基于新金屬材料化工耐蝕的開發(fā)與應用技術研究

劉子臣，邢宏龍

（安徽理工大學，安徽 淮南 232000）

化工生產(chǎn)進入現(xiàn)代化、規(guī)范化行列，化工實際生產(chǎn)中對應用材料標準愈發(fā)嚴格，為滿足此類高要求、高標準，應積極研發(fā)新材料，為其生產(chǎn)提供保障。新型金屬材料主要是指具有特殊物理性能的新金屬材料，其在研制和開發(fā)中除沿用傳統(tǒng)工藝技術外，還選用各類新興材料和技術，增強其自身實際耐腐蝕性。化工生產(chǎn)特征為高危性、復雜性，需結合未來實際發(fā)展，研發(fā)新金屬材料，選取合理措施增強其耐蝕性，為化工生產(chǎn)提供生產(chǎn)材料，促進此類材料應用范圍的擴展。

1 化工耐蝕新金屬材料類型分析

1.1 新型耐蝕合金材料

合金作為新興材料，其憑借自身多個優(yōu)勢廣泛用于不同領域中，獲取較佳的應用成效。我國科學技術高速發(fā)展，工作人員在研發(fā)工藝中，不僅需考量技術應用合理性和時效性，而且需注重其節(jié)能環(huán)保成效。為積極響應國家綠色環(huán)保戰(zhàn)略目標，越來越多的生產(chǎn)單位重視研發(fā)節(jié)能型合金，且在實踐中完善和優(yōu)化，促進其面向更大范圍內(nèi)使用。為研發(fā)較少甚至不含有珍稀金屬的合金材料，尤其是針對含有Cr、Ni元素較少的不銹鋼進行了深層次開發(fā)。當下相關研究學者將研究重點放置于Fe-Al-Mn體系，相關資料數(shù)據(jù)表明，Mn30AL10型鋼作為現(xiàn)下已經(jīng)研發(fā)出的新型化金屬材料，其自身耐蝕性較強，實際應用價值較強。部分研究顯示，有國家研制出Cr15NiJ5Mo型不銹鋼，此類不銹鋼主要適用于酸性油氣井內(nèi)，其實際應用成效較佳，可將原有的雙相鋼替代。以Mo、Nb和Cu為基礎元素，利用其靈活性，實現(xiàn)復合化處理，具備較為顯著的成效。節(jié)約型鋼可實現(xiàn)節(jié)約資源目標，成為我國研發(fā)的重點，高耐蝕材料研發(fā)和探索的主要方向為高合金化材料，針對不銹鋼較大的市場需求，可研發(fā)更為豐富的耐化工強腐蝕的材料[1]。

1.2 非晶鈦合金材料

非晶鈦合金材料是常見的多元合金，其內(nèi)部組成包含多元化的金屬及類金屬，該金屬也被稱之為金屬玻璃。非晶鈦合金原子實際排列處于無序化下，難產(chǎn)生位錯等現(xiàn)象，即便產(chǎn)生成分偏析的現(xiàn)象，對此類材料的影響較小，表明該材料耐蝕性較強，機械強度較高。研發(fā)非晶態(tài)耐蝕合金的前期，實際操作人員選用珍稀金屬作為核心成分，后續(xù)對Ni、Fe等合金材料成功研制后，其材料內(nèi)部構成實際成分發(fā)生較大變化，顯著增強其實際應用成效。具體而言，F(xiàn)e-Al-Mn合金最大限度使用快凝技術，促使其呈現(xiàn)為非晶化的狀態(tài)，更增強其耐蝕性能。Al-Fe-B作為高質(zhì)量的材料之一，其也獲得更為普遍的使用，鋁基非晶態(tài)合金也是性價比較高的材料之一，其最為關鍵的特征是高強度。Al-La-Ni合金材料內(nèi)部含有大量的鋁，選取相應措施將其晶化處理后，可有效強化材料內(nèi)部斷裂強度，即便處于較高溫度狀況下也可處于原有斷裂強度范圍內(nèi)。相較于傳統(tǒng)合金，此類材料實際應用性能更優(yōu)化，堅韌性和腐蝕性能較為優(yōu)良[2]。

