CN107228823A - 一种铝合金局部腐蚀评价装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种铝合金局部腐蚀评价装置，其包括模拟环境单元和腐蚀实时观测单元，所述模拟环境单元包括闭塞阳极、宏观阴极、辅助电极、参比电极装置、模拟溶液池，所述腐蚀实时观测单元包括实时观察显微镜、腐蚀实时观测系统主体。本发明用于铝合金材料局部腐蚀模拟的同时实现局部腐蚀形貌实时观察，获得铝合金在模拟环境中局部腐蚀发生、发展的过程和形态变化过程，实现铝合金材料海洋环境及其它模拟环境中的局部腐蚀评价。

Description

一种铝合金局部腐蚀评价装置

技术领域

本发明属于金属材料腐蚀试验方法领域，尤其是一种用于海洋环境的铝合金发生局部腐蚀的试验方法及装置。

背景技术

铝及铝合金具有较低的密度、良好的力学性能、加工性能、导热性、导电性以及耐蚀性，因此在船舶上的应用日趋广泛，对船舶结构减重、提高航行速度和耐海水腐蚀能力、减少能耗等方面有着重要作用。耐蚀性能是影响铝合金海洋环境中应用的重要指标之一，大多数铝合金在海洋环境中都表现出优良的耐蚀性。这不仅是由于保护性钝化膜的作用，而且在相当程度上也与在铝的活化和钝化表面上析氢过电位高有关。铝合金的腐蚀因其化学成分不同、海水环境因素不同而有较大的差异，但是总的来说，铝及铝合金在海洋环境中的腐蚀形式以点蚀、晶间腐蚀、应力腐蚀以及剥蚀等局部腐蚀为主，而点蚀是铝合金局部腐蚀发生的基本形态，因此，研究铝合金的腐蚀基本上是从研究其点蚀为主。

随着科学技术的飞速发展，国内外学者先后采用各种先进的测试手段对铝合金的腐蚀行为进行了研究。如20世纪80年代末Kelvin探针技术在腐蚀领域的推广应用推动了铝合金大气环境微区腐蚀电化学行为的研究。这是一种将表面物理中测定金属表面功函的Kelvin探头方法移植到腐蚀研究中的一种电化学测试技术。用Kelvin探针作参比电极，可以测得金属表面的电极电位，研究金属的大气腐蚀规律。Kelvin探针可以克服常规三电极体系测试方法在大气腐蚀研究中的欧姆降，以及鲁金毛细管对金属表面液膜的污染的问题，所得结论可以按照常规的电化学方法解释，一些国家相继开发并建立成套的用于金属腐蚀研究的Kelvin振动探针装置，开展了多方面的应用研究。如美国的E6&G公司，德国和日本也开发了类似Kelvin的扫描电位测量仪。我国厦门大学的林昌健课题组也成功开发振动扫描电极和隧道显微镜联用的微区电化学测试系统，研究了包括铝合金在内的多种材料的海洋大气腐蚀。由于描Kelvin微探针技术应用在腐蚀领域后取得了有价值的研究成果，扫描电化学显微镜(SECM、ECAFM)、扫描探针显微镜(STM，AFM、SKPFM等)、扫描振动探针技术(SVET)、局部电化学交流阻抗(LEIS)等微区电化学测试技术也陆续被应用到腐蚀研究中，也取得了许多有价值的结论。然而，微区电化学测试技术也有它的局限性，如它测得的腐蚀电位在所有条件下不完全和腐蚀电位一致，同时，微探针的移动或振动会加速金属表面电解质的传质，促进氧气向金属表面传输，加腐蚀，从而影响结果的准确性，因此传统的电化学测试技术，如电化学阻抗、动电位极化等，依然在金属材料海洋腐蚀研究中起着重要作用。如施彦彦等采用自行设计的金属大气腐蚀的“室内薄液膜和室内干湿循环”模拟研究装置，采用电化学阻抗谱、电化学噪声、极化曲线等电化学技术，结合材料结构测试手段，研究了2024-T3铝合金的模拟酸性海洋大气腐蚀行为。张正等采用电化学交流阻抗技术获得了LY12CZ铝合金在0.1mol/L氯化钠溶液中的剥蚀状态，为铝合金构件剥蚀的现场监测提供依据。张昭课题组采用电化学噪声技术，结合电化学阻抗谱及极化曲线测量，研究了AA2195-T8铝合金在3.0％NaC1溶液中的腐蚀电化学特征，探清了铝合金腐蚀初期的钝化膜修复行为和点蚀电位的变化规律。随后该课题组采用电化学噪声技术获得了LC4、LY12铝合金及纯铝在质量分数为2.0％NaCI溶液中腐蚀过程中不同阶段的噪声时域谱波形特征等有价值的数据。孙霜青等人联合传统电化学测试和微区电化学测试技术，结合材料组成分析和表面形貌观测等手段，获得了7075和2024铝合金在海洋大气环境中的点蚀演变机制。总之，研究铝合金在海洋环境中的点蚀等腐蚀行为和腐蚀机制，离不开传统电化学测试技术。同时，点蚀发生的初期往往在十几微米甚至更小的尺度范围，因此深入研究铝合金的海洋环境腐蚀机制，也需要借鉴微区电化学测试技术。那么开发一种在电化学测试过程中可以同时观测局部腐蚀形态发展的局部腐蚀评价装置，既可以获得铝合金表面的电化学特征信息判断其氧化膜溶解和修复情况，又可以真实的观察到微米级点蚀的形态发展，既解决了传统电化学测试技术不能获得点蚀发展初期动态的问题，也弥补了微区电化学测试技术中电化学测试的局限性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种适合海洋环境并具有腐蚀形貌实时观测功能的铝合金局部腐蚀评价方法及装置，用于铝合金局部腐蚀性能测试和腐蚀评价。

