CN108315740A - 基于恒定电流电解法的船舶用铝合金的空穴防损方法 - Google Patents

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CN108315740A CN201710454631.4A CN201710454631A CN108315740A CN 108315740 A CN108315740 A CN 108315740A CN 201710454631 A CN201710454631 A CN 201710454631A CN 108315740 A CN108315740 A CN 108315740A
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Abstract

本发明涉及基于恒定电流电解法的船舶用铝合金的空穴防损方法，更详细地，涉及具有如下特征的有关海水环境的基于恒定电流电解法的船舶用铝合金的空穴防损方法，即，为了使基于所产生的气泡的空穴缓冲效果和负极防蚀效果最大化，铝合金的基于所产生的缓冲气泡的空穴防损方法如下：构成将海水作为电解质、将铝合金机材作为负极、将相对于铝合金具有贵电位的金属作为正极的电解电池，并向负极施加直流恒定电流，以在铝合金表面形成‑1×10‑3A/cm2至‑7.5×10‑3A/cm2的电流密度。

Description

基于恒定电流电解法的船舶用铝合金的空穴防损方法
技术领域
本发明涉及基于恒定电流电解法的船舶用铝合金的空穴防损方法，更详细地，涉及如下的方法，即，向铝合金皮膜施加恒定电流，从而因电解作用而在皮膜表面人为地形成微小尺寸的气体，由此抵消因空穴气泡的爆炸而产生的冲击波。
背景技术
通常，空穴(cavitation)为如下的现象，即，随着因流体内的压力变化而产生的气泡在材料表面溃灭，所产生的冲击波会导致表面受损，从而导致工作上的障碍和受损，主要发生在暴露于高速流动的流体中的船舶的螺旋桨、泵的叶轮、涡轮叶片等。
最近，随着船舶的轻量化及高速化的趋势，作为船体材料而使用铝的现象正在增加，随着铝船体暴露于空穴中，不仅存在船体受损的问题，还存在产生振动及噪音、降低推进效率等的问题。
为了防止因如上所述的空穴而引起的船体的损伤，开发了多种技术，作为一例，可例举通过具有空穴侵蚀抵抗性的涂层来保护机材的方法，此方法公开于韩国授权专利公报第10-1581732号中的“用于防止空穴侵蚀的多层涂敷方法”、韩国授权专利公报第10-1444265号中的“基于空穴的防磨损涂敷方法”等。
基于涂敷的防空穴法具有优秀的抵抗性，但对反复的空穴冲击压不具有完整的抵抗性，并且当使用对船体的负极防蚀时，还可能存在因过度防蚀而产生氢剥离(hydrogendisbonding)的问题。
作为另一种技术，提出了如下的装置，即，通过喷射高压的压缩空气来与因空穴而产生的气泡相碰撞，从而抵消冲击波，其公开于韩国公开专利公报第10-2007-0111227号中的“船舶舵防损装置”。作为与此类似的现有技术有，存在韩国公开专利公报第10-2011-0088018号的“利用水注的空穴现象防止螺旋桨”。
上述两种技术可有效地抑制基于空穴的气泡产生，但需要复杂的机械机构和控制装置。并且，还可能引起因高速、高压的空气或水注而产生的机材的二次损伤，因此仍存在问题。
现有技术文献
专利文献
韩国授权专利第10-1581732号(2015年08月13日)
韩国授权专利第10-1444265号(2014年09月18日)
韩国专利公开公报第10-2007-0111227号(2007年11月21日)
韩国专利公开公报第10-2011-0088018号(2011年08月03日)
发明内容
为了解决上述现有技术中的各种问题而提出本发明，本发明的目的在于，提供如下的方法，即，向铝合金皮膜施加恒定电流，从而因电解作用而在皮膜表面人为地形成微小尺寸的气体，由此抵消因空穴气泡的爆炸而产生的冲击波。
