

 

2A70——飞机蒙皮，航空器发动机活塞、导风轮、轮盘等

 

2A80——航空发动机压气机叶片、叶轮、活塞、涨圈及其他工作温度高的零件

 

2A90——航空发动机活塞

 

三系            

 

我国3000系列铝板生产工艺较为优秀。3000系列铝棒是由锰元素为主要成分，含量在1.0-1.5之间，是一款防锈功能较好的系列。3000系列铝合金代表3003、 3A21为主。

 

3003——用于加工需要有良好的成形性能、高的抗蚀性可焊性好的零件部件，或既要求有这些性能又需要有比1XXX系合金强度高的工作，如厨具、食物和化工产品处理与贮存装置，运输液体产品的槽、罐，以薄板加工的各种压力容器与管道

 

3004——全铝易拉罐罐身，要求有比3003合金更高强度的零部件，化工产品生产与贮存装置，薄板加工件，建筑加工件，建筑工具，各种灯具零部件

 

3105——房间隔断、档板、活动房板、檐槽和落水管，薄板成形加工件，瓶盖、瓶塞等

 

3A21——飞机油箱、油路导管、铆钉线材等；建筑材料与食品等工业装备等

 

四系              

 

4000系列的铝板属于含硅量较高的系列，通常硅含量在4.5-6.0%之间。属建筑用材料,机械零件,锻造用材,焊接材料;低熔点,耐蚀性好，产品描述:具有耐热、耐磨的特性。4000系列铝棒代表为4A01。

 

五系              

 

 5000系列铝棒属于较常用的合金铝板系列，主要元素为镁，含镁量在3-5%之间，又可以称为铝镁合金。主要特点为密度低，抗拉强度高，延伸率高，疲劳强度好，但不可做热处理强化。在相同面积下铝镁合金的重量低于其他系列.在常规工业中应用也较为广泛。在我国5000系列铝板属于较为成熟的铝板系列之一。5000系列铝合金代表5052、5005、5083、5A05系列。

 

5005——与3003合金相似，具有中等强度与良好的抗蚀性。用作导体、炊具、仪表板、壳与建筑装饰件。阳极氧化膜比3003合金上的氧化膜更加明亮，并与6063合金的色调协调一致

 

5050——薄板可作为致冷机与冰箱的内衬板，汽车气管、油管与农业灌溉管；也可加工厚板、管材、棒材、异形材和线材等

 

5052——此合金有良好的成形加工性能、抗蚀性、可烛性、疲劳强度与中等的静态强度，用于制造飞机油箱、油管，以及交通车辆、船舶的钣金件，仪表、街灯支架与铆钉、五金制品等

 

5056——镁合金与电缆护套铆钉、拉链、钉子等；包铝的线材广泛用于加工农业捕虫器罩，以及需要有高抗蚀性的其他场合

 

5083——用于需要有高的抗蚀性、良好的可焊性和中等强度的场合，诸如舰艇、汽车和飞机板焊接件；需严格防火的压力容器、致冷装置、电视塔、钻探设备、交通运输设备、导弹元件、装甲等

 

5086——用于需要有高的抗蚀性、良好的可焊性和中等强度的场合，例如舰艇、汽车、飞机、低温设备、 电视塔、钻井装置、运输设备、导弹零部件与甲板等

 

5154——焊接结构、贮槽、压力容器、船舶结构与海上设施、运输槽罐

 

5182——薄板用于加工易拉罐盖，汽车车身板、操纵盘、加强件、托架等零部件

 

5252——用于制造有较高强度的装饰件，如汽车等的装饰性零部件。在阳极氧化后具有光亮透明的氧化膜

 

5254——过氧化氢及其他化工产品容器

 

5356——焊接镁含量大于3%的铝-镁合金焊条及焊丝

 

5454——焊接结构，压力容器，海洋设施管道

 

5456——装甲板、高强度焊接结构、贮槽、压力容器、船舶材料

 

5457——经抛光与阳极氧化处理的汽车及其他装备的装饰件

 

