環(huán)境污染和能源短缺促使日益發(fā)達(dá)的汽車工業(yè)大力推進(jìn)構(gòu)件輕量化，鎂合金是最輕的結(jié)構(gòu)材料之一，構(gòu)件采用鎂合金制造可以在減重的同時(shí)不降低結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，受到汽車工業(yè)的青睞。輪轂作為汽車的主要組成部件，其輕量化是汽車節(jié)能減排的有效途徑。鎂合金具有高的比強(qiáng)度和比剛度，減震性能優(yōu)異，降噪效果良好，而且具有優(yōu)異的鑄造性能，這些優(yōu)點(diǎn)使得鎂合金在輪轂輕量化方面具有廣闊的應(yīng)用前景。

但是，鎂合金具有非?；顫姷幕瘜W(xué)和電化學(xué)特性，而且在實(shí)際應(yīng)用中不可避免與鋁、鋼、銅等常用金屬接觸,鎂合金會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的電偶腐蝕，加速零部件的腐蝕破壞，這成為鎂合金零部件應(yīng)用于汽車工業(yè)的一個(gè)主要障礙，汽車輪轂服役環(huán)境比較惡劣,這使得其電偶腐蝕的問題更加凸顯。

有限差分法、有限元法和邊界元法等數(shù)值仿真方法在電偶腐蝕仿真研究中的應(yīng)用越來越廣泛，研究發(fā)現(xiàn),邊界元數(shù)值仿真在電偶腐蝕電流密度的預(yù)測(cè)上應(yīng)用前景較好。

通過試驗(yàn)和邊界元數(shù)值仿真的方法研究了幾何因素對(duì)AZ91D鎂合金和鋼發(fā)生電偶腐蝕的影響，驗(yàn)證了數(shù)值仿真研究電偶腐蝕過程的有效性，應(yīng)用邊界元方法研究了鋁合金墊片對(duì)鎂合金和碳鋼電偶對(duì)電偶腐蝕的影響，評(píng)估了應(yīng)用分段非線性邊界模型預(yù)測(cè)陰極保護(hù)和電偶腐蝕的可行性，應(yīng)用數(shù)值方法模擬研究了鎂合金在NaCI溶液中的微區(qū)電偶腐蝕行為，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證了此方法可以對(duì)鎂合金的電化學(xué)腐蝕行為進(jìn)行較好的預(yù)測(cè)和判斷。

本工作針對(duì)鎂合金輪轂與其鋼質(zhì)緊固螺栓接觸發(fā)生電偶腐蝕這一問題，應(yīng)用數(shù)值仿真的方法研究了螺栓沉孔幾何因素對(duì)電偶腐蝕的影響，并通過全浸試驗(yàn)后電偶腐蝕區(qū)域與數(shù)值模型仿真預(yù)測(cè)電偶防腐蝕區(qū)域?qū)Ρ闰?yàn)證了采用邊界元模型仿真來預(yù)測(cè)構(gòu)件電偶腐蝕區(qū)域的有效性，以期為后續(xù)鎂合金輪轂螺栓連接的電偶腐蝕行為研究提供參考。

鎂合金輪轂－螺栓連接電偶腐蝕仿真模型

1.1 物理模型

圖1為鎂合金輪轂螺栓連接的三維簡(jiǎn)化模型示意圖。由圖1可見：當(dāng)輪轂的螺栓沉孔中積存電解質(zhì)時(shí)，由于鎂合金和鋼質(zhì)緊固螺栓直接接觸，而且通過電解質(zhì)環(huán)境構(gòu)成回路，會(huì)形成腐蝕原電池,造成鎂合金輪轂腐蝕加速。

圖１ 輪轂－螺栓連接的模型

選用3.5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)NaCl溶液作為電解質(zhì)溶液，為了進(jìn)一步簡(jiǎn)化模擬，采用理想的二維軸對(duì)稱模型代替三維模型,簡(jiǎn)化方法如圖2所示，選取abcd區(qū)域?yàn)檠芯繉?duì)象，陰極邊界簡(jiǎn)化為螺栓頭部在垂直方向的投影線段，dc段長(zhǎng)度為螺栓沉孔深度H，bc段長(zhǎng)度為螺栓沉孔半徑R。