为了实现如上所述的目的，本发明提供船舶用铝合金的空穴防损方法，其特征在于，构成将海水溶液作为电解质、将铝合金表面作为负极(cathode)、将相对于铝合金具有贵电位(将端极电位高(其值的量大)的电极称为贵，低的电极称为卑)的金属作为正极(anode)的电解电池，使直流电源装置的(－)端子与电解电池的负极相连接，(+)端子与电解电池的正极相连接，并向负极施加直流恒定电流，以具有-1×10-3A/cm2至-7.5×10-3A/cm2的恒定电流密度，从而通过产生基于氢气的缓冲气泡来提高铝合金的空穴抵抗性。
作为另一种解决方案，上述船舶用铝合金的空穴防损方法的特征在于，构成将海水溶液作为电解质、将铝合金表面作为工作电极、将铂作为对电极、将银/氯化银(Ag/AgCl)电极作为参比电极的三电极电解电池，使直流电源装置的(－)端子与三电极电解电池的工作电极相连接，(+)端子与电解电池的对电极相连接，并向工作电极的负极施加直流恒定电流，以具有-1×10-3A/cm2至-7.5×10-3A/cm2的恒定电流密度，从而通过产生基于氢气的缓冲气泡来提高铝合金的空穴抵抗性。
本发明借助电化学机构来形成缓冲气泡，因此与以往的借助机械机构来形成气泡的方法有所不同。
根据用于解决上述问题的具体实施方案，由于利用海水的电解，因此可借助直流电流电源装置和简单的机械结构来实现。尤其，不仅可以产生基于所产生的气泡的缓冲作用，还可以产生基于引入外部电流的负极防蚀效果。因此，有助于铝合金材料船体的耐久性提高及长寿命化，从而在船舶的维持保修方面具有可创造经济利益的效果。
附图说明
图1为示出在海水溶液中的超声波振幅为5μm的空穴环境中开放电路条件和施加1×10-6A/cm2、1×10-5A/cm2及1×10-4A/cm2的正极恒定电流的条件下的船舶用5000系列铝合金的3600秒期间的电位变化的图。
图2为示出在海水溶液中的超声波振幅为5μm的空穴环境中施加1×10-3A/cm2、2×10-3A/cm2、3×10-3A/cm2、5×10-3A/cm2、7.5×10-3A/cm2及1×10-2A/cm2的正极恒定电流时的船舶用5000系列铝合金的3600秒期间的电位变化的图。
图3为示出在海水溶液中的超声波振幅为5μm的空穴环境中开放电路和施加-1×10-6A/cm2、-1×10-5A/cm2及-1×10-4A/cm2的负极恒定电流的条件下的各个船舶用5000系列铝合金的3600秒期间的电位变化的图。
图4为示出在海水溶液中的超声波振幅为5μm的空穴环境中施加-1×10-3A/cm2、-2×10-3A/cm2、-3×10-3A/cm2、-5×10-3A/cm2、-7.5×10-3A/cm2及-1×10-2A/cm2的负极恒定电流时的船舶用5000系列铝合金的3600秒期间的电位变化的图。
图5为比较在海水溶液中的超声波振幅为5μm的空穴环境中对船舶用5000系列铝合金施加多种大小的正极恒定电流及负极恒定电流的实验中的3600秒期间的平均电位的图。
图6为在海水溶液中的超声波振幅为5μm的空穴环境中对船舶用5000系列铝合金施加多种大小的正极恒定电流及负极恒定电流的实验后测定并比较重量变化量的图。
图7为在海水溶液中的超声波振幅为5μm的空穴环境中对船舶用5000系列铝合金施加多种大小的正极恒定电流及负极恒定电流的实验后利用三维分析显微镜来测定并比较空穴受损部位的最大受损深度的图。
图8为在海水溶液中的超声波振幅为5μm的空穴环境中对船舶用5000系列铝合金实现开放电路、施加负极恒定电流(-3×10-3A/cm2)及正极恒定电流(3×10-3A/cm2)后比较利用扫描电子显微镜(Scanning Electron Microscope)拍摄的受空穴影响的表面的图。