5652——过氧化氢及其他化工产品贮存容器

 

5657——经抛光与阳极氧化处理的汽车及其他装备的装饰件，但在任何情况下必须确保材料具有细的晶粒组织

 

5A02——飞机油箱与导管，焊丝，铆钉，船舶结构件

 

5A03——中等强度焊接结构，冷冲压零件，焊接容器，焊丝，可用来代替5A02合金

 

5A05——焊接结构件，飞机蒙皮骨架

 

5A06——焊接结构，冷模锻零件，焊拉容器受力零件，飞机蒙皮骨部件

 

5A12——焊接结构件，防弹甲板

 

六系              

 

主要含有镁和硅两种元素，故集中了4000系列和5000系列的优点6061是一种冷处理铝锻造产品，适用于对抗腐蚀性、氧化性要求高的应用。可使用性好，容易涂层，加工性好。6000系列铝合金代表6061。

 

6005——挤压型材与管材，用于要求强高大于6063合金的结构件，如梯子、电视天线等

 

6009——汽车车身板

 

6010——薄板：汽车车身

 

6061——要求有一定强度、可焊性与抗蚀性高的各种工业结构性，如制造卡车、塔式建筑、船舶、电车、 夹具、机械零件、精密加工等用的管、棒、形材、板材

 

6063——建筑型材，灌溉管材以及供车辆、台架、家具、栏栅等用的挤压材料

 

6066——锻件及焊接结构挤压材料

 

6070——重载焊接结构与汽车工业用的挤压材料与管材

 

6101——公共汽车用高强度棒材、电导体与散热器材等

 

6151——用于模锻曲轴零件、机器零件与生产轧制环，供既要求有良好的可锻性能、高的强度，又要有良好抗蚀性之用

 

6201——高强度导电棒材与线材

 

6205——厚板、踏板与耐高冲击的挤压件

 

6262——要求抗蚀性优于2011和2017合金的有螺纹的高应力零件

 

6351——车辆的挤压结构件，水、石油等的输送管道

 

6463——建筑与各种器具型材，以及经阳极氧化处理后有明亮表面的汽车装饰件

 

6A02——飞机发动机零件，形状复杂的锻件与模锻件

 

七系              

 

主要含有锌元素。也属于航空系列，是铝镁锌铜合金，是可热处理合金，属于超硬铝合金，有良好的耐磨性，也有良好的焊接性，但耐腐蚀性较差。目前基本依靠进口，我国的生产工艺还有待提高。7000系列铝合金代表7075。

 

7005——挤压材料，用于制造既要有高的强度又要有高的断裂韧性的焊接结构，如交通运输车辆的桁架、杆件、容器；大型热交换器，以及焊接后不能进行固熔处理的部件；还可用于制造体育器材如网球拍与垒球棒

 

7039——冷冻容器、低温器械与贮存箱，消防压力器材，军用器材、装甲板、导弹装置

 

7049——用于锻造静态强度与7079-T6合金的相同而又要求有高的抗应力腐蚀开裂勇力的零件，如飞机与导弹零件——起落架液压缸和挤压件。零件的疲劳性能大致与7075-T6合金的相等，而韧性稍高

 

7050——飞机结构件用中厚板、挤压件、自由锻件与模锻件。制造这类零件对合金的要求是：抗剥落腐蚀、应力腐蚀开裂能力、断裂韧性与抗疲劳性能都高

 

7072——空调器铝箔与特薄带材；2219、3003、3004、5050、5052、5154、6061、7075、7475、7178合金板材与管材的包覆层

 

7075——用于制造飞机结构及期货他要求强度高、抗腐蚀性能强的高应力结构件、模具制造

 

7175——用于锻造航空器用的高强度结构性。T736材料有良好的综合性能，即强度、抗剥落腐蚀与抗应力腐蚀开裂性能、断裂韧性、疲劳强度都高

 

7178——供制造航空航天器的要求抗压屈服强度高的零部件

 

