【研究意义】铝合金牺牲阳极由于具有电流效率高、驱动电位高、理论电容量大、成本低廉及资源丰富等优点，在防腐工程中有广泛的应用^[1]。其中Al-Zn-In系牺牲阳极是目前最有前途的铝合金牺牲阳极材料之一，这类合金具有许多优点，但是它的电化学性能仍可以进一步提高，尤其是研究适用于深海环境条件下的铝合金牺牲阳极^[2-3]。【前人研究进展】对于深海环境下牺牲阳极的保护性能，国内外研究者们已经开展了一定的工作，Shifher等^[4]对铝合金牺牲阳极中的杂质元素和化学组分的关系进行了探索研究，发现海水的深度对铝合金阳极电化学性能的影响不是很明显，但是随着海水组分和海水温度的变化牺牲阳极的电化学性能将会产生很大变化。1983年—1984年挪威船舶研究所^[5-6]在墨西哥湾1 083~1 945 m深海环境下，对几种金属及合金材料进行了为期272 d的实海暴露试验，以及阴极保护性能的研究。研究结果表明：海域、深度以及浸泡时间不同，不同金属及合金材料所需的阴极保护电流差异较大，但一般来说，随着海洋深度越大，材料所需的阴极保护电流值越低。Schrieber等^[7]、Murray等^[8-9]、Bonora等^[10]和Rossi等^[11]对Galualum Ⅲ(Al-Zn-In-Si)牺牲阳极材料进行了包括在-5~100℃的常温海水，模拟200~300 m深度的海水、静止海水、淤泥中的海水在不同外加电流密度条件下的测试，得出其性能较为优异的结论。综上所述，开发深海环境下的铝合金牺牲阳极材料是非常有必要的。【本研究切入点】Mg是一种重要的合金元素，能够影响铝合金的结晶状态、第二相的形态和数量，适量的Mg可以显著提高铝合金阳极的电化学性能。适量的Si元素可改善合金的铸造性能，使合金阳极得到较高的电流效率^[12]。【拟解决的关键问题】本研究在Al-Zn-In系阳极的基础上，通过添加不同含量配比的Mg和Si元素，利用金相组织观察，电化学极化曲线测试，探究了Mg和Si元素对Al-Zn-In系阳极性能的作用规律，寻求获得最佳阳极电化学性能的元素适宜添加量。

熔炼铝合金牺牲阳极选用的原材料是99.99%的铝锭、99.99%的锌锭、99.99%的铟锭、铝硅中间合金(Al-24.0%Si)和铝镁中间合金(Al-9.78%Mg)。将铝锭在一定温度下溶化并除气除渣，然后依次加入其它合金元素，用石墨棒搅拌均匀，除气除渣后在模具中浇铸。铝合金牺牲阳极具体成分配比：Zn含量为5.81 wt%，In含量为0.028 wt%，Si和Mg含量如表 1所示，Al含量为余量。

表 1(Table 1)

表 1 铝合金牺牲阳极化学成分 Table 1 Chemical composition of Al alloy sacrificial anode 编号 No. 元素含量Element content (wt%) Si Mg M11 0 1.0 M21 0 1.5 M31 0 2.0 M12 0.09 1.0 M22 0.09 1.5 M32 0.09 2.0 M13 0.12 1.0 M23 0.12 1.5 M33 0.12 2.0
	表 1 铝合金牺牲阳极化学成分 Table 1 Chemical composition of Al alloy sacrificial anode

铝阳极在400#，600#，800#，1000#，2000#的水砂纸下打磨，在500r/min的转速下进行抛光，之后用Keller试剂进行腐蚀，在MR5000型金相显微镜下观察腐蚀前后的金相组织。

在CS2350型电化学工作站上，采用三电极体系(工作电极为铝阳极，辅助电极为铂电极，参比电极为饱和甘汞电极)，在3.5% NaCl溶液中用动电位扫描的方法测量阳极试样的极化曲线。工作电极为圆棒切片，面积为2.01 cm²，扫描速率为0.5 mV/s。

由图 1铝阳极的金相组织可以看出，在Al-Zn-In-Si-Mg合金中，在Si含量不变的情况下，随着Mg含量的增加，晶粒尺寸变大，其中，M12试样的晶粒尺寸值最小。Si元素的加入对晶粒尺寸产生一定的影响，使晶粒略微变小，Si元素可提高合金的流动性，降低合金的收缩量和热裂倾向，减少疏松、缩孔等缺陷，从而提高合金电化学性能，但过量的Si元素可能造成SiO₂非金属夹杂，对电流效率产生不利影响。

