汽车应用中轻质材料的腐蚀

在整个汽车行业，人们对轻质结构材料的兴趣日益浓厚，以实现更好的燃油经济性并满足法规要求。大多数汽车制造商利用高强度钢、超高强度钢、铝合金、镁合金和复合材料方面的最新进展。从历史上看，铝一直很受欢迎，因为与传统的钢铁相比，它具有出色的耐腐蚀性。本文将探讨追求更轻的材料，这些材料可能会也可能不会提供同样好的耐腐蚀性。

汽车行业的镁腐蚀和防腐蚀解决方案

镁是用于结构应用的最轻的工程金属。然而，由于镁及其合金的耐腐蚀性差，镁在汽车领域的增长相对有限。在用于汽车零件的任何金属中，镁具有最低（最不贵重）的电化学电势。与同样是活性金属的铝相比，镁具有多孔且无保护的表面氧化层，不会提供钝化腐蚀。

提高镁合金耐腐蚀性的一个主要步骤是引入高纯度合金，但这并没有改变镁与另一种金属和电解质接触时发生的电偶腐蚀问题。 （在文章中了解更多关于电偶腐蚀的信息，为什么两种不同的金属会引起腐蚀？）

使用阻隔涂层是防止镁合金腐蚀的一种可能解决方案。然而，阻隔涂层也有可能在涂层缺陷部位产生不利的阳极/阴极面积比。以前的经验表明，大多数当前的有机涂层或环氧基涂层不能永久防止水性电解质渗透到下面的镁基材中。一旦水性电解质到达任何镁基材，腐蚀反应就可以在不需要氧气的情况下引发并导致氢气产生。氢气会在涂层下方形成气泡，最终破坏防腐蚀系统。

腐蚀工程师通常不参与汽车设计的早期阶段，这通常更侧重于结构要求的有限元分析 (FEA) 和铸造过程的流动模拟。针对上述问题，应考虑以下几个关键点：

• 在短期内，应该优先考虑为镁合金开发一种坚固、自愈、经济且环保的涂层系统。涂层系统应具有抗划伤性并满足现有的行业要求，例如 GMW/SAE/ISO 相关标准。为了具有经济竞争力，理想的目标成本应低于 1 美元/平方米 ² .
• 从长远来看，耐腐蚀镁合金的腐蚀速率应小于 0.1 毫米/年（通常在 3.5 wt% NaCl 溶液中浸泡 7 天后）或具有等同或优于竞争对手的腐蚀性能工业标准腐蚀测试中的铝合金（例如 Silafont 36、A356，甚至 AA5xxx 和 AA6xxx 合金）。这可以通过添加合金元素形式来提高耐腐蚀性或促进在表面上形成致密的钝化膜来实现。
• 表面涂层可以扩大镁的可能汽车应用范围。等离子电解氧化 (PEO) 作为表面涂层是汽车工程师设计和指定汽车零部件和子组件的解决方案。 PEO 的独特技术使用具有三个不同阶段的电解质浴和等离子体，在镁合金上形成类似陶瓷的双相涂层。该过程可以在每个阶段进行调整，以创建满足精确需求的定制涂层。多层涂层的顶层也是高度多孔的，可以在表面涂层中加入电解槽的内容物以增加额外的性能。

碳纤维增强聚合物和金属之间的电偶腐蚀

碳在碳纤维增强聚合物复合材料 (CFRP) 中用作增强相。 CFRP 对工程师具有吸引力，因为它们具有较高的比强度，并且是用于汽车应用的轻质材料。

单独的纤维增强复合材料被认为是耐腐蚀的。然而，当与金属结合时，这会产生腐蚀问题。 CFRP 具有导电性和电化学性非常高贵。因此，当金属或合金不恰当地与 CFRP 连接时（从而存在电连接），金属很容易受到电偶腐蚀。 （有关更多信息，请阅读连接到碳纤维增强聚合物的金属的电偶腐蚀。）

当与紧固件、螺栓或螺母耦合时，情况会变得更糟，因为 CFRP 的大表面积与小的金属部件耦合。在这些情况下，由于高的阴极与阳极表面积比（Ac/Aa），电偶腐蚀的速度可能会加快。

自 1970 年代以来，已经报道了与碳复合材料耦合的金属的电偶腐蚀。但是，合适的材料和合适的材料连接方法设计还有待确定。

汽车应用对 CFRP 的持续需求需要进一步系统研究碳纤维复合材料和汽车工程材料之间的电偶腐蚀，包括一系列钢（具有一系列表面处理）和多种铝合金。尤其重要的是不同材料组合、几何形状和连接方法对后续腐蚀强度的影响。

混合材料的电偶腐蚀白体阶段的策略

白车身 (BIW) 阶段是指汽车制造中将车身部件连接在一起的步骤。传统上，整车由混合材料制成，这些材料在总装过程中依次连接到以钢为主的车身上。为了实现更轻且刚度更高的车辆，车身结构需要更复杂的不同材料“混合”。 （相关阅读：新材料科学研究对未来腐蚀控制的启示。）

凯迪拉克 CT6 是通用汽车的第一款混合材料制造的汽车，它采用了如图 1 所示的几个等级的钢板、铝板、铸件和挤压件。雪佛兰 Malibu 等其他车辆也遵循类似的趋势。

图 1. 雪佛兰 Malibu 和凯迪拉克 CT6 的混合材料白车身
资料来源：汽车应用轻质材料的腐蚀避免

不同的材料和合金在电偶腐蚀及其不同的热膨胀系数方面带来了挑战。数值模拟方法已经证明了预测电流分布的潜力。

在汽车应用中，可以认为该材料处于电解质薄膜的薄膜之下。因此，由于电化学系统和导电路径的不断演变或变化，腐蚀行为（和电偶腐蚀行为）将是复杂的。

最近，一家软件公司开发了一种薄膜模型，用于模拟薄膜电解质下的电偶腐蚀，合乎逻辑的进一步追求是对此类模型进行广泛的实验验证。初步研究很有希望，表明在组件级别预测盐雾测试结果的前景。随着进一步的发展，这种组合的建模-实验方法可能有助于模拟整个混合材料车辆的总电流和电位分布。

模拟提供了一种更简单的腐蚀建模方法

腐蚀建模允许工程师预测任何组件在给定时间段内腐蚀的可能性。诸如相对湿度和盐负荷密度等参数可以作为参数输入。模拟结果可与实际盐雾试验进行对比，以检验涂层的耐腐蚀性能寿命，并检验结果的相关性。

受新技术启发的防腐保护的未来

车辆现在集成了大量“智能”功能，例如轮胎压力监测和其他智能诊断系统，这些系统已成为行业标准。因此可以预期，未来可能会实现腐蚀监测系统。例如，能够实时监测关键位置腐蚀速率的适当传感器可能会在系统故障之前提供警告。

此外，机器学习和人工智能可以收集现场腐蚀数据并进行远程数据分析，以生成更准确的实验室与现场相关性。这对于更广泛的腐蚀领域至关重要且相关，可以补充和增强个别工程师的经验。