7475——机身用的包铝的与未包铝的板材，机翼骨架、桁条等。其他既要有高的强度又要有高的断裂韧性的零部件

 

7A04——飞机蒙皮、螺钉、以及受力构件如大梁桁条、隔框、翼肋、起落架等

 

八系              

 

8000系列铝合金较为常用的为8011属于其他系列，大部分应用为铝箔，生产铝棒方面不太常用。

 

九系              

 

9000系列铝合金是备用合金。

 

铝合金的物质类别

 

铝合金分冶炼品和压力加工品两类，前者以化学成份Al表示，后者用汉语拼音LG（铝、工业用的）表示。铝合金压力加工产品分为防锈（LF）、硬质（LY）、锻造（LD）、超硬（LC）、包覆（LB）、特殊（LT）及钎焊（LQ）等七类。常用铝合金材料的状态为退火（M焖火）、硬化（Y）、热轧（R）等三种。铸造铝合金（ZL）按成分中铝以外的主要元素硅、铜、镁、锌分为四类，代号编码分别为100、200、300、400。高强度铝合金指其抗拉强度大于480兆帕的铝合金，主要是压力加工铝合金中硬铝合金类、超硬铝合金类和铸造合金类。

 

铝合金的大气腐蚀机理及防腐措施

 

铝合金的表面氧化膜是铝合金具有耐大气腐蚀性的主要原因.铝的氧化膜(γ-Al2O3)在室温的大气中就可以生成,而且非常迅速和致密,厚度为25~30Å.也就是说,氧化膜在大气环境中具有自修复功能.若有水存在或者暴露在大气中几个月以后,最初形成的γ-Al2O3的外层转变为一薄层γ-AlOOH.然后,在γ-AlOOH上又会覆盖上一层Al(OH)3(也可写成Al2O3·3H2O).从铝-水体系的电位-pH图可知,Al(OH)3在较大的pH范围内都会保持稳定。Al(OH)3从pH=4开始溶解;当pH=2.4时,认为Al(OH)3会完全溶解(事实上,即使pH=2.0时,铝表面的腐蚀类型仍然是孔蚀.).大部分的降雨、差不多所有的雾、表面蒸发浓缩的液层和铝表面小孔内的电解质都会使铝处于腐蚀状态.环境因素对铝的大气腐蚀的影响和其它金属相似,与环境大气的相对湿度、温度、大气中SO2的浓度、Cl-的含量以及降水的数量、酸度相关性较大,同时也受到O3,NOx及CO2等污染组分的轻微影响.大气污染物通过干湿沉降,使得金属表面存在着和大气中同样丰富的化学组分.暴露在大气中的铝合金表面可分为三层:铝合金及其氧化膜、腐蚀产物层和大气污染物形成的污染层或薄液膜.根据大气化学组分对铝和铝合金化学、电化学反应的不同及形成的腐蚀产物的性质不同,存在着不同的腐蚀机制。

 

１.氯离子的存在是引起铝和铝合金大气腐蚀的重要原因。由于铝的氯化物具有可溶性,在户外暴露的铝表面上并没有大量的氯化物层存在,只有少量的氯离子进入到腐蚀产物层.Cl-通过竟争吸附,逐渐取代Al(OH)3表面上的OH-生成AlCl3,如方程式(1)~(3)所示:

 

２.空气中的CO2能有效地阻碍NaCl引发的铝的大气腐蚀。铝在不含CO2潮湿空气中的腐蚀速率,和在正常CO2水平的空气中的腐蚀速率相比,约是后者的20倍.有人认为,CO2中和了在铝表面阴极区氧还原产生的氢氧根离子,降低了液层pH值,从而使得铝的溶解速率下降。

 