图9为在海水溶液中的超声波振幅为5μm的空穴环境中对船舶用5000系列铝合金分别实现开放电路、施加正极恒定电流(3×10-3A/cm2)及负极恒定电流(-3×10-3A/cm2)后比较利用扫描电子显微镜拍摄的未受空穴影响的表面的图。
具体实施方式
以下，参照附图来说明本发明的具体实施方式。
本发明的目的在于，设定如下的最佳恒定电流条件，即，在铝合金机材施加恒定电流，从而使因水的电解作用而产生的气泡对空穴具有缓冲效果。
为此，通过抵消或缓解在暴露于产生空穴的海水环境中的船舶用铝合金表面上引起物理损伤的空穴的冲击压来提高空穴抵抗性，为此构成将海水溶液作为电解质、将铝合金机材和与上述铝合金机相比具有贵电位的金属分别作为负极和正极的电解电池。使直流电源装置的(－)端子与电解电池的负极相连接，(+)端子与电解电池的正极相连接，由此施加规定大小的电流。当施加负极电流时，因水的电解反应而在负极(铝合金机材)产生氢气，在正极侧产生氧气。当向反方向施加电流时，在负极侧产生氧气，在正极侧产生氢气。与此相关的化学反应如下。
2H++2e-→H2
4OH-→O2+2H2O+4e-
用于实现如上所述的目的的本发明的铝合金的空穴防损方法的特征在于，构成将海水溶液作为电解质、将铝合金表面作为负极、将相对于铝合金具有贵电位的金属作为正极的电解电池，使直流电源装置的(－)端子与电解电池的负极相连接，(+)端子与电解电池的正极相连接，并向负极施加直流恒定电流，以具有-1×10-3A/cm2至-7.5×10-3A/cm2的恒定电流密度，从而通过产生基于氢气的缓冲气泡来提高铝合金的空穴抵抗性。
作为另一种空穴防损方法，提出船舶用铝合金的空穴防损方法，上述船舶的表面为铝合金材质，上述船舶用铝合金的空穴防损方法的特征在于，构成将海水溶液作为电解质、将铝合金表面作为工作电极、将铂作为对电极、将银/氯化银(Ag/AgCl)电极作为参比电极的三电极电解电池，使直流电源装置的(－)端子与三电极电解电池的工作电极相连接，(+)端子与电解电池的对电极相连接，并向工作电极的负极施加直流恒定电流，以具有-1×10-3A/cm2至-7.5×10-3A/cm2的恒定电流密度，从而通过产生基于氢气的缓冲气泡来提高铝合金的空穴抵抗性。
其原理为通过在铝合金表面形成氢气来抵消或缓解引起物理损伤的空穴冲击压，由此提高空穴抵抗性。
为了证明根据本发明的结构的显著效果，在下述多个实施例中以施加多种大小的电流的方式在互不相同的条件下进行了用于测定空穴防损效果的比较实验。
具体地，利用具有20KHz的频率、5μm的振幅的超声波振动装置来产生空穴，使试片与超声波振动喇叭隔开1mm的距离，并使因空穴而产生的气泡直接照射在试片的表面。构成将铝合金机材作为工作电极(working electrode)、将铂网(Pt mesh)作为对电极(counterelectrode)、将银/氯化银(Ag/AgCl)电极作为参比电极(reference electrode)的三电极电池(three electrode cell)，使上述三电极电池与恒电位仪/恒电流仪(Potentiostat/Galvanostat)相连接，并通过施加恒定电流来测定电极电位。施加规定时间的多种大小的恒定电流，并通过测定重量减少量及最大受损深度来评价各条件的受损量。
图1为示出在海水溶液中的超声波振幅为5μm的空穴环境中开放电路条件和施加1×10-6A/cm2、1×10-5A/cm2及1×10-4A/cm2的正极恒定电流的条件下的船舶用5000系列铝合金的3600秒期间的电位变化的图。
