铜镍合金管道在海洋环境中易受固体颗粒冲刷破坏双层氧化保护膜并产生划痕。划痕区域极易发生局部穿孔失效，造成管道提前报废。快速修复破损氧化膜并恢复其防腐性能是行业关键难题。中国科学院宁波材料技术与工程研究所王立平研究员科研团队在 3.5wt% 氯化钠溶液中模拟海洋环境下铜镍合金 “膜损伤 - 再生” 全过程，对比无磁场与 0.1T 垂直磁场两种工况，探究 70/30 铜镍合金划痕处氧化膜再生行为。实验结果表明施加外磁场可加速破损区域氧化膜初期再生进程，快速恢复材料防腐能力。磁场与划痕微环境产生协同耦合作用，改变局部酸碱条件，抑制腐蚀性碱式氯化铜二次沉积，大幅提升氧化镍在再生膜表层富集程度，最终生成单层高耐蚀防护膜。该研究为海洋管线原位无损修复提供可行技术思路，对海洋基础设施长效服役具备重要价值。
2.研究背景
70/30 铜镍合金凭借优异导热与海水耐蚀性能，广泛应用沿海电厂冷凝器、船舶换热管道等海洋装备。合金原生完整氧化膜由内层氧化亚铜 - 氧化镍复合相、外层碱式氯化铜构成，镍元素可降低氧化亚铜阳离子空位、提升膜层绝缘性，实现长效防腐。现有提升铜镍耐蚀手段以合金微合金化、预成膜预处理为主，仅适用于管材出厂前预处理环节。
海洋介质中泥沙颗粒持续冲刷会刮破表面防护膜，暴露基体金属。划痕微区氧供给不足易形成氧浓差腐蚀电池，局部酸化持续促进碱式氯化铜生成，该产物耐蚀性极差，随浸泡时长外层膜持续增厚、内层膜不断损耗，最终引发管线点蚀穿孔。管道结构复杂、拆卸修复成本极高，行业亟需非接触式原位修复技术。现有磁场电化学研究多聚焦铁、铝基合金腐蚀调控，磁场对铜镍合金氧化膜再生的耦合作用尚无系统报道。针对划痕区腐蚀不可逆、传统修复需拆机、无原位调控方案三大痛点，该研究引入 0.1T 恒定垂直磁场，结合谱学、透射电镜、扫描振动电极等多表征手段，完整揭示磁场诱导单层富镍氧化膜的修复强化机理。
3.创新点及主要研究工作
首次证实划痕几何梯度磁场与洛伦兹力协同调控离子输运，抑制腐蚀产物碱式氯化铜沉积，彻底改变传统双层膜生长路径，原位生成表层富氧化镍致密单层防护膜。
0.1T 低强度磁场可大幅加快划痕区域氧化膜再生速率，5 天内划痕局部腐蚀电流密度降至完好区域之下，膜层耐蚀性能优于原始完整铜镍氧化膜。
阐明顺磁性镍、铁离子在梯度磁场下向划痕损伤区定向富集机制，氧化镍在膜表面大量填充阳离子空位，从微观层面阻断局部自催化腐蚀，提供海洋管线非接触原位修复全新方案。
图 1 不同磁场条件下划痕区域氧化膜随时间演变形貌与扫描振动电极电流云图
图 2 浸泡 1 天划痕氧化膜物相与截面微观表征图
图 3 浸泡 5 天划痕氧化膜物相与高分辨微观表征图
图 4 浸泡 9 天划痕氧化膜物相与截面表征图
图 5 有无磁场工况下划痕微环境演变与氧化膜再生机理示意图
4.总结
该研究模拟海洋氯化钠腐蚀环境，系统对比无磁场、0.1T 垂直磁场下 70/30 铜镍合金划痕破损区氧化膜再生全过程，结合扫描振动电极、拉曼、XPS、透射电镜与多物理场仿真完成机理解析，主要结论如下：
【1】无磁场环境中划痕微区氧气补给不足形成氧浓差电池，局部氢离子持续累积造成酸化环境，优先生成耐蚀性较差的碱式氯化铜，氧化膜呈疏松双层结构。随浸泡时间延长外层腐蚀产物持续增厚，内层氧化亚铜不断消耗，划痕区域长期维持高腐蚀活性，极易发生点蚀穿孔失效。
【2】0.1T 垂直磁场可同时产生磁流体动力学对流与划痕梯度磁场效应。洛伦兹力加速电解液传质补充划痕区域氧气，消除局部酸化；梯度磁场驱动顺磁性 Ni²⁺、Fe²⁺向损伤区富集，排斥抗磁性亚铜离子，抑制碱式氯化铜生成，直接诱导单层氧化膜生长。膜层表面大量富集氧化镍填充阳离子空位，大幅降低膜内载流子浓度，显著提升整体耐腐蚀性能。
【3】磁场耦合划痕几何带来的梯度效应是生成单层富镍氧化膜的核心诱因，完整无划痕铜镍合金在同等磁场下仍维持传统双层膜结构。0.1T 低强度磁场无需拆机即可实现管线划痕原位修复，修复后膜层腐蚀活性低于完好基体，该非接触调控手段为海洋铜镍换热管线长效防护、原位无损修复提供理论支撑与技术参考。