３.一般认为:O3是潜在的加速剂,通过氧化H2S、SO2和NOx而影响金属的大气腐蚀。O3还能够通过自身的去极化反应,引起铝腐蚀.实验表明,铝暴露在不同大气污染物(10ppm的SO2,NOx,O3,取样大气)的气体(25e和98%相对湿度)四个星期以后,O3引起的腐蚀失重最大,其次是SO2,NO2,取样大气,NO.氧化膜的完整性及成分还受到铝合金的化学组分和微观结构的影响.为了提高铝合金的力学性能,往往要加入一些合金元素,并进行一定的热处理(固溶、淬火、时效等).一些杂质元素如Fe、Mn、Si也常以FeAl3、AAlMnSi、SiO2等形式出现在铝合金当中.这些合金元素对铝合金微观结构的影响是不同的,要根据它们是存在于固溶体中,还是作为第二相分散在铝基体或者偏聚在晶界上.当合金元素形成的化合物颗粒存在于金属表面时,它们表面的氧化膜往往很薄,甚至不存在。

 

传统的铝和铝合金大气腐蚀试验

 

传统的大气腐蚀一般通过大气暴露实验、室内模拟加速试验进行研究.大气暴露试验能够反应材料在自然环境中的实际腐蚀情况,所得数据直观、可靠,虽然试验周期长、速度慢、费用高,但它是铝和铝合金大气腐蚀研究的重要方法.室内模拟加速试验可以显著减少试验时间,快速地对材料的大气腐蚀行为进行评价和预测,不能完全地取代大气暴露试验.铝合金的腐蚀速率表征既采用普遍使用的年失重量多少,也使用孔蚀坑的深度及数量分布和力学性能(抗拉强度、屈服强度)损失量.观察腐蚀形貌和分析腐蚀产物时,使用一些物理化学分析手段,如光学微镜、扫描电镜、X射线衍射分析、X射线光电子能谱等。

 

室内模拟加速试验

 

常见的大气腐蚀的室内加速试验有湿热试验、盐雾试验、干湿周浸循环试验以及多因子复合试验,一般认为干湿交替的周浸循环试验比较能够反映大气腐蚀的特点.干湿交替的周浸循环试验的最初提出是为了评价耐候钢的性能,适用于有钝化膜的金属及合金.这种研究方法从电化学的角度来说,也是合理的.对于铝合金,可以采用此方法进行大气腐蚀试验,评价铝合金的耐蚀性.采用pH=3.0的5%NaCl+015%(NH4)2SO4(用醋酸调节pH值)作加速剂,对LY12和LC4两种高强铝合金进行了间歇盐雾和周期轮浸腐蚀试验,与广州,琼海十年的实地暴露试验结果对比.他认为两种铝合金加速方法之间有类似的腐蚀动力学规律,其中前者相对于大气腐蚀有较好的模拟性和加速性.也有人采用简易方法模拟湿热大气腐蚀试验,在工业纯铝ZL10和ZL109合金表面诱发腐蚀,观察和分析了铸铝合金中第二相和腐蚀产物的微观形貌及化学成分.在吸附了水分和侵蚀性氯离子微观孔隙周围,由第二相粒子和铝基体构成腐蚀微电池发生电化学反应,电位较负的铝首先发生溶解,导致局部点状腐蚀,腐蚀产物主要为铝的不溶性氢氧化物,还含有少量的氧化铝等.用室内加速试验评价结构铝合金的耐大气腐蚀性时,除测量失重和孔蚀深度外,应包括金相分析和力学试验.室内模拟加速试验从单因子控制到多因子控制,从简单的电位测量到交流阻抗技术等多种测量技术的应用,在过去的几十年里得到一定程度的发展.但是在大气腐蚀机理研究和准确地重现大气暴露试验结果方面,仍有较大的差距.室内模拟加速试验的重复性还需要提高.一部分研究者做了室内气体腐蚀试验,通过对一种或几种腐蚀性气体组分浓度、相对湿度、温度及暴露时间条件控制,观察金属的腐蚀并通过多种手段分析腐蚀产物,给出腐蚀过程的动力学规律和腐蚀机理.不过,这些实验仅仅局限于纯铝材料,研究工作处于起步阶段.Oesch用气体试验箱分析了各腐蚀性气体成分对纯铝大气腐蚀的影响.他认为臭氧对铝的大气腐蚀的影响要强于SO2和NO2.Bl™cher通过控制空气中CO2的浓度,研究了CO2阻碍NaCl引发铝的大气腐蚀机制。