为解决上述技术问题，本发明提供一种铝合金局部腐蚀评价装置，包括模拟环境单元和腐蚀实时观测单元，所述模拟环境单元包括闭塞阳极、宏观阴极、辅助电极、参比电极装置、模拟溶液池，所述腐蚀实时观测单元包括实时观察显微镜、腐蚀实时观测系统主体。

其中，所述实时观察显微镜包括观测目镜、显微镜支架控制装置、实时观测控制系统；所述腐蚀实时观测系统主体包括微观形貌原位观测窗、观测通道、腐蚀形貌实时观测系统主体支架和底座。

其中，所述模拟溶液池底部开有闭塞孔，闭塞孔内外用专用渗透膜隔为阳极室和阴极室。

其中，所述模拟溶液池通过阳极底座和闭塞阳极，采用密封垫圈，固定在腐蚀形貌实时观测系统主体的底座上。5、如权利要求1至4所述的铝合金局部腐蚀评价装置，其特征在于，所述实时观察显微镜上端固定在腐蚀实时观测系统主体支架上，同时将腐蚀实时观测目镜通过观测通道悬垂在微观形貌原位观测窗上方，所述微观形貌原位观测窗连接阳极室下端。

其中，所述闭塞阳极背面连有铜导线，铜导线从阳极底座中间穿出，连接到电偶腐蚀测试系统的正极上，同时连接电化学实时测试系统的工作电极线夹。

其中，所述微观形貌原位观测窗为直径16～24mm的圆形透光玻璃片。

其中，所述装置还外接电化学工作站、电化学实时测试系统、点偶腐蚀测量系统。

本发明还提供一种铝合金局部腐蚀评价的方法：

第一步，选择常用合金，开展海水浸泡试验，并改变海水环境因素，探讨不同影响因素对其腐蚀性能及电化学特征的影响；

第二步，改变腐蚀评价环境中的关键因素，确立最佳的局部腐蚀模拟环境，作为腐蚀评价用环境体系；

第三步，通过电化学工作站控制宏观阴极的电位为某一固定值，用电偶腐蚀测量系统测量流经模拟闭塞阳极的电流，根据该电流的大小评价和比较不同铝合金在该阴极极化电位下的点蚀坑扩展速度。

有益的技术效果

本发明是一种铝合金局部腐蚀评价装置，用于铝合金材料局部腐蚀模拟的同时实现局部腐蚀形貌实时观察，获得铝合金在模拟环境中局部腐蚀发生、发展的过程和形态变化过程，实现铝合金材料海洋环境及其它模拟环境中的局部腐蚀评价。借助于本项发明，可以进行铝合金材料在腐蚀环境中的评价研究，获取相关数据，为船舶等交通运输业、海洋装备的选材、设计以及进行室内模拟腐蚀研究提供基本数据保证。

附图说明

图1局部腐蚀评价装置结构示意图；

图2铝合金阳极电流随时间的变化曲线。

附图标记：1-实时观测控制系统；2-电化学实时测试系统；3-电偶腐蚀测量系统；4-宏观阴极；5-辅助电极；6-参比电极装置；7-微观形貌原位观测通道；8-专用渗透膜；9-显微镜支架控制装置；10-腐蚀实时观测目镜；11-微观形貌原位观测窗；12-阳极室；13-密封垫圈；14-闭塞阳极；15-阳极底座；16-模拟溶液；17-模拟溶液池；18-腐蚀实时观测系统主体支架。

