高濕高鹽霧環境下雙光激光除銹裝置抗腐蝕性能分析

陳 浩，余興建，譚 震，王瑞強，張風如

（貴州電網有限責任公司凱里供電局，貴州凱里 556000）

鋼材使用時間長便會出現生銹情況。鐵銹在高濕高鹽霧環境中將會加快鋼鐵腐蝕速度。若鋼鐵材料使用于存在酸、氯氣、電介質的溶液里，將因為銹蝕而成為廢材[1-2]。根據相關部門整理可知，全球因銹蝕而致使鋼鐵材料變成廢材的情況屢見不鮮。鋼鐵材料銹蝕將致使產品質量變差、環境出現污染，且對人體健康存在較為顯著的負面影響。所以，針對長時間使用鋼鐵產品而言，需要定期除銹保護[3-4]。尤其是海洋工作船舶，船體長時間接觸海水，遭到海水里海量的鹽堿侵蝕，將致使船體材料出現電化學腐蝕[5]。激光除銹也可以理解成激光清洗方法，是目前新研發的除銹方法。其通過高峰值功率的脈沖激光照射生銹區域，生銹區域獲取激光能量后溫度快速提升，致使其出現蓬松、熱震動等相關變動，實現生銹部位和材料本體分離，實現除銹[6]。但是，在高濕高鹽霧環境中，雙光激光除銹裝置也會出現腐蝕，裝置生銹將大大降低其除銹效果，為此，本文提出高濕高鹽霧環境下雙光激光除銹裝置抗腐蝕性能分析方法，對高濕高鹽霧環境下雙光激光除銹裝置抗腐蝕性能實施深入研究[7]。

1 雙光激光除銹裝置抗腐蝕性能分析

1.1 雙光激光除銹裝置

雙光激光除銹裝置的詳情圖如圖1 所示。

該裝置的除銹清洗激光器為脈沖CO2激光器。此激光器和紫外、紅外YAG 激光相比，紫外、紅外YAG 激光容易導致鋼材基底出現黃化現象。使用脈沖CO2激光器作為該裝置的除銹清洗激光器時，其峰值功率符合清洗目標的燒蝕閾值要求，且平均功率大，可以完成高效率除銹清洗任務。該裝置的鈍化激光器是聲光調Q Nd:YAG 激光器[8-9]。脈沖 激光器不可以使用傳統傳能光纖傳輸，能夠選取的傳播模式依次為自由空間傳播、導光臂傳播。聲光調Q Nd:YAG 激光器能夠采用傳能光纖、導光臂傳播傳輸[10]。

圖1 雙光激光除銹裝置的詳情圖Fig.1 Detail drawing of derusting device of double light machine tool

按照兩類波長激光的傳播屬性，能夠使用多關節雙鏡筒導望遠鏡類導光臂實施激光傳播，傳播兩個激光時以并行性傳播模式為主。此類導光臂前方兩種關節不存在關聯性，依次把脈沖CO2激光器與聲光調Q Nd:YAG激光器衍生的激光耦合至導光臂的兩種分支鏡筒中，后端的多種關節存在合并性，不但符合導光臂靈活性的需求，還能夠實現非長程閉路的激光光束傳播[11-12]。

1.2 高濕高鹽霧環境建模

1.2.1 高濕環境建模與求解

計算空氣與水蒸氣建立的混合物組分輸運方程能夠得到濕度場[13]。濕度場第j個組分的濕度含量設成Xj，那么質量守恒方程是：

式（1）中，h表示時間；?表示質量守恒方程參數；?代表哈密頓算符；組分j因為化學反應的生成項設成Sj；組分j 因為別的原因衍生的源項設成Zj；β代表介質孔隙水平；Xj表示第j 類核心組分濃度值；u代表核心組分流量；組分j的擴散通量設成Kj。Kj處于湍流里的運算方法是：

式（2）中，H、?H代表湍流運動系數；湍流施密特數與渦流系數依次設成Zdh、hα；湍流擴散系數設成Eh,j。

1.2.2 高鹽環境模型與求解

計算標量運輸方程能夠獲取鹽度分布環境：

式（3）中，Zφ、U依次描述標量輸運系數與體積源項；φ代表歐拉常數；F表示鹽霧密度。

按照鹽霧氣溶膠釋放度的經驗或半經驗方法，能夠獲取穩定環境中鹽霧氣溶膠濃度的分布特征：

式（4）中，c、b、ε、m、n表示獨自變量，能夠按照邊界條件設定；地表上鹽霧氣溶膠濃度設成D、D0，D0和鹽霧氣溶膠釋放通量G的關聯性是：

式（5）中，s?代表鹽霧氣溶膠顆粒的沉降速度；d表示無理數；表示鹽霧氣溶膠質量分數。

1.3 抗腐蝕性能分析方法

試驗使用1.1 提出的雙光激光除銹裝置實施抗腐蝕性能分析，該裝置的詳細信息見表1。

表1 雙光激光除銹裝置元素信息Table 1 Element information of double light laser derusting device