 

综上所述,传统的大气腐蚀试验得到的数据是一段时间内金属的宏观的、统计的腐蚀行为和规律,对大气腐蚀过程中的关键反应和中间过程缺乏清楚的描述.随着仪器制造技术的进步,人们越来越趋向于对金属的大气腐蚀过程进行连续、原位的研究,从微观上,甚至于原子尺度上认识其腐蚀规律。

 

实验结论

 

1）微合金化后的耐腐蚀性与合金中各相的电极电位有很大的关系.若基体相为阴极相,第二相为阳极相,合金一般有较高的耐蚀性;反之,若基体相为阳极相,第二相为阴极相,则第二相数量越多,电位越高,合金腐蚀越严重。

 

2）Al-7%Si合金的腐蚀从硅相及晶间处优先开始,以点蚀为主.加入Cu元素,实验合金有明显的晶间腐蚀倾向.其它元素影响相对较小。

 

3）电化学实验结果表明,所有实验合金均较快进入钝态,随着各合金元素的加入,实验合金的自腐蚀电位向负向移动,腐蚀电流密度增加。

 

合金元素和杂质元素的影响

 

合金元素对铝和铝合金耐蚀性的影响是一个复杂的问题。因为这不仅与合金元素的电极电位( 电化学序) 有关，还与合金元素的存在形式( 固溶体还是析出的金属间化合物相)、合金元素的加入量等诸多因素有关。

 

锰

 

锰在铝合金中主要以MnAl6相存在而MnAl6相和铝有着相同的自然电极电位，几乎没有电位差，少量的锰往往还会提高合金的耐蚀性。因为能生成MnFeAl6，从而部分消除含铁的强阴极性相（如AlSi2Fe等），从而增强了耐蚀性。所以Al-Mn合金是重要的防锈铝合金之一。

 

锌

 

锌在 0.2％ 以下时，对铝合金耐蚀性的影响不大。当锌作为某些高强铝合金的添加元素时，其析出的金属间化合物仍然可能成为铝的阴极，但其对耐蚀性的影响小于铜、铁、镍等阴极性元素。

 

铜

 

铜以各种不同的含量存在于许多高强铝合金中，它还可能在工业铝及其合金中以杂质出现。铜对铝来说是强阴极性元素( 电极电位正得多)，所以，即使铜的含量不多，也可对铝及其合金的耐蚀性产生严重的影响。如当含有0.1％铜时，高纯铝的腐蚀速度提高了1600倍，要提高耐蚀性，铜的含量必须严格控制。

 

铁

 

铁是铝合金中常有的杂质，并对合金的耐蚀性有相当大的影响，其作用仅次于铜。铁对铝来说，也是强阴极性元素。铁在铝中的溶解度十分小，在温度500℃时也仅为0.005％，过剩的铁往往生成阴极性相FeAl3，对铝形成微电偶腐蚀。

 

硅

 

硅对铝耐蚀性的影响在不同铝合金中是不同的。在Al-Si铸造铝合金中，过量的硅以片状存在于合金中，它对铝起阴极性相的作用，对耐蚀是有害的。在合金含有铁时，硅可能会进入FeAl3金属间化合物，起强阴极性相作用，对耐蚀性影响很大。而对于可热处理的Al-Mg-Si合金，时效后生成Mg2Si相，这种化合物的出现对合金耐蚀性影响不大。所以，对于铝和铝合金，单独的硅不如硅和铁同时存在时的有害作用大。

 

镍

 

镍广泛用于可热处理强化铝合金的合金元素，它对铝合金耐蚀性的有害影响小于铜和铁。

 

钛

 

钛在铝合金中的含量很小，它对耐蚀性的影响也不大。有报导，含钛0.007％~0.008％时会对超纯铝在碱中的耐蚀性不利。而在某些酸中，0.16％~0.37％钛的加入对工业纯铝耐蚀性会产生有利影响，而钛对铝在氯化钠溶液中耐蚀性的影响却很小。