1.3 鎂合金材料的分析

鎂合金作為制造產(chǎn)業(yè)內(nèi)重量最輕的可用金屬材料，其自身性能和特征決定其實際應用范圍較為廣泛，有助于緩解各類資源耗損，減輕能源和環(huán)境的壓力，從減排、節(jié)約等視角出發(fā)，耐蝕性鎂合金材料開發(fā)和應用十分關鍵。鎂合金自身耐蝕性的增強可通過2種方式實現(xiàn)，即優(yōu)化其內(nèi)部成分、表面技術，處于其表面增設保護層，減少外界對其整體的腐蝕作用。當下研究增強鎂合金實際表面耐蝕性的方法較多，體現(xiàn)在以下幾方面。第一，融入稀土元素，可促使整個鎂合金內(nèi)部抗氧化性能優(yōu)化，凈化合金液，大幅度提升整體耐蝕性能，對其適當進行一系列處理加工，其耐蝕性還可增強。部分研究將AM60鎂合金內(nèi)加入稀土元素，可促使Al元素氧化膜含量，形成新的氧化物膜，促使Mg-Al系合金耐蝕性能提高。通過適當加入合金元素，利用其靈活性完成鎂合金微觀結構的變更和調(diào)整，尤其是第二相調(diào)控，可大幅度增加鎂合金耐蝕性。第二，激光表面改性。激光表面熔化作為高效的表面處理方法，其內(nèi)部涵蓋多種工藝，可通過處理控制工藝參數(shù)，優(yōu)化和改變鎂合金微觀結構，促使其耐蝕性進一步強化。據(jù)研究人員實踐操作表明，利用激光溶覆Al-Cu合金，顯著增強AZ91HP鎂合金耐磨性和耐蝕性，發(fā)現(xiàn)其涂層處于Al-Mg基體內(nèi)分布硬質(zhì)相AlCu4和Mg17Al12，涂層形成較為緊密的氧化膜，大幅度增強整個涂層耐蝕性。第三，物理氣相沉積法。選用PVD過程中可選用2種方式，促使涂層材料噴出，將其沉積于整個鎂合金表面，兩者相較磁控濺射工藝可確保涂層較為均勻，與基體實際強度結合較高，可廣泛進行使用。第四，熱處理法。鎂合金通過適當?shù)臒崽幚砗螅纱偈蛊湔麄€組織更具均勻性，增強其耐蝕性，磁場下鎂合金熱處理研究成為人們關注的焦點，有研究發(fā)現(xiàn)熱處理中作用的磁場可細化晶粒，保證第二相析出和成分均勻分布，顯著提高鎂合金耐蝕性。第五，電沉積法。該技術最為凸顯的優(yōu)勢是整體操作較為簡易、耗能較低，可處于整個金屬部件表面，獲得防腐蝕鍍層，其最為重要的是需制備厚度均勻、緊密的鍍層。多個實踐研究分析，電沉積過程中作用相應的磁場，可控制電沉積過程鍍液傳質(zhì)行為，甚至可影響整個鍍層組織、組織結構取向，為制備其表面耐蝕性材料提供新思路[3]。

2 基于新金屬材料化工耐蝕的應用內(nèi)容分析

2.1 鈦及鈦合金

鈦及鈦合金自身密度較小、耐蝕性較佳，鈦是具備強烈鈍化傾向的金屬，處于空氣和氧化性或中性水溶液內(nèi)可短周期內(nèi)生成穩(wěn)定的氧化性保護膜，即便受多方面因素的干擾促使其膜受損傷，也可自動恢復，鈦在氧化性、中性介質(zhì)內(nèi)表現(xiàn)為優(yōu)良的耐腐蝕性。由于鈦具備較強的鈍化性能，處于多種狀況下與異種金屬接觸時，并不加速腐蝕，可能加速異種腐蝕。鈦內(nèi)含鐵量對部分介質(zhì)內(nèi)耐蝕性能存在一定的干擾，鐵增多的原因多是焊接過程中夾雜部分鐵滲透于焊道內(nèi)，促使其局部含鐵量顯著增加，其腐蝕具有不均勻性質(zhì)。隨著我國經(jīng)濟高速發(fā)展，此類新金屬材料進入人們視野中，普遍用于汽車、電子、航空與化工等領域中。20世紀80年代，美國航空用鈦占鈦材總用量的74.8%，英國、俄羅斯等國家鈦材也主要用于航空工業(yè)，日本超過90%的鈦材用于民用工業(yè)。隨著鈦及鈦合金材在非航空工業(yè)中應用比重不斷增加，航空作為其核心應用陣地，鈦零件在多個飛機構件上發(fā)揮關鍵作用。同時，在航海業(yè)的船舶制作中，鈦具有較佳的應用成效，近年來海洋油氣勘探與開發(fā)方面鈦發(fā)揮重要作用，主要用于建造懸浮式生產(chǎn)作業(yè)船，新平臺生命安全系統(tǒng)需50～500 t鈦。在能源工業(yè)內(nèi)選用已知鈦可作為發(fā)電裝置冷凝器和熱交換器，用鈦量顯著增加。海洋油氣鉆探與地熱開發(fā)，主要選取多個鈦合金，船用緊固件也同樣使用，為滿足海洋工程客觀需求，我國開發(fā)了Ti75、Ti31和Ti631。