具体实施方式

本发明提供一种铝合金局部腐蚀评价装置，包括模拟环境单元和腐蚀实时观测单元，所述模拟环境单元包括闭塞阳极、宏观阴极、辅助电极、参比电极装置、模拟溶液池，所述腐蚀实时观测单元包括实时观察显微镜、腐蚀实时观测系统主体。

其中，所述实时观察显微镜选择较大景深的目镜，分辨率1微米，显微镜固定装置上端固定在观测系统主体支架上，同时将目镜通过观测通道悬垂在观测窗上方，以便实时观测。显微镜支架固定装置的下端固定在观测通道顶端，并给予观测通道一定的力，通过观测窗的边缘施加给阳极室下端，使阳极室与镶嵌在阳极底座里的阳极试样工作表面通过密封垫圈紧密结合。

所述实时观测控制系统是通过计算机采用显微镜控制软件控制目镜的数据采集、记录和保存，实现对闭塞阳极试样表面腐蚀坑发展过程的原位观测。

其中，所述模拟溶液池采用石英玻璃制作，底部开有闭塞孔，直径约2～10mm，闭塞孔内外用专用渗透膜隔为阳极室和阴极室。当阳极试样表面腐蚀发生时，腐蚀产物离子快速增多，然而专用渗透膜的作用导致腐蚀产物离子无法快速传质到模拟溶液池中的阴极室，因此阳极室的溶液酸度增加，腐蚀性增强，阳极试样表面腐蚀得到进一步加速。

其中，所述模拟溶液池通过阳极底座和闭塞阳极，采用密封垫圈，固定在腐蚀形貌实时观测系统主体的底座上。闭塞阳极与阳极底座间采用密封橡胶进行紧密结合，做到不渗水。闭塞阳极背面连有铜导线，铜导线从阳极底座中间穿出，测试开始前连接到电偶腐蚀测试系统的正极上，同时连接电化学实时测试系统的工作电极线夹。

其中，所述微观形貌原位观测窗为直径16～24mm的圆形透光玻璃片。

其中，所述装置还外接电化学工作站、电化学实时测试系统、点偶腐蚀测量系统。

本发明还提供一种铝合金局部腐蚀评价的方法：

第一步，选择常用合金，开展海水浸泡试验，并改变海水环境因素，探讨不同影响因素对其腐蚀性能及电化学特征的影响；

第二步，改变腐蚀评价环境中的关键因素，确立最佳的局部腐蚀模拟环境，作为腐蚀评价用环境体系；

第三步，通过电化学工作站控制宏观阴极的电位为某一固定值，用电偶腐蚀测量系统测量流经模拟闭塞阳极的电流，根据该电流的大小评价和比较不同铝合金在该阴极极化电位下的点蚀坑扩展速度。

下面结合附图1，对本发明的一种铝合金局部腐蚀评价装置作以下详细说明。

如附图1所示，本发明提供一种铝合金局部腐蚀评价装置，包括模拟环境单元和腐蚀实时观测单元。所述模拟环境单元基于模拟溶液池17，模拟溶液池17底端开孔，用来安装阳极底座15，闭塞阳极14通过密封橡胶镶嵌在阳极底座15内，然后将阳极室12通过密封垫圈13固定在闭塞阳极14的上表面，同时将专用渗透膜8固定在阳极室12的专用渗透膜8的开口处，而阳极室12的顶端正好与模拟溶液池17中心微观形貌原位观测窗11紧密接触。然后，将宏观阴极4、辅助电极5、参比电极装置6布放在模拟溶液池17中，其中参比电极装置6由参比电极和鲁金毛细管的盐桥构成。

最后，在模拟溶液池17和阳极室12中分别加入模拟溶液16，闭塞阳极14和宏观阴极4分别连接电偶腐蚀测试系统3的正负极，同时闭塞阳极14、参比电极装置6和辅助电极5分别连接电化学实时测试系统2的W、R、C连接线夹。测试开始前，通过实时观测控制系统1调整腐蚀实时观测系统主体支架18和显微镜支架控制装置9，使腐蚀实时观测目镜10的位置正好悬于微观形貌原位观测窗11上方，并通过实时观测控制系统1调焦，使其处于阳极试样表面微观形貌实时观测状态。