图 1 (Fig. 1)

图 1 铝阳极腐蚀前的金相照片 Fig.1 Metallurgical structure of Al anode before corrosion

由图 2看出，铝阳极的偏析相有晶内偏析和晶界偏析两种，晶内主要是点状偏析相，也有长条状偏析；晶界偏析相形成网状。随着Mg含量的增加，偏析相先增多后减少，M12试样晶粒细小，晶界偏析占主导。相关文献及Al-Zn-Mg相图^[13]表明：晶界偏析相为MgZn₂，晶界析出的MgZn₂的标准电位为-0.86V(SHE)，而其周围的贫Mg、Zn区的腐蚀电位为-0.57 V(SHE)，显然MgZn₂作为活性点，在有氯离子存在的介质中形成孔蚀源，促进腐蚀的发生^[14]。

图 2 (Fig. 2)

图 2 铝阳极腐蚀后的金相结构 Fig.2 Metallurgical structure of Al anode after corrosion

铝基牺牲阳极在使用过程中，电位要随时间发生正移，即产生阳极极化。牺牲阳极如果表面活性强，则阳极极化程度小，阳极极化曲线较平坦；如果表面活性弱或有钝化倾向的金属，则阳极溶解过程阻力大，不易进行。阳极极化曲线可以反应阳极表面有无钝化倾向以及阳极表面钝化倾向大小，可判断阳极材料的溶解活性大小，从而可作为一种评定牺牲阳极性能的依据。图 3为各种铝阳极在3.5%的NaCl溶液中的极化曲线，由图 3可以看出铝阳极没有出现钝化区，说明Al-Zn-In-Mg阳极活化性能良好。除M21外，其余8组极化曲线都比较平坦，极化率小，活化倾向大，保护效益大。活化性能好说明铝阳极对点蚀敏感性程度大，易发生点蚀，该点蚀可能是由于Mg与Zn形成的偏析相引起^[15]。

图 3 (Fig. 3)

图 3 铝合金牺牲阳极的极化曲线 Fig.3 Polarization curves of aluminum alloy sacrificial anodes

钢铁构件在海水中的保护电位是-0.85 V(VS.SCE)左右，其驱动电位大约是0.25 V，因此用于保护钢铁结构的阳极材料的电位应为-1.0~-1.2 V(VS.SCE)。由表 2可以看出，除M21外其余8组铝阳极电位都在此范围内，符合阴极保护的要求，并且自腐蚀电流密度比较小，为10^-6~10^-7，自腐蚀电流密度体现了铝阳极在自腐蚀条件下溶解的难易程度，小的电流密度能够保证牺牲阳极在进行阴极保护时容易发生阳极溶解并提供有效的阴极保护电流。

表 2(Table 2)

表 2 阳极腐蚀电位和腐蚀电流密度 Table 2 Anode Ecorr and Icorr No. Ecorr(V) Icorr(A/cm2) M11 -1.17 9.2×10-7 M21 -1.32 1.6×10-6 M31 -1.19 3.0×10-7 M12 -1.18 5.4×10-7 M22 -1.16 5.6×10-7 M32 -1.19 2.4×10-7 M13 -1.19 4.1×10-7 M23 -1.19 4.1×10-7 M33 -1.14 3.7×10-7
	表 2 阳极腐蚀电位和腐蚀电流密度 Table 2 Anode Ecorr and Icorr

本研究以Al-Zn-In系阳极为基本研究对象，添加了不同含量配比的合金元素Mg和Si。采用金相组织观察和电化学极化曲线测试的方法，分析了制备的各铝合金阳极的显微组织以及在3.5%NaCl溶液中的腐蚀电位、腐蚀电流密度、阳极的极化等行为。结果表明：在所讨论的含Mg和Si元素的铝阳极中，Mg和Si元素对晶粒尺寸有一定的影响，随着Mg含量的增加，晶粒尺寸变大，Si元素的加入对晶粒细化产生一定的影响。铝阳极的偏析相有晶内偏析和晶界偏析两种，随着Mg含量的增加，偏析相先增多后减少，Mg和Zn形成的偏析相有活化合金的作用。铝阳极自腐蚀电流密度比较小，铝阳极活化溶解容易。Mg元素能够影响晶粒尺寸和偏析相类型进而影响阳极的活化性能，晶粒尺寸小、晶界偏析为主的铝阳极综合性能最佳，即0.09%Si，1.0%Mg为最佳阳极电化学性能的元素适宜添加量。