2.2 鋁及鋁合金

鋁及鋁合金不僅具備較佳的導熱性、易成型，而且經(jīng)濟性十分凸顯，普遍用于航空航天、交通運輸?shù)阮I域。伴隨電力企業(yè)高速發(fā)展，冶煉技術逐步在實踐中不斷完善和優(yōu)化，其性價比顯著增強，當下交通運輸產(chǎn)業(yè)作為鋁合金材料應用主力軍，鋁及鋁合金在航空航天、交通運輸和汽車領域應用日漸增加。首先，民用飛機的應用。每架飛機鋁合金鉚釘包含40～150萬個，據(jù)波音飛機公司統(tǒng)計，制造各類民用飛機30余萬架，共用鋁材7 100 kt，每架使用鋁均22 t。鋁鋰合金自身具有高比剛度、耐腐蝕性能，替代原有鋁合金可促使整個構件自重較強，剛度顯著提升，被視為航天航空最理想的結構材料。其次，汽車領域的應用。汽車鋁合金材料3/4為鑄造鋁合金，用于最為關鍵的發(fā)動機部件、傳動部件和底盤行走等零部件，變形鋁合金主要用于熱交換器系統(tǒng)和車身部件。泡沫鋁被視為未來具有發(fā)展?jié)摿Φ钠嚵己貌牧?，其質(zhì)量比鋼件較輕，汽車車身構件約20%可選用泡沫鋁材制造，也可減少對環(huán)境的污染。

2.3 鎂及鎂合金應用

鎂及鎂合金憑借優(yōu)良的物理、機械加工性能，成為最具開發(fā)前景的材料，以及21世紀的綠色金屬材料，未來鎂將成為需求增長最快的有色金屬。一方面，汽車、摩托車等交通類產(chǎn)品。各國對汽車節(jié)能和尾氣排放要求愈發(fā)嚴格，為實現(xiàn)此類目標，要求汽車制造商需應用更多高新技術，生產(chǎn)自重較輕、耗油量較少，滿足環(huán)保需求的汽車。據(jù)實際測算，汽車自重減輕10%，其燃油實際效率可顯著提升。鎂作為實際應用中質(zhì)量最輕的金屬結構材料，在汽車減重和性能優(yōu)化改善中成為人們重視的關鍵，各汽車生產(chǎn)廠家將鎂合金制造零件作為核心發(fā)展方向。在歐美國家中，不同的汽車廠家將選用鎂合金零件作為車輛發(fā)展領先的標識，大眾、奧迪等汽車廠商紛紛選用鎂合金。另一方面，鎂合金汽車行業(yè)對鎂合金大量需求，促進鎂合金生產(chǎn)技術的多項突破，鎂合金實際應用成本下降，助力鎂合金處于計算機、儀表儀器內(nèi)應用發(fā)展。鎂合金應用發(fā)展較為迅速的是電子信息和儀器儀表行業(yè)，其數(shù)量較大、覆蓋面較廣，近年來電子信息行業(yè)鎂合金實際耗損量增加，是拉動全球鎂消耗量增加的核心因素[4]。

3 化工耐蝕新金屬材料開發(fā)應用策略和建議分析

化工耐蝕新金屬材料的開發(fā)和應用十分關鍵，需充分結合實際狀況，積極提出相應的開發(fā)和應用策略，提高其實際應用成效。為達成該使用目標，應精準掌握未來產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求，提出可行性的開發(fā)和應用策略，體現(xiàn)在以下幾方面。

（1）積極研制和創(chuàng)新。開發(fā)和研制化工耐蝕新金屬材料過程中，相關工作人員需進一步引入并汲取國外先進新型技術手段，加大自主研發(fā)力度，在不斷實踐中完善和創(chuàng)新?；谖覈つ臀g新金屬材料整體發(fā)展層面分析，硫酸、尿酸等化學材料或鈦合金等金屬材料，均是通過學習國外研究獲得。具體而言，初期我國引入發(fā)達國家的合金，其耐蝕性有待提升，對其進行優(yōu)化和改造后，方可增強其耐蝕性，擴展其實際應用范圍。我國科學技術高速發(fā)展，無法沿用原有單一仿制海外制作材料方法，需更深層次地分析各類先進、新型鋼種，系統(tǒng)學習各類更為先進的工藝技術，如冷熱加工工藝、感應焊接技術等。此外，相關人員需逐步增強實驗測試水平，結合實驗結果進行逐步改善和優(yōu)化，做好相關信息整合分析，創(chuàng)新耐蝕鋼的類別，促進我國化工領域不斷向前發(fā)展。