圖２ 三維模型簡(jiǎn)化方法示意圖

二維軸對(duì)稱模型網(wǎng)格劃分圖如圖3所示，對(duì)電解質(zhì)區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，由于陽(yáng)極腐蝕時(shí)發(fā)生電化學(xué)溶解，為了準(zhǔn)確模擬陽(yáng)極腐蝕深度，在邊界處采用較密的網(wǎng)格劃分。

圖３ 二維軸對(duì)稱模型網(wǎng)格劃分圖

1.2 數(shù)學(xué)模型

為了使所建立的模型準(zhǔn)確模擬腐蝕性為以及研究幾何因素對(duì)電偶腐蝕的影響，建立數(shù)學(xué)模型，模擬AE44鎂合金輪轂與MS鋼制緊固螺栓連接在3.5%的NACI溶液中的電偶腐蝕行為。

1.2.1 邊界條件

求解電偶腐蝕過程模型時(shí)，電極表面的邊界條件為求解腐蝕速率的關(guān)鍵，要求通過數(shù)值方法描述電極材料工作時(shí)電流密度與電位之間的極化關(guān)系作為電極表面的邊界條件。采用 Tafel方程描述這一關(guān)系，AE44鎂合金和MS低碳鋼的極化曲線參考DESHPANDE的的測(cè)量結(jié)果，極化動(dòng)力學(xué)參數(shù)列于表中。

陽(yáng)極表面邊界條件為：-σ?nφ=fa(φ）

式中：σ為電解質(zhì)溶液電導(dǎo)率（S/M）；fa(φ）為陽(yáng)極電流密度（A/m2），通過陽(yáng)極Tafel公式描述。

同理陰極表面邊界條件為：-σ?nφ=fc(φ）

其它邊界應(yīng)用絕緣邊界條件為：?nφ=0

根據(jù)以上邊界條件求解Laplace方程(2)，求得電極表面各節(jié)點(diǎn)處的電位和電流密度分布。本文運(yùn)用COMSOL MultiPhysics中的任意拉格朗日歐拉(ALE)方法求解移動(dòng)邊界問題，通過求解方程(6)和(7)獲得網(wǎng)格位移。

方程中，參考坐標(biāo)系（Ｘ，Ｙ）固定不動(dòng)，空間坐標(biāo)系（ｘ，ｙ）根據(jù)具體的邊界條件隨時(shí)間而運(yùn)動(dòng)。陽(yáng)極邊界的移動(dòng)速度（

）通過法拉第定律求得

式中：M為鎂合金的摩爾質(zhì)量(g/mol)；

z為電荷數(shù)；

ρ為鎂合金密度(g/cm3 )；

n為陽(yáng)極界面的法向矢量；

fa(q)為陽(yáng)極電流密度(A/m2)。

本文假設(shè)陰極不發(fā)生腐蝕，即陰極邊界的移動(dòng)速度為零。

仿真結(jié)果與討論

利用二維軸對(duì)稱模型模擬研究室溫下AE44鎂合金-MS低碳鋼電偶對(duì)在3.5%NaCl溶液中浸泡72 h，鎂合金表面腐蝕深度隨時(shí)間的變化如圖4所示。其中，陰極邊界寬度為10 mm，沉孔半徑(R)為20mm，螺栓沉孔深度（H）為5mm。

圖4 電偶對(duì)3.5%的NACI溶液中浸泡不同時(shí)間后，鎂合金腐蝕深度隨時(shí)間的變化曲線

浸泡72h后，鎂合金表面距偶接位置越近，蝕坑越深，在陰陽(yáng)極接觸區(qū)域附近出現(xiàn)一圈很深的腐蝕坑，蝕坑深度大于1 mm，隨著與接觸位置距離增加，腐蝕速率變緩。在電偶腐蝕初期,腐蝕會(huì)迅速沿橫向擴(kuò)散，隨著電偶腐蝕的進(jìn)行，腐蝕主要沿垂直方向擴(kuò)展，形成腐蝕坑。