参照附图，与是否施加电流无关地，与在静态状态(stagnant condition)下测定出的电位(-0.780V)相比，在空穴环境下测定出的电位均示出卑(less noble)电位。如上所述地，电位向卑的方向移动是由于在铝机材表面形成的自然氧化皮膜被空穴受损。在开放电路中测定出的电位在施加空穴初期示出-1.217V的电位后，渐渐地向贵的方向上升，并且从约1000秒以后呈现重新向卑的方向下降的趋势。当施加1×10-6A/cm2、1×10-5A/cm2及1×10-4A/cm2的恒定电流时，也呈现与在开放电路中测定出的电位类似的趋势。当试验终止时，在开放电路中测定出-0.927V的电位，当施加1×10-6A/cm2、1×10-5A/cm2及1×10-4A/cm2的正极恒定电流时，分别示出-1.0V、-0.975V及-0.985V。在上述恒定电流条件下，用于正极极化(anodic polarization)的驱动力不大，基于正极溶解反应的腐蚀速度不快。因此，可预计与基于电化学腐蚀的影响相比，基于纯粹的空穴的物理损伤将占据优势。
因此，有必要在具有更大的电流密度的环境下进行比较实验，图2示出在海水溶液超声波振幅为5μm的空穴环境中施加1×10-3A/cm2、2×10-3A/cm2、3×10-3A/cm2、5×10-3A/cm2、7.5×10-3A/cm2及1×10-2A/cm2的正极恒定电流时的船舶用5000系列铝合金的3600秒期间的电位变化。当施加上述恒定电流时，在所有试验条件下呈现随着时间的经过电位逐渐上升的趋势。越增加恒定电流的大小，越呈现试验初期电位增加的趋势，可知试验初期电位与终止电位之间的相差逐渐变大。如此的电位区间相当于正极极化区间，因此发生活性溶解反应，当电位增加至产生氧气的电位以上时，产生氧气。虽然因施加正极恒定电流而产生的氧气可对基于空穴的气泡起到缓冲作用，但是伴有正极溶解反应(腐蚀)，因此不适用于本发明所需用途的缓冲气泡。因此，判断为由正极恒定电流无法达成本发明的目的，在下述的实施例中进行了施加负极恒定电流的比较实验。
在图3示出在海水溶液中的超声波振幅为5μm的空穴环境中在开放电路和施加-1×10-6A/cm2、-1×10-5A/cm2及-1×10-4A/cm2的负极恒定电流的条件下的跟个船舶用5000系列铝合金的3600秒期间的电位变化。在开放电路中测定出的电位从试验一开始就急剧下降并示出-1.187V后，开始向贵的方向上升，在经过约850秒后示出-0.987V。然后，电位呈现向卑的方向逐渐下降的趋势，当试验终止时，电位示出1.084V。当施加-1×10-6A/cm2及-1×10-5A/cm2的负极恒定电流时，随着时间的推移电位呈现与在开放电路中测定出的电位类似的趋势，当试验终止时，电位分别示出-0.939V和-1.010V。即使在相当于负极极化的电流密度条件下，与在开放电路中测定出的电位相比，也测定出贵的电位。当施加-1×10-4A/cm2的恒定电流时，试验起始电位示出了小于其他恒定电流条件的-1.643V。然后，到约1000秒为止，电位急剧上升并示出-0.971V，然后逐渐降低，并在试验终止时示出-1.119V。在这种相对低的恒定电流条件下，存在基于负极防蚀的防腐蚀效果，但与产生氢气的电位相比形成贵电位，因此无法观察到起到缓冲作用的氢气的产生。因此，在下述的实施例中，为了产生充分的氢气，进行了施加更大的负极恒定电流的比较实验。
在图4示出在相同的环境中施加-1×10-3A/cm2、-2×10-3A/cm2、-3×10-3A/cm2、-5×10-3A/cm2、-7.5×10-3A/cm2及-1×10-2A/cm2的负极恒定电流时的3600秒期间的电位变化。观察到越增加负极恒定电流的大小电位越低的显著的趋势。在-1×10-3A/cm2、-2×10- 3A/cm2及-3×10-3A/cm2的电流密度下，初期以低电位开始并急剧上升，然后在约200秒附近，呈现随着时间经过使电位稳定的趋势。但是当施加大于-5×10-3A/cm2的电流密度时，呈现随着时间经过电位向卑的方向下降的趋势。上述现象被判断为来源于基于形成电沉积(electrodeposition)的试片的电阻的增加，上述电沉积形成于不受空穴的影响的部分。这种电沉积作为从存在于海水中的钙(Ca)和镁(Mg)等的阳离子被负极极化的金属表面通过碳酸钙(CaCO3)和氢氧化镁(Mg(OH)2)等的无机化合物析出的物质，被视为钙质沉积物(calcareous deposits)。
