CN102288654A - 一种研究金属在酸性大气介质中氢渗透行为的装置及方法 - Google Patents

一种研究金属在酸性大气介质中氢渗透行为的装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明是涉及研究金属氢渗透行为的装置和方法,具体地说是研究金属在可调pH的酸性大气介质中氢渗透行为的装置和方法。该装置包括环境池、阳极池和储液瓶。待检测试样固定在阳极池底部的开口处,阳极池中的电解液为NaOH溶液。环境池中的酸性液体在水浴作用下形成酸性大气介质环境。三电极通过导线连接到电化学工作系统相应的端口上。本发明可以测量金属材料在酸性大气介质中的氢渗透电流,还可实现对气相组分的控制,弥补了常用电化学氢渗透双电解池在这方面的缺陷。

Description

一种研究金属在酸性大气介质中氢渗透行为的装置及方法
 
技术领域
本发明是涉及研究金属氢渗透行为的装置及方法,具体地说是一种研究金属在可调pH的酸性大气介质中氢渗透行为的装置及方法。
背景技术
裸露的金属在酸性大气介质中服役时,表面会发生析氢反应。氢原子进入敏感材料结构内部后会引发氢脆特征的应力腐蚀开裂行为,严重影响敏感材料的结构安全。毋庸置疑,酸性大气介质中,氢原子能否渗透进入金属内部的特性在很大程度上就决定了金属的应力腐蚀开裂敏感性。因此,有必要研究金属在酸性大气介质中的氢渗透行为,并以此作为选材和对材料进行保护的依据。
目前金属的氢渗透测试主要有高温高压氢气渗透法和电化学氢渗透方法。高温高压氢气渗透法无法实现对酸性大气的真实模拟。电化学氢渗透方法大部分基于Devanathan-Stachurski双面电解池原理。但是已有的双电解池多采用左右两边的设计,而且两边均为溶液,目前尚无合适的方法和装置评价金属在酸性大气介质中的氢渗透行为。
发明内容
为了克服上述不足,本发明的目的是提供一种适合研究金属在酸性大气介质中氢渗透行为的双面电解池。
本发明包括环境池、阳极池和储液瓶15,环境池包括环境池腔体1和环境池上盖3,环境池上盖3和环境池腔体1用密封胶密封在一起,阳极池包括阳极池腔体2和阳极池上盖5,阳极池上盖5与阳极池腔体2用密封胶密封在一起,阳极池通过辅助电极6、参比电极7和导线8固定于环境池腔体1内部,环境池和储液瓶15经由耐酸硅胶管12相连,用置于地面上的水浴锅16来保持恒温恒湿状态,用密封胶将进气口9和温/湿度计4密封固定在环境池上盖3上,进气口9通入污染性气体,工作电极10封入阳极池腔体2底部开口处,温/湿度计4伸入到环境池腔体1内部,与工作电极10位于同一高度,环境池腔体1侧面下部开有气口11,通过耐酸硅胶管12与储液瓶15相连,储液瓶15上端用胶塞密封,胶塞上开有气口13和气口14,辅助电极6和参比电极7伸入到阳极池腔体2的电解液中,参比电极7距工作电极10表面0.5-1mm,工作电极10通过导线8,穿过阳极池上盖5、环境池上盖3上的孔,与辅助电极6、参比电极7一起分别连接到电化学工作系统的相应端口上。
一种研究金属在酸性大气介质中氢渗透行为的方法,其特征在于:包括前置处理步骤和测定步骤,所述的前置处理步骤包括试样处理、除氧和恒电位极化步骤:
1)试样处理:待测试样工作电极10用1000号砂纸打磨后,单面镀镍(镀镍液为250g/L NiSO4·6H2O+45g/L NiCl2+40g/ L H3BO4的混合液);
2)除氧:除氧时,N2由进气口9和气口13进入,气口14作为出气口;