2.1 螺栓沉孔深度對(duì)電偶腐蝕的影響

螺栓沉孔半徑為20 mm，改變螺栓孔深度，室溫下螺栓沉孔內(nèi)充滿3.5% NaCl溶液，浸泡偶對(duì)金屬72h后，考察鎂合金的腐蝕深度分布情況。

若不考慮沉孔側(cè)壁的腐蝕，即假設(shè)模型中cd段絕緣，如圖5所示：隨著H的增加，在陰陽(yáng)極接觸位置的最大腐蝕深度由1.32mm減小到1.17mm，但與接觸點(diǎn)距離超過1.5mm后，腐蝕深度隨H的增大而增大。

圖5不同H電偶對(duì)在3.5%NACI溶液中浸泡72h后，鎂合金腐蝕深度隨時(shí)間的變化曲線

這主要是由于當(dāng)H減小時(shí)，沉孔內(nèi)電解質(zhì)溶液的厚度減小，溶液電阻增大，抑制電流流到遠(yuǎn)離接觸位置的區(qū)域，從而造成電偶電流的分布不均勻，在遠(yuǎn)離陰陽(yáng)極金屬接觸位置的陽(yáng)極金屬腐蝕深度隨之減??；

另外，電解質(zhì)溶液厚度越小，陰陽(yáng)極金屬接觸位置附近溶液中的電位梯度增大，則帶電離子運(yùn)動(dòng)的速率增加，電化學(xué)反應(yīng)速率增加，造成接觸位置附近的陽(yáng)極金屬腐蝕深度隨之增大。當(dāng)H增大，電偶電流的分布范圍變廣，腐蝕變得均勻。不同H時(shí)鎂合金表面電偶電流密度的分布如圖6所示。

圖6 不同H電偶對(duì)在3.5%NACI溶液中浸泡72H后，鎂合金陽(yáng)極電流密度隨時(shí)間的變化曲線

不考慮沉孔側(cè)壁的腐蝕，鎂合金平均腐蝕深度隨H的變化如圖7(a)所示，H小于10 mm時(shí)，隨著沉孔深度增加，沉孔內(nèi)電解質(zhì)厚度增加，平均腐蝕深度增加；H大于10mm時(shí)，平均腐蝕深度變化不顯著。

實(shí)際環(huán)境中，沉孔的側(cè)壁作為陽(yáng)極金屬參與電偶腐蝕，將模型中的cd段設(shè)置為參與電偶腐蝕過程的陽(yáng)極金屬，隨著H增加，電偶腐蝕的陰陽(yáng)極面積比減小，電偶腐蝕程度會(huì)有所減弱。

圖7

在電解質(zhì)溶液厚度和陰陽(yáng)極面積比的共同影響下，鎂合金平均腐蝕深度隨H的變化規(guī)律如圖7(b)所示，H小于5 mm,H變化引起的電解質(zhì)溶液厚度的變化是影響腐蝕平均深度的主要因素；H大于5 mm,電解質(zhì)溶液厚度變化對(duì)平均腐蝕深度的影響不再明顯，H變化引起的陰陽(yáng)極面積比變化成為影響平均電偶腐蝕深度的主要因素。

2.2 沉頭螺栓半徑對(duì)電偶腐蝕的影響

實(shí)際使用環(huán)境中，輪轂螺栓沉孔內(nèi)積存的雨水、泥土等電解質(zhì)的體積一定，不同沉孔半徑(R)會(huì)造成積存電解質(zhì)的厚度發(fā)生變化，同時(shí)也會(huì)改變電偶腐蝕偶對(duì)金屬的陰陽(yáng)極面積比，從而影響電偶腐蝕的嚴(yán)重程度。

模擬研究室溫下螺栓沉孔內(nèi)積存恒定體積2000mm，3.5%NaCl溶液,浸泡偶對(duì)金屬72h后，不同R對(duì)鎂合金的腐蝕深度分布情況的影響，見圖8。