图5为比较在相同的环境中施加多种大小的正极恒定电流及负极恒定电流的实验中的3600秒期间的平均电位的图。在正极恒定电流的情况下，当施加1×10-4A/cm2以下的电流密度时，与在开放电路中测定出的电位相比，未呈现显著的差异，但是当施加上述值以上的电流密度时，电位向贵的方向大幅度地上升。
负极恒定电流情况也与正极恒定电流相同地，在-1×10-4A/cm2以下的电流密度下，与在开放电路中测定的电位相比，未呈现显著的差异，但是当施加上述值以上的电流密度时，可确认电位向卑的方向急剧地移动。与施加正极恒定电流的情况相比，施加负极恒定电流的情况示出约大0.6V的根据电流施加的电位变动幅度。并且，当施加-1×10-3A/cm2以上的电流密度时，观察到在试片表面产生能够以肉眼确认的氢气。但是若增加电流密度，则除了产生氢气以外，预计因电化学反应而增加电化学损伤，因此需要导出能够使损伤最小化的电流密度值，以下对其进行了比较实验。
图6为在海水溶液中的超声波振幅为5μm的空穴环境中对船舶用5000系列铝合金施加多种大小的正极恒定电流及负极恒定电流的实验后测定并比较重量变化量的图。在开放电路中暴露于空穴环境时，重量变化量以4.1mg来呈现重量减少。当施加正极恒定电流时，在1×10-3A/cm2以下呈现重量的减少，但与在开放电路中暴露于空穴时相比，未呈现显著差异。但是在施加1×10-3A/cm2电流密度时，在示出5.3mg的重量减少量后，随着电流密度的增加呈现重量急剧减少的现象，在1×10-2A/cm2的电流密度下测定出施加条件中的最大的重量减少量(22.1mg)。如上所述地，当正极恒定电流的大小相对大时，基于活性溶解反应的电化学损伤和基于空穴的物理损伤会一同作用，从而观察到大的受损量。
相反地，在施加负极恒定电流的所有条件的情况下，与在开放电路中暴露的情况相比，测定出小的重量减少量。上述现象源于如下的效果，即，虽然因暴露于空穴而产生物理损伤，但通过负极防蚀而减少电化学腐蚀损伤。尤其，在施加-7.5×10-3A/cm2及-1×10- 2A/cm2的恒定电流的情况下，确认了重量的增加，其量分别示出1.3mg和7mg。这种重量增加的原因在于在未受空穴影响的试片部位形成钙质沉积物。
图7为在相同的环境中施加多种大小的正极恒定电流及负极恒定电流的实验后利用三维分析显微镜来测定并比较空穴受损部位的最大受损深度的图。在暴露于开放电路的情况的最大受损深度测定为8.068μm。当施加正极恒定电流时，与在开放电路中暴露的情况相比，观察到大的受损深度，与此相反地，当施加负极恒定电流时，与开放电路的情况相比，观察到小的受损深度。尤其，当施加大于-1×10-3A/cm2的负极恒定电流时，呈现比较小的受损深度，当施加作为最大的负极电流密度的-1×10-2A/cm2时，呈现5.902μm的受损深度。
图8为在相同的环境中实现开放电路、施加负极恒定电流(-3×10-3A/cm2)及正极恒定电流(3×10-3A/cm2)后利用扫描电子显微镜(Scanning Electron Microscope)拍摄的受空穴影响的表面的图。当施加3×10-3A/cm2的正极恒定电流时，与在开放电路中暴露的情况相比，观察到大的表面受损，其为基于活性溶解反应的电化学损伤和基于空穴的物理损伤一同作用的结果。相反地，当施加-3×10-3A/cm2的负极恒定电流时，与在开放电路中暴露的情况相比，呈现出良好的表面。这是由于，当施加负极恒定电流时，通过基于因水的电解而产生的氢气的缓冲效果来抵消基于空穴的气泡，与此同时，起到提升基于外部电流流入的负极防蚀效果的作用。