3)恒电位极化:阳极池腔体2中的释氢溶液采用0.1mol/L的NaOH溶液,给待测试样工作电极10施加0.3V恒电位至残余电流稳定;
4)氢渗透性能测定:残余电流平稳后,由气口14通入氮气,储液瓶15中的酸性液体通过耐酸硅胶管12和环境池腔体1侧面下部的气口11进入环境池1中,在水浴锅16的水浴作用下,形成一定温/湿度的酸性大气介质环境;电化学工作系统记录释氢电流随时间的变化,当氢原子稳态扩散建立后释氢电流达到最大值,停止记录数据,实验结束。
具体步骤为:
(1) 将待测试样用1000号砂纸打磨后镀镍,镀镍液为250g/L NiSO4·6H2O+45g/L NiCl2+40g/ L H3BO4的混合液。镀镍后,试样用丙酮清洗干净并固定在阳极池的下部开口处,周围用硅胶密封固定。
(2) 将固定有参比电极和辅助电极的阳极池上盖和阳极池腔体密封在一起。辅助电极和参比电极伸入到阳极池的电解液中。环境池上盖和环境池腔体密封在一起。
(3) 由环境池上盖以及储气瓶上的气口同时通入N2,进行除氧。
(4) 阳极池中的三电极通过导线与电化学工作系统相连,在0.1mol/L NaOH溶液中恒电位钝化。
(5) 用N2将储液瓶中除过氧的液体压到环境池中,水浴保温。记录氢渗透电流随时间的变化曲线。
本发明的有益效果是:
(1)     本发明提供一种适合研究金属在酸性大气介质中氢渗透行为的测试装置。环境池便于模拟不同pH酸性大气,并可通入不同配比的污染性气体。阳极池便于氢渗透电流的测量。
(2)     本发明所采用的装置能够实现对环境池中气体成分的控制,减少O2对腐蚀过程可能造成的影响。
(3)     本发明所采用的装置成本低,操作简单,很少量的氢渗透电流的变化也能够通过测量氢渗透电流的变化反映出来。
(4)     本发明所采用的装置为专门设计的双电解池。一个环境池中可以添加多个阳极池,同时进行实验,增加实验数据的可信性。
附图说明
图1是本发明电解池的结构示意图。
图2是环境池上盖的俯视图。
图3是Aermet100超高强度钢试样的氢渗透电流密度随时间的变化曲线。
图中1.环境池腔体,2. 阳极池腔体,3.环境池上盖,4.温/湿度计,5.阳极池上盖,6.辅助电极,7.参比电极,8.导线,9.进气口,10.待测试样工作电极,11.气口,12.耐酸硅胶管,13.气口,14.气口,15.储液瓶,16.水浴锅。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详述。
实施例1
图1是本发明采用电解池的结构示意图。环境池腔体1、阳极池腔体2和储液瓶15均采用耐酸碱、耐高温非导电材料制作。
图1中,环境池包括环境池腔体1和环境池上盖3。环境池腔体1和环境池上盖3之间用密封胶进行密封。环境池腔体1下部置于水浴锅16中,水浴加热。温/湿度计4通过环境池上盖3上的孔伸入到环境池腔体1内部,结合处用密封胶密封。温/湿度计4与待测试样工作电极10位于同一高度上,便于监测温/湿度。环境池上盖3上开有进气口9,进气口9要远离温湿度计4。环境池腔体1下部侧面有气口11。
储液瓶15通过耐酸硅胶管12与环境池腔体1下部侧面的气口11相连。储液瓶15上端开口用胶塞密封,胶塞与瓶口结合处用密封胶密封。胶塞上开有与耐酸硅胶管12相连的气口、气口13和气口14。
阳极池包括阳极池腔体2和阳极池上盖5,阳极池腔体2和阳极池上盖5之间用密封胶进行密封。阳极池腔体2固定在环境池腔体1内部。辅助电极6、参比电极7、待测试样工作电极10通过环境池上盖3、阳极池上盖5上的孔,伸入到阳极池2内部,结合处用密封胶密封。待测试样工作电极10通过导线8与电化学工作站相连。参比电极7距离待测试样工作电极10表面1mm。