 

铝合金防腐保护研究进展

 

为了解决铝合金在大气环境中的腐蚀问题，通常需要对铝合金表面进行防腐保护，涂装涂料是最经济有效的保护方式之一。传统的涂层保护体系由转变层（预处理层）、底漆和面漆构成。转变层的主要作用是增加基材与底漆间的

 

黏结达到一定程度的防腐效果，底漆主要是防腐，面漆主要起耐侯、装饰及伪装的作用。由于传统的铝合金防护与处理工艺中采用的六价铬对人体有害，因此世界环境保护组织在1982 年起就要求限制使用铬酸盐和其它含铬的化合物。所以研制无铬、经济有效、环境友好的铬酸盐及缓蚀剂替代品和转变处理层处理工艺是急需解决的问题。用传统的涂料材料和新工艺实现防腐、美观、耐用、环境友好并具有伪装功能的涂装技术更是近年来研究的热点。

 

铝合金表面处理方法

 

1）表面包铝层。纯铝与空气中的氧作用生成的氧化铝薄膜很致密，可以防止腐蚀介质与基体金属进一步接触，从而起到防腐作用。在铝合金板件的制造过程中，采用滚压工艺在铝合金板件表面包覆上一层纯铝。这种包覆纯铝的铝合金称为包铝铝合金。

 

2）阳极氧化法。铝合金的阳极氧化处理是在电解液中将铝合金制品作为阳极，铝板作为阴极，通电后在铝合金制品表面生成氧化膜。阳极氧化法形成的氧化膜较厚，具有较好的耐蚀性。这层氧化膜是一种不导电的绝缘膜，对底漆有良好的吸附能力，耐久性好，是一种优先选用的表面处理工艺。

 

3）化学氧化法。在铝合金制品的表面处理方法中，无铬转化处理已成为化学转化处理方法的发展趋势。目前主要采用的无铬化学氧化方法有高锰酸盐氧化法、钼酸盐氧化法、稀土金属盐氧化法、沸水氧化法、锆盐氧化法和钛盐氧化法。其中铝合金的表面稀土化学转化膜处理主要是以铈盐为主，由于稀土处理工艺无铬无毒，处理后的溶液可直接排放，已成为近年来耐腐蚀膜的研究热点。钛与铬性质非常相似，在几乎所有的自然环境中都不腐蚀，极好的腐蚀阻力源于在其表面上所形成的连续稳定、结合牢固和具有保护性能的氧化膜层。钛酸盐类化学氧化膜将来有可能替代铬酸盐类化学氧化膜。

 

4）激光熔覆法。激光熔覆法是在高能光束的作用下，将一种或多种合金元素和基体表面快速加热熔化，光束移开后自然冷却的一种表面强化方法。激光熔覆法可以在铝合金表面熔覆铜基、镍基复合材料以及陶瓷粉末，从而提高铝合金表面的耐蚀性。

 

5）溶胶-凝胶法。溶胶-凝胶法是采用溶胶-凝胶工艺，用过渡金属醇盐作为合成氧化物的前驱体，在铝合金表面形成氧化膜以减缓铝合金腐蚀的方法。相对于其他表面处理方法，溶胶-凝胶法是目前铬酸盐表面处理的最佳替代品，因为其具有施工工艺简单、防腐效果好等优点。

 

6）等离子烧蚀法。用等离子烧蚀净化金属表面主要是化学蚀刻法和喷溅法。化学蚀刻法是轰击离子与金属表面的脱位原子发生化学反应的方法。喷溅法是通过氩气和氦气等惰性等离子气轰击金属表面后发生离子交换，从而使有机或无机污染物离开金属表面的方法。化学蚀刻法和喷溅法的主要差别是表面能的变化和对涂层与表面的影响。

 

用于铝合金的防腐涂料

 