為了深度分析雙光激光除銹裝置的抗腐蝕性能，通過1.2 提出的方法模擬高濕高鹽霧環境，分析高濕高鹽霧環境中雙光激光除銹裝置的抗腐蝕性能[14-15]。

主要測試腐蝕坑深度、面積、腐蝕速率、巴氏硬度。腐蝕坑測量使用奧林巴斯BX53 顯微鏡的景深功能檢測腐蝕坑的深度，通過Acd See Pro6 軟件檢測腐蝕面積。腐蝕速率的檢測使用失重法。失重法可理解為雙光激光除銹裝置在高濕高鹽霧環境中腐蝕固定時間后，分析腐蝕差異時間后的腐蝕狀況變動結果，以此判斷腐蝕速率[16]。

失重法使用范圍不存在局限，可以直接判斷材料的抗腐蝕性。使用失重法運算腐蝕速率的方法是：

式（6）中，腐蝕速率與檢測面積依次設成P、r，測試耗時設成k，g0、g 依次描述檢測前樣本的重量與檢測后樣本的重量。

巴氏硬度可理解為按照巴氏硬度計壓縮雙光激光除銹裝置的深淺體現雙光激光除銹裝置硬度的指標[17]。在各個腐蝕時間段里將雙光激光除銹裝置樣品實施巴氏硬度檢測后，按照羅曼諾夫斯基準則將雙光激光除銹裝置樣品檢測數據進行整體，以平均值描述雙光激光除銹裝置樣品在各個腐蝕時間段中的巴氏硬度。巴氏硬度保留度（%）計算方法是：

式（7）中，巴氏硬度保留度設成Δ；雙光激光除銹裝置樣品腐蝕前后的巴氏硬度依次設成M0、M。

2 測試結果

當高濕高鹽霧環境中濕度依次是30%、40%、50%，鹽霧氣溶膠濃度是50% 時，雙光激光除銹裝置在高濕高鹽霧環境中腐蝕30 天后，其腐蝕范圍粗糙度、腐蝕坑數目、腐蝕坑面積最大值的檢測結果見表2。

表2 腐蝕結果Table 2 Corrosion results

由表2 可知，當高濕高鹽霧環境中濕度依次是30%、40%、50% 時，鹽霧氣溶膠濃度是50% 時，雙光激光除銹裝置在高濕高鹽霧環境中腐蝕30 天后，腐蝕坑數目伴隨濕度的增加而逐漸增多，粗糙水平與腐蝕坑面積愈發顯著。

為了詳細分析雙光激光除銹裝置在高濕高鹽霧環境中腐蝕表面粗糙水平詳情，以濕度為50% 為例，鹽霧氣溶膠濃度是50% 時，繪制5 天、10 天、15 天、20 天、25 天、30 天腐蝕范圍表面粗糙水平伴隨時間的變動詳細示意圖，結果如圖2 所示。

圖2 腐蝕表面粗糙水平Fig.2 Corrosion surface roughness level

分析圖2 時顯而易見，在鹽霧氣溶膠濃度是50%、濕度是50% 這種環境中，雙光激光除銹裝置表面粗糙水平伴隨腐蝕時間的增多而變大，且雙光激光除銹裝置表面粗糙水平增長速度較快。

雙光激光除銹裝置在高濕高鹽霧環境中腐蝕后，將出現腐蝕產物，腐蝕產物脫落會影響雙光激光除銹裝置質量。所以，本文實現高濕高鹽霧環境中雙光激光除銹裝置重量耗損度的提取，主要通過檢測腐蝕前后雙光激光除銹裝置樣本的重量差實現。

當高濕高鹽霧環境中鹽霧氣溶膠濃度依次是30%、40%、50%，濕度是50% 時，雙光激光除銹裝置在高濕高鹽霧環境中腐蝕30 天后，通過電子稱重儀檢測雙光激光除銹裝置重量，檢測結果見表3。