图9为在相同的环境中分别实现开放电路、施加正极恒定电流(3×10-3A/cm2)及负极恒定电流(-3×10-3A/cm2)后利用扫描电子显微镜拍摄的未受空穴影响的表面的图。在开放电路中暴露的情况下，因存在于海水中的氯离子而破坏自然氧化机材，由此观察到所产生的空蚀。当施加正极恒定电流时，观察到基于活性溶解反应的大损伤。相反地，当施加负极恒定电流时，呈现无受损的良好的表面，并且局部地观察到钙质沉积物的形成。
在上述实施例中，在用于防止海水中的空穴环境的船舶用铝合金的空穴受损的多种大小的电流密度下对施加正极恒定电流及负极恒定电流后，对基于空穴的受损量进行了比较测定。
为了使船舶用铝合金在海水空穴环境中产生起到缓冲作用的气泡，可施加正极恒定电流或负极恒定电流。当施加正极恒定电流时，产生氧气，当施加负极恒定电流时，产生氢气。当施加正极电流时，可造成基于活性溶解反应的电化学腐蚀，因此可得出优选地施加负极恒定电流的结论。
利用负极电流来产生空穴缓冲气泡有以下优点。第一、当施加相同大小的电流时，氢气产生量为氧气防腐产生量的两倍。第二、具有负极防蚀效果。第三、在不受空穴的影响的部位形成钙质沉积物，因此可减少在形成缓冲气体的过程中所需的电流密度。
当负极恒定电流大时，因产生过多的氢氧化离子可造成铝的负极腐蚀，因此优选地，将电流密度的大小控制在-1×10-2A/cm2以下。
最后，可得出为了在空穴环境中的船舶用铝合金上产生缓冲气泡，即，氢气，优选地，施加大于-1×10-3A/cm2的负极恒定电流密度，更具体地，基于空穴的受损量可限定在-1×10-3A/cm2至-7.5×10-3A/cm2的负极的直流恒定电流的结论。
在利用电化学方法的方面，虽然还可以利用静电压法，但在可变的海水环境下会使电阻值不同，因此经常发生静电压控制相对困难的情况。与此相比，恒定电流法无需根据基于环境变化的可变电阻值来改变电流值，因此具有可易于控制的优点。
根据本发明，用于防止空穴损伤的缓冲气泡产生方法不依赖于以往多种技术的机械机构，并利用海水的电解，因此可借助直流电流电源装置和简单的机械结构来实现。尤其，不仅可产生基于所产生的气泡的缓冲作用，还可产生基于引入外部电流的负极防蚀效果。因此具有可提高铝合金材料船体的耐久性和使用寿命的效果。
如上所述，在本发明的详细说明中，对本发明的优选的实施例进行了说明，但在不超出本发明的技术范围的范围内，还可以实施多种变形。因此，本发明的保护范围不应限定于上述实施例，后述的发明要求保护范围中的多个技术和来源于这些技术的等同的多个技术解决方案也属于保护范围。

Claims (2)

1.一种基于恒定电流电解法的船舶用铝合金的空穴防损方法，上述船舶的船体由铝合金材质构成，上述基于恒定电流电解法的船舶用铝合金的空穴防损方法的特征在于，构成将海水溶液作为电解质、将铝合金表面作为负极、将相对于铝合金具有贵电位的金属作为正极的电解电池，使直流电源装置的负(－)端子与电解电池的负极相连接，正(+)端子与电解电池的正极相连接，并向负极施加直流恒定电流，以具有-1×10-3A/cm2至-7.5×10-3A/cm2的恒定电流密度，从而通过产生基于氢气的缓冲气泡来提高铝合金的空穴抵抗性。
2.一种基于恒定电流电解法的船舶用铝合金的空穴防损方法，上述船舶的船体由铝合金材质构成，上述基于恒定电流电解法的船舶用铝合金的空穴防损方法的特征在于，构成将海水溶液作为电解质、将铝合金表面作为工作电极、将铂作为对电极、将银/氯化银(Ag/AgCl)电极作为参比电极的三电极电解电池，使直流电源装置的负(－)端子与三电极电解电池的工作电极相连接，正(+)端子与电解电池的对电极相连接，并向工作电极的负极施加直流恒定电流，以具有-1×10-3A/cm2至-7.5×10-3A/cm2的恒定电流密度，从而通过产生基于氢气的缓冲气泡来提高铝合金的空穴抵抗性。
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