图2是环境池上盖的俯视图。温/湿度计4和进气口9伸入到环境池腔体1内部,辅助电极6、参比电极7、与待测试样工作电极10相连的导线8伸入到阳极池腔体2内部。
采用如图1所示的装置测试金属在酸性大气介质中氢渗透性能的方法如下:
用硅胶将工作电极10固定在阳极池腔体2下方的开口处。辅助电极6、参比电极7固定在环境池上盖3和阳极池上盖5上,并伸入到阳极池腔体2中的电解液中。工作电极10通过导线8连接到电化学工作系统的相应端口上。打开进气口9和气口13通入N2除氧3h后,关闭进气口9和气口13,在工作电极10上施加300mV的极化电位。电流降至最低时,由气口14通入N2,储液瓶15中的酸性液体经由耐酸硅胶管12和环境池腔体1侧面下部的气口11进入环境池腔体1中。用水浴锅16保证恒定的温度和湿度(由温/湿度计4进行监测)。
本发明中还可由进气口9通入污染性气体,如H2S、SO2等,实现复杂气相介质条件下氢渗透电流的监测。
实施例:测定Aermet100超高强度钢试样在酸性大气介质中的氢渗透性能。
试样尺寸:直径23mm,厚度0.8mm;
样品处理:试样用1000号砂纸打磨后,单面镀镍(镀镍液为250g/L NiSO4·6H2O+45g/L NiCl2+40g/ L H3BO4的混合液)。
氢渗透性能测定过程:参比电极距待测试样工作电极表面1mm,阳极池中采用的释氢溶液采用0.1mol/L的NaOH溶液。阳极池中给工作电极施加0.3V恒电位。残余电流平稳后,酸性溶液进入环境池中形成充氢气氛。充氢气氛为0.5M H2SO4+0.25g/L As2O3溶液在50℃水浴下形成的酸性大气介质,工作电极附近的介质温度为37℃。记录不同时刻的释氢电流,当氢原子稳态扩散建立后释氢电流达到最大值,停止记录数据,实验结束。
图3是酸性溶液进入环境池中形成酸性大气介质后,记录得到的氢渗透电流密度随时间的变化曲线。
 
实施例2
图1是本发明采用电解池的结构示意图。环境池腔体1、阳极池腔体2和储液瓶15均采用耐酸碱、耐高温非导电材料制作。
图1中,环境池包括环境池腔体1和环境池上盖3。环境池腔体1和环境池上盖3之间用密封胶进行密封。环境池腔体1下部置于水浴锅16中,水浴加热。温/湿度计4通过环境池上盖3上的孔伸入到环境池腔体1内部,结合处用密封胶密封。温/湿度计4与待测试样工作电极10位于同一高度上,便于监测温/湿度。环境池上盖3上开有进气口9,进气口9要远离温湿度计4。环境池腔体1下部侧面有气口11。
储液瓶15通过耐酸硅胶管12与环境池腔体1下部侧面的气口11相连。储液瓶15上端开口用胶塞密封,胶塞与瓶口结合处用密封胶密封。胶塞上开有与耐酸硅胶管12相连的气口、气口13和气口14。
阳极池包括阳极池腔体2和阳极池上盖5,阳极池腔体2和阳极池上盖5之间用密封胶进行密封。阳极池腔体2固定在环境池腔体1内部。辅助电极6、参比电极7、待测试样工作电极10通过环境池上盖3、阳极池上盖5上的孔,伸入到阳极池2内部,结合处用密封胶密封。待测试样工作电极10通过导线8与电化学工作站相连。参比电极7距离待测试样工作电极10表面0.8mm。
图2是环境池上盖的俯视图。温/湿度计4和进气口9伸入到环境池腔体1内部,辅助电极6、参比电极7、与待测试样工作电极10相连的导线8伸入到阳极池腔体2内部。
采用如图1所示的装置测试金属在酸性大气介质中氢渗透性能的方法如下:
用硅胶将工作电极10固定在阳极池腔体2下方的开口处。辅助电极6、参比电极7固定在环境池上盖3和阳极池上盖5上,并伸入到阳极池腔体2中的电解液中。工作电极10通过导线8连接到电化学工作系统的相应端口上。打开进气口9和气口13通入N2除氧3h后,关闭进气口9和气口13,在工作电极10上施加300mV的极化电位。电流降至最低时,由气口14通入N2,储液瓶15中的酸性液体经由耐酸硅胶管12和环境池腔体1侧面下部的气口11进入环境池腔体1中。用水浴锅16保证恒定的温度和湿度(由温/湿度计4进行监测)。
本发明中还可由进气口9通入污染性气体,如H2S、SO2等,实现复杂气相介质条件下氢渗透电流的监测。
实施例:测定Aermet100超高强度钢试样在酸性大气介质中的氢渗透性能。
试样尺寸:直径23mm,厚度0.8mm;
样品处理:试样用1000号砂纸打磨后,单面镀镍(镀镍液为250g/L NiSO4·6H2O+45g/L NiCl2+40g/ L H3BO4的混合液)。
氢渗透性能测定过程:参比电极距待测试样工作电极表面0.8mm,阳极池中采用的释氢溶液采用0.1mol/L的NaOH溶液。阳极池中给工作电极施加0.3V恒电位。残余电流平稳后,酸性溶液进入环境池中形成充氢气氛。充氢气氛为0.5M H2SO4+0.25g/L As2O3溶液在50℃水浴下形成的酸性大气介质,工作电极附近的介质温度为37℃。记录不同时刻的释氢电流,当氢原子稳态扩散建立后释氢电流达到最大值,停止记录数据,实验结束。
实施例3
图1是本发明采用电解池的结构示意图。环境池腔体1、阳极池腔体2和储液瓶15均采用耐酸碱、耐高温非导电材料制作。
图1中,环境池包括环境池腔体1和环境池上盖3。环境池腔体1和环境池上盖3之间用密封胶进行密封。环境池腔体1下部置于水浴锅16中,水浴加热。温/湿度计4通过环境池上盖3上的孔伸入到环境池腔体1内部,结合处用密封胶密封。温/湿度计4与待测试样工作电极10位于同一高度上,便于监测温/湿度。环境池上盖3上开有进气口9,进气口9要远离温湿度计4。环境池腔体1下部侧面有气口11。
储液瓶15通过耐酸硅胶管12与环境池腔体1下部侧面的气口11相连。储液瓶15上端开口用胶塞密封,胶塞与瓶口结合处用密封胶密封。胶塞上开有与耐酸硅胶管12相连的气口、气口13和气口14。
阳极池包括阳极池腔体2和阳极池上盖5,阳极池腔体2和阳极池上盖5之间用密封胶进行密封。阳极池腔体2固定在环境池腔体1内部。辅助电极6、参比电极7、待测试样工作电极10通过环境池上盖3、阳极池上盖5上的孔,伸入到阳极池2内部,结合处用密封胶密封。待测试样工作电极10通过导线8与电化学工作站相连。参比电极7距离待测试样工作电极10表面0.5mm。
图2是环境池上盖的俯视图。温/湿度计4和进气口9伸入到环境池腔体1内部,辅助电极6、参比电极7、与待测试样工作电极10相连的导线8伸入到阳极池腔体2内部。
采用如图1所示的装置测试金属在酸性大气介质中氢渗透性能的方法如下:
用硅胶将工作电极10固定在阳极池腔体2下方的开口处。辅助电极6、参比电极7固定在环境池上盖3和阳极池上盖5上,并伸入到阳极池腔体2中的电解液中。工作电极10通过导线8连接到电化学工作系统的相应端口上。打开进气口9和气口13通入N2除氧3h后,关闭进气口9和气口13,在工作电极10上施加300mV的极化电位。电流降至最低时,由气口14通入N2,储液瓶15中的酸性液体经由耐酸硅胶管12和环境池腔体1侧面下部的气口11进入环境池腔体1中。用水浴锅16保证恒定的温度和湿度(由温/湿度计4进行监测)。