圖８ 不同R電偶對(duì)在3.5%NACI溶液中浸泡72H后，鎂合金腐蝕深度隨時(shí)間的變化曲線

由圖8可見：R的變化對(duì)腐蝕深度的影響主要表現(xiàn)在距離接觸點(diǎn)一定距離之后，腐蝕深度隨著R的增大而減小。

平均腐蝕深度的變化規(guī)律如圖9所示，圖10給出了接觸點(diǎn)附近的最大腐蝕深度隨著R的變化規(guī)律，隨著R增大，電解質(zhì)厚度減小的同時(shí)陰陽(yáng)極面積比減小，鎂合金平均腐蝕深度逐漸減小，接觸位置附近最大腐蝕深度先明顯增加，R大于15mm后，最大腐蝕深度近似保持不變。

圖9 不同R電偶對(duì)在3.5%NACI溶液中浸泡72H后，鎂合金腐蝕深度

圖10 不同R電偶對(duì)在3.5%NACI溶液中浸泡72H后，鎂合金最大腐蝕深度

實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果對(duì)比

試驗(yàn)所用偶接件的陽(yáng)極材料為未經(jīng)表面處理的AE44鎂合金，陰極材料為表面發(fā)黑處理的鋼質(zhì)螺栓。在鎂合金基體上加工尺寸為R35mm*35mm的沉孔，然后在沉孔中心加工螺紋孔，鎂合金電偶對(duì)的裝配示意如圖1所示。

在室溫下對(duì)裝配好的鎂合金-鋼質(zhì)螺栓電偶對(duì)進(jìn)行24h3.5%NaCl溶液全浸試驗(yàn)。鎂合金-鋼質(zhì)螺栓浸入3. 5% NaCI溶液后，有大量氣泡冒出，隨著浸泡時(shí)間延長(zhǎng)，溶液渾濁程度逐漸加重。

分別紀(jì)錄浸泡不同時(shí)間后各試樣沉孔底面腐蝕形貌，并與模擬的腐蝕形貌結(jié)果對(duì)比,見圖11。

24 h后,取出偶接件，鎂合金表面有白色絮狀腐蝕產(chǎn)物附著，清洗腐蝕產(chǎn)物后，表面上有肉眼可見的蝕坑，其腐蝕形態(tài)為點(diǎn)蝕，且距偶接位置越近，蝕坑越深，在螺栓周圍區(qū)域出現(xiàn)一圈很深的腐蝕坑。由圖11對(duì)比可得，模擬預(yù)測(cè)的鎂合金電偶腐蝕區(qū)域擴(kuò)展變化過程與試驗(yàn)所得電偶腐蝕區(qū)域變化過程具有較好的一致性。

結(jié) 論

(1)邊界元數(shù)值仿真結(jié)果與全浸試驗(yàn)結(jié)果具有較好的一致性，仿真結(jié)果在預(yù)測(cè)鎂合金與緊固螺栓的電偶腐蝕分布和腐蝕性能方面具有較好的應(yīng)用；利用數(shù)值仿真方法可以更有效地研究單一因素對(duì)電偶腐蝕的影響，為避免實(shí)際應(yīng)用中的電偶腐蝕破壞提供參考。

(2)若沉孔內(nèi)充滿電解質(zhì),隨著沉孔深度增加，鎂合金表面平均腐蝕深度先增加后減小，H小于5 mm，H變化引起的電解質(zhì)溶液厚度變化是影響腐蝕性能的主要因素；H大于5 mm，H變化引起的陰陽(yáng)極面積比變化成為腐蝕性能的主要影響因素。

(3)若沉孔內(nèi)電解質(zhì)體積恒定，隨著螺栓沉孔半徑增大，鎂合金表面平均腐蝕深度近似線性減小，接觸位置附近最大腐蝕深度先增加至最大值后基本不變。設(shè)計(jì)合理的輪轂連接結(jié)構(gòu)，主要考慮降低電解質(zhì)的積存和防止大陰極小陽(yáng)極，可以在一定程度上減緩電偶腐蝕的發(fā)生。