铝合金经过表面保护处理之后，虽然防腐性能得到大幅提高，但是还不能满足金属材料在强腐蚀介质中的防腐要求，需要进一步涂装涂料来提高其防腐性能。近年来，人们采用不产生可挥发性有机物（VCOs）和其它空气污染物（HAPs）组分的几种新型阻隔体系来对铝合金进行防腐保护。

 

1）等离子沉积。低温等离子沉积可以在金属表面形成具有优异防腐性能的超薄输水阻隔涂层：

 

（1）形成与金属基体表面以共价键结合的高度交联的聚合物膜；（2）与金属基体具有优异的粘接性；（3）优异的耐化学性。

 

2）溶胶-凝胶法。采用溶胶-凝胶工艺，用过渡金属醇盐作为前躯体，低温下可以在金属表面形成三维氧化物保护薄膜。该氧化膜层是一种具有化学介质性和热耐久性的惰性输水阻隔层。采用改进的溶胶-凝胶工艺可制备各种金属和合金的防腐保护涂层。近年来，Khramov 等采用自组装纳米颗粒（SNAP）工艺在铝合金表面形成的转变层，完全可以替代铬酸盐转变涂层。

 

3）SPT 涂层。SPT 涂层可以同时起到底漆和面漆的作用。SPT 聚氨酯涂层的阻隔剂是由钼酸锌、磷酸锌和苯甲酸锌化合而成。其防腐性能较传统的环氧（底漆）/聚氨酯（顶层）的多层体系更加优异。

 

4）电沉积涂层。电沉积形成的连续膜厚度容易控制，且与金属基体的粘结力强。电沉积涂层可以单独作为底漆使用也可以代替整个涂层体系，可用于电沉积基体的树脂有环氧树脂、聚酯树脂、醇酸树脂、丙烯酸树脂和聚氨酯树脂等。

 

聚合物防腐蚀膜

 

聚合物防腐蚀膜在铝合金表面形成厚度均匀、无孔，与金属基体粘结力强的聚合物膜对铝合金基体具有防腐蚀作用。

 

1）非导电类。非导电聚合物膜是通过阻止金属基体和周围腐蚀环境的直接接触即屏蔽作用起到防腐蚀作用，它阻止环境中O2，H2O及杂质离子与金属基体接触，从而阻止大气腐蚀和电化学腐蚀。通常选用的这类聚合物主要有环氧树脂、有机硅聚合物、聚苯乙烯及聚氨酯等的共混物、丙烯酰胺及 N-取代马来酰亚胺与苯乙烯的共聚物等。

 

2）导电类。导电聚合物膜是利用聚合物膜的导电性，在聚合物膜与铝及其合金基体界面间易发生氧化还原反应和电子转移反应形成稳定的氧化膜，阻止金属腐蚀。研究表明，甲基丙烯酸和丙烯酸的共聚物与聚苯胺形成的络合物保护膜在盐雾和酸性环境中防腐蚀性能比阳极氧化处理的防腐蚀性好，且无剥离现象出现。

 

涂防腐剂

 

由于有机涂层中含有细孔及存在着低交联密度或颜料浓度较高的微区，H2O，O3和Cl-等可以通过这些微区扩散到涂层/金属的界面，所以单一的有机涂层不能够完全有效地防止底层金属的腐蚀。因此，把无机或有机抑制剂与有机涂料体系联合起来应用以提高防腐性能是必要的。目前探寻到的有发展前景的铬酸盐防腐剂替代品主要有铈化合物、钼酸盐、磷酸盐和有机缓蚀剂等。

 

结语

 

目前，铝及铝合金在薄液膜下的腐蚀起因、控制因素和腐蚀机理等并不完全清楚。由于含有铬酸盐材料的严重危害性，促使人们对其应用范围进行了严格限制和管理，因此探寻满足铬酸盐材料使用性能要求的替代品和满足相应防腐性能的工艺技术是迫切需要解决的问题。采用新材料、新方法、新技术开发新型环保、性能优异和应用广泛的铝合金防腐措施将是今后发展的重点。