本发明中还可由进气口9通入污染性气体,如H2S、SO2等,实现复杂气相介质条件下氢渗透电流的监测。
实施例:测定Aermet100超高强度钢试样在酸性大气介质中的氢渗透性能。
试样尺寸:直径23mm,厚度0.8mm;
样品处理:试样用1000号砂纸打磨后,单面镀镍(镀镍液为250g/L NiSO4·6H2O+45g/L NiCl2+40g/ L H3BO4的混合液)。
氢渗透性能测定过程:参比电极距待测试样工作电极表面0.5mm,阳极池中采用的释氢溶液采用0.1mol/L的NaOH溶液。阳极池中给工作电极施加0.3V恒电位。残余电流平稳后,酸性溶液进入环境池中形成充氢气氛。充氢气氛为0.5M H2SO4+0.25g/L As2O3溶液在50℃水浴下形成的酸性大气介质,工作电极附近的介质温度为37℃。记录不同时刻的释氢电流,当氢原子稳态扩散建立后释氢电流达到最大值,停止记录数据,实验结束。

Claims (2)

1.一种研究金属在酸性大气介质中氢渗透行为的装置,其特征是:包括环境池、阳极池和储液瓶(15),环境池包括环境池腔体(1)和环境池上盖(3),环境池上盖(3)和环境池腔体(1)用密封胶密封在一起,阳极池包括阳极池腔体(2)和阳极池上盖(5),阳极池上盖(5)与阳极池(2)用密封胶密封在一起,阳极池通过辅助电极(6)、参比电极(7)和导线(8)固定于环境池腔体(1)内部,环境池腔体(1)和储液瓶(15)经由耐酸硅胶管(12)相连,用置于地面上的水浴锅(16)来保持恒温恒湿状态,用密封胶将进气口(9)和温/湿度计(4)密封固定在环境池上盖(3)上,进气口(9)通入污染性气体,工作电极(10)封入阳极池腔体(2)底部开口处,温/湿度计(4)伸入到环境池1内部,与工作电极(10)位于同一高度,环境池腔体(1)下部开有气口(11),通过耐酸硅胶管(12)与储液瓶(15)相连,储液瓶(15)上端用胶塞密封,胶塞上开有气口(13)和气口(14),辅助电极(6)和参比电极(7)伸入到阳极池腔体(2)的电解液中,参比电极(7)距工作电极(10)表面0.5-1mm,工作电极(10)通过导线(8),穿过阳极池上盖(5)、环境池上盖(3)上的孔,与辅助电极(6)、参比电极(7)一起分别连接到电化学工作系统的相应端口上。
2.一种采用权利要求1所述的一种研究金属在酸性大气介质中氢渗透行为的装置的方法,其特征在于:包括前置处理步骤和测定步骤,所述的前置处理步骤包括试样处理、除氧和恒电位极化步骤:
1)试样处理:待测试样工作电极10用1000号砂纸打磨后,单面镀镍(镀镍液为250g/L NiSO4·6H2O+45g/L NiCl2+40g/ L H3BO4的混合液);
2)除氧:除氧时,N2由进气口9和气口13进入,气口14作为出气口;
3)恒电位极化:阳极池腔体2中的释氢溶液采用0.1mol/L的NaOH溶液,在阳极池腔体2中给待测试样工作电极10施加0.3V恒电位至残余电流稳定;
4)测定步骤:残余电流平稳后,由气口(14)通入氮气,储液瓶(15)中的酸性液体通过耐酸硅胶管(12)和环境池腔体(1)侧面下部的气口(11)进入环境池腔体(1)中,在水浴锅(16)的水浴作用下,形成一定温/湿度的酸性大气介质环境;电化学工作系统记录释氢电流随时间的变化,当氢原子稳态扩散建立后释氢电流达到最大值,停止记录数据,实验结束。
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