（2）精準掌握時代發(fā)展趨勢。我國科學技術水平提升，專家研發(fā)制作了部分耐蝕性鋼，我國化工生產(chǎn)工藝逐步向高溫等方向發(fā)展。對部分裝置受不同程度的腐蝕，相關人員應選取鈦材或其他替代材料，減少實際腐蝕程度。部分煉油廠生產(chǎn)中，會選取Cr2AlMo鋼，實現(xiàn)催化吸收，可較佳替代碳鋼，大幅度增強整體抗蝕性?？剂科溆捕容^高，工作人員對其進行改良優(yōu)化，減少其碳含量，研發(fā)新的鋼材，增強其實際應用操作可靠性及焊接緊密性。我國多個區(qū)域的石化廠常將此類鋼用于熱換器內(nèi)，具備較強的抗腐蝕能力。需強調(diào)的是，其他石化設備廠通過減少鋼內(nèi)實際含碳量的方法，提供去釩處理，聯(lián)合使用稀土脫硫等方式，增強鋼的可焊接能力。從上述實際結果分析可知，研發(fā)人員對老鋼種內(nèi)部構成做好針對性優(yōu)化和改良，逐步做好提煉工作，充分汲取各類老鋼種優(yōu)勢的基礎上，充分發(fā)揮其實際應用價值，最終滿足新時代石化生產(chǎn)的標準和要求。據(jù)相關資料數(shù)據(jù)顯示，我國在研發(fā)初期階段多個冶金單位研發(fā)新型耐蝕材料無法獲取較佳的應用成效。18Mo-12Mo鋼被用于多個項目裝置中，受多方面因素的影響，生產(chǎn)中出現(xiàn)各類質(zhì)量、技術等方面問題，可合理調(diào)整其組分，工作人員選用新型的VOD、AOD等現(xiàn)代化冶煉工藝，進一步篩除其中含有的雜質(zhì)，獲取新的研究成果[5]。

（3）積極完善耐蝕鋼材材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展，加速研發(fā)進程。當下我國鋼產(chǎn)量逐步增加，其消耗量也隨之增加，在鋼材大需求背景下，不銹鋼產(chǎn)量和水平無法滿足化工產(chǎn)業(yè)客觀要求，需從國外引入不銹鋼，引發(fā)此類問題的原因較多，如國產(chǎn)耐蝕鋼產(chǎn)量、品種無法滿足化工生產(chǎn)實際需求，且成套供應方面與實際需求存在較大差距；相較于發(fā)達國家，國內(nèi)耐蝕鋼生產(chǎn)力及對耐蝕鋼質(zhì)量把控力度不足，部分特殊的耐蝕性合金材料難以達到技術要求。為積極突破發(fā)展困境，應加速完善耐蝕材料產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，加大研發(fā)力度，減少鋼材進口產(chǎn)量，減少成本，助力該產(chǎn)業(yè)穩(wěn)健發(fā)展。

（4）兼具經(jīng)濟性和科技含量。為推動化工產(chǎn)業(yè)良好發(fā)展，工作人員需考量經(jīng)濟效益、科技水平等方面問題，始終遵循節(jié)能綠色的發(fā)展理念，以人與自然和諧發(fā)展為基礎，保證各類新金屬材料應用最大化?；どa(chǎn)企業(yè)選取生產(chǎn)原材料和耐蝕性用材方面要求較為嚴格，不同生產(chǎn)裝置設備具有自身的規(guī)范和操作標準，相關人員需做好精準用材、科學選材。若無法正確應用材料，引發(fā)各類材料使用浪費等狀況，對環(huán)境產(chǎn)生嚴重的污染。選擇材料過程中，應基于經(jīng)濟性、技術性層面做好考量，且從整體宏觀層面做好考量，通過大量實踐經(jīng)驗分析，相較于不銹鋼耐蝕性低合金鋼自身經(jīng)濟優(yōu)勢和價值較為凸顯，科學合理用材過程中，相關人員可同時選用多種材料替代原有不銹鋼?；诩夹g層面分析，選用鐵素體或雙相不銹鋼等，增強防應力耐腐蝕防破裂的成效。具體應用中，操作人員需充分關注脆性實際轉(zhuǎn)變溫度，選取低錳高鋁不銹鋼做好防點蝕縫蝕[6]。

4 結束語

為凸顯化工生產(chǎn)核心競爭優(yōu)勢，滿足化工生產(chǎn)實際需求，需加大新金屬材料耐蝕性研究，加大此類新金屬材料的研發(fā)，用于實際生產(chǎn)中，推動化工產(chǎn)生良好發(fā)展。應不斷探索和研發(fā)新金屬材料，掌握其特征和規(guī)律，選取可行性較高的方法，增強其耐蝕性，滿足化工等產(chǎn)業(yè)需求，促進耐蝕新金屬材料研發(fā)進程，獲取可觀的經(jīng)濟效益，助力我國化工生產(chǎn)水平的提升，也為科技水平的發(fā)展開辟新道路。