表3 腐蝕失重測量結果Table 3 Measurement results of corrosion loss

分析表3 可知，在差異鹽霧氣溶膠濃度環境中，雙光激光除銹裝置腐蝕前后重量存在差異。為了直觀分析雙光激光除銹裝置在高濕高鹽霧環境中腐蝕失重情況，根據表3 數據繪制鹽霧氣溶膠濃度依次是30%、40%、50%，濕度是50% 時，雙光激光除銹裝置腐蝕重量耗損度變化趨勢如圖3 所示。

圖3 腐蝕失重Fig.3 Corrosion loss

由圖3 可知，雙光激光除銹裝置在高濕高鹽霧環境中，鹽霧氣溶膠濃度增大，雙光激光除銹裝置重量耗損度逐漸增大。

當鹽霧氣溶膠濃度、濕度均為50% 時，依次測試雙光激光除銹裝置在此環境中腐蝕10 天、15 天、20 天、25 天、30 天的腐蝕速率，結果如圖4 所示。

圖4 腐蝕速率Fig.4 Corrosion rate

雙光激光除銹裝置在高濕高鹽霧環境中的腐蝕速率能夠描述雙光激光除銹裝置腐蝕狀態的變化、狀態。分析圖4 可知，雙光激光除銹裝置在高濕高鹽霧環境中，伴隨腐蝕時間的增多，雙光激光除銹裝置的腐蝕速率出現先變大后變小的趨勢。腐蝕10 天時，雙光激光除銹裝置在高濕高鹽霧環境中的腐蝕速率高速增長，雙光激光除銹裝置質量耗損速度快。腐蝕時間為15 天時，雙光激光除銹裝置的腐蝕速度變動不大；腐蝕時間為20 天時，腐蝕速率和15 天的速率相比有所降低，但在第25 天時，雙光激光除銹裝置的腐蝕速率再次提升，腐蝕時間為30天時，雙光激光除銹裝置的腐蝕速率再次下降，腐蝕率降低。

同樣在鹽霧氣溶膠濃度、濕度均為50% 的環境中雙光激光除銹裝置的腐蝕樣貌檢測結果如圖5 所示。

圖5 腐蝕樣貌Fig.5 Corrosion appearance

分析圖5 可以直接看出，雙光激光除銹裝置在高濕高鹽霧環境中腐蝕10 天時，腐蝕產物的密集度較低；腐蝕15 天時，腐蝕產物的密集度十分密集；腐蝕20～30 天時，雙光激光除銹裝置基體已經暴露，腐蝕產物的增加數目降低，但是腐蝕結果已經步入穩定期，對雙光激光除銹裝置質量存在不良影響。

當鹽霧氣溶膠濃度、濕度均為50% 時，依次測試雙光激光除銹裝置在此環境中腐蝕10 天、15 天、20 天、25 天、30 天的巴氏硬度，結果如圖6 所示。

圖6 巴氏硬度Fig.6 Hardness of Babbitt

根據圖6 檢測結果顯示，隨著雙光激光除銹裝置在高濕高鹽霧環境中腐蝕時間的增多，雙光激光除銹裝置的巴氏硬度逐漸降低，表明雙光激光除銹裝置在高濕高鹽霧環境中將出現硬度降低的情況。

測試本文方法上述實驗結果的均方誤差，以此分析本文方法的分析效度，結果如圖7 所示。

圖7 本文方法分析效度Fig.7 Validity of the method in this paper

根據圖7 顯示，本文方法對雙光激光除銹裝置在高濕高鹽霧環境中的腐蝕表面粗糙水平、腐蝕失重、腐蝕速率、巴氏硬度的分析結果均方誤差極小，本文方法的分析效度極高，分析結果可信。

3 結論

在同金屬存在關聯的整個行業中，準確去除金屬表面銹蝕部分是目前各個領域均高度關注的問題之一。以往使用化學除銹法對金屬表面的腐蝕進行處理時，處理效率極低。而雙光激光除銹裝置能夠實現高精度金屬表面銹蝕清洗。但雙光激光除銹裝置屬于金屬類裝置，在高濕高鹽霧環境中也易出現銹蝕情況，對其功能存在一定影響。本文圍繞此問題實施深入研究，并在不同腐蝕時間、不同濕度、不同鹽霧氣溶膠濃度的環境中檢測雙光激光除銹裝置腐蝕情況，對雙光激光除銹裝置的保養與應用均存在一定輔助作用。