铝合金局部腐蚀装置安装完成后，按照以下的腐蚀评价的方法进行铝合金的局部腐蚀评价：

第一步，选择常用合金，开展海水浸泡试验，并改变海水环境因素，探讨不同影响因素对其腐蚀性能及电化学特征的影响；

第二步，改变腐蚀评价环境中的关键因素，确立最佳的局部腐蚀模拟环境，作为腐蚀评价用环境体系；

第三步，通过电化学实时测试系统2控制宏观阴极4的电位为某一固定值，用电偶腐蚀测量系统3测量流经模拟闭塞阳极14的电流，根据该电流的大小评价和比较不同铝合金在该阴极极化电位下的点蚀坑扩展速度。

以下采用实施例和附图来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。

如图1所示，闭塞阳极14使用船用铝合金试样，所述宏观阴极4为外接钛合金板，辅助电极5采用石墨电极，参比电极装置6参用甘汞电极和自制的鲁金毛细管盐桥。船用铝合金试样的工作面用金相砂纸逐级打磨至1500#本发明中使用的模拟溶液采用以下所述方法获得：

以船用铝合金为研究对象，设计不同的模拟腐蚀溶液，进行动电位极化曲线测试，开展盐度、温度、pH值对船用铝合金点蚀电位的影响，观察其点蚀发展情形，如果铝合金发生点蚀过程能够被功能显微镜恰当的捕捉到，该模拟腐蚀溶液可以作为船用铝合金腐蚀评价用的环境体系。

通过电化学实时测试系统2控制宏观阴极4的电位为-0.7V，采用电偶腐蚀测量系统3测量流经闭塞阳极14的阳极电流，考察阳极电流密度随时间的变化曲线，结果如图2所示。

所有上述的首要实施这一知识产权，并没有设定限制其他形式的实施这种新产品和/或新方法。本领域技术人员将利用这一重要信息，上述内容修改，以实现类似的执行情况。但是，所有修改或改造基于本发明新产品属于保留的权利。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (9)

1.一种铝合金局部腐蚀评价装置，其特征在于，包括模拟环境单元和腐蚀实时观测单元，所述模拟环境单元包括闭塞阳极、宏观阴极、辅助电极、参比电极装置、模拟溶液池，所述腐蚀实时观测单元包括实时观察显微镜、腐蚀实时观测系统主体。

2.如权利要求1所述的铝合金局部腐蚀评价装置，其特征在于，所述实时观察显微镜包括观测目镜、显微镜支架控制装置、实时观测控制系统；所述腐蚀实时观测系统主体包括微观形貌原位观测窗、观测通道、腐蚀形貌实时观测系统主体支架和底座。

3.如权利要求1至2所述的铝合金局部腐蚀评价装置，其特征在于，所述模拟溶液池底部开有闭塞孔，闭塞孔内外用专用渗透膜隔为阳极室和阴极室。

4.如权利要求1至3所述的铝合金局部腐蚀评价装置，其特征在于，所述模拟溶液池通过阳极底座和闭塞阳极，采用密封垫圈，固定在腐蚀形貌实时观测系统主体的底座上。

5.如权利要求1至4所述的铝合金局部腐蚀评价装置，其特征在于，所述实时观察显微镜上端固定在腐蚀实时观测系统主体支架上，同时将腐蚀实时观测目镜通过观测通道悬垂在微观形貌原位观测窗上方，所述微观形貌原位观测窗连接阳极室下端。

6.如权利要求1至5所述的铝合金局部腐蚀评价装置，其特征在于，所述闭塞阳极背面连有铜导线，铜导线从阳极底座中间穿出，连接到电偶腐蚀测试系统的正极上，同时连接电化学实时测试系统的工作电极线夹。

7.如权利要求2至6所述的铝合金局部腐蚀评价装置，其特征在于，所述微观形貌原位观测窗为直径16～24mm的圆形透光玻璃片。

8.如权利要求1至7所述的铝合金局部腐蚀评价装置，其特征在于，所述装置还外接电化学工作站、电化学实时测试系统、点偶腐蚀测量系统。

9.权利要求1至8所述的铝合金局部腐蚀评价的方法，其特征在于：

第一步，选择常用合金，开展海水浸泡试验，并改变海水环境因素，探讨不同影响因素对其腐蚀性能及电化学特征的影响；

第二步，改变腐蚀评价环境中的关键因素，确立最佳的局部腐蚀模拟环境，作为腐蚀评价用环境体系；

第三步，通过电化学工作站控制宏观阴极的电位为某一固定值，用电偶腐蚀测量系统测量流经模拟闭塞阳极的电流，根据该电流的大小评价和比较不同铝合金在该阴极极化电位下的点蚀坑扩展速度。