CN113755847B - 一种用于铝合金的脉冲电流阴极保护方法 - Google Patents

一种用于铝合金的脉冲电流阴极保护方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于铝合金的脉冲电流阴极保护方法，在占空比和周期不变的情况下，随着幅值从‑1.05V负移到‑1.3V,初始极化电位与放电末端电位都发生负移，但两电位之差
Figure DDA0003257243620000011
基本保持不变，在幅值和脉冲极化时间不变的条件下，随着占空比从1:1减小到1:20，放电末端电位逐渐发生正移，且极化初始电位和放电末端电位之差
Figure DDA0003257243620000012
逐渐增大，占空比对试样电位的影响主要体现在延长了空置时间，幅值，占空比恒定的条件下，随着周期从210ms增大到1260ms，试样的放电末端电位先逐渐增大，而后基本保持不变，极化初始电位和放电末端电位之差
Figure DDA0003257243620000013
先增大后保持基本稳定，但当周期继续大幅增大时，

Description

一种用于铝合金的脉冲电流阴极保护方法
技术领域
本发明涉及脉冲电流阴极保护技术领域，具体为一种用于铝合金的脉冲电流阴极保护方法。
背景技术
21世纪是海洋的世纪，海洋经济正在成为全球经济发展的新高地。海洋中拥有丰富的鱼类资源以及矿产资源，是各个国家争相开发的区域，也是国家安全防卫的重要阵地。我国拥有300多万平方公里的主张管辖海域以及超过18000公里的海岸线，是名副其实的海洋大国。
提及海上建设，人们会自然联想到钢铁材料建造的船舶以及海上作业平台。钢材作为一种发展非常成熟的金属材料，被广泛应用于制造船舶以及大型海上平台。钢铁材料具备许多优良性能，比如强度高、锻造性能好等。然而面对苛刻的海洋环境，钢材的耐腐蚀性便受到了极大的考验。据不完全统计，我国每年因海洋腐蚀造成的直接损失超过5000亿元，腐蚀不仅会造成金属材料的不可逆流失，还会给海洋开发建设带来极大的安全隐患。因此，在使用金属材料制造船舶以及搭建海洋平台时，材料的耐腐蚀性以及防护措施的有效性就显得尤为重要。
相比于钢铁材料，铝合金密度更低、比强度更高、加工性能更好，而且具有更好的导热导电性。但最重要的是，铝合金更耐海水腐蚀。因此，铝合金的使用在造船业中变得越来越广泛。早在1892年，铝合金就已经被用于制造船舶。铝合金由于其低密度以及良好的加工性能，在造船业中优势明显：船体重量轻，航速快，机动性强，可以增加载重，多携带设备和燃料。因此非常适合用于中小型船舶的制造。由于其优良的耐腐蚀性，铝合金船相比于钢质船来说可减少维修保养的成本，降低能耗。铝合金船的另外一大优势就是不需要进行定期消磁，对于军队的舰艇来说，能避开磁性水雷的攻击以及提高仪表精度，可以不间断地保证各种仪器设备的正常使用。
我国在上世纪就开始使用Al-Cu系铝合金建造快艇，但是Al-Cu系合金在海水环境下抗腐蚀性能较差，所以用于建造舰艇的铝合金逐步被Al-Mg系合金所代替，比如5083铝合金。5083铝合金是一种防锈铝，具有很好的耐腐蚀、焊接和力学性能。
海洋环境是自然界中最复杂，量最大且腐蚀性很强的天然电解质环境。因此，即便是耐腐蚀性能较好的5083防锈铝，在海洋中也会发生腐蚀问题。
铝合金在海水环境中主要发生点蚀问题，5083铝合金也不例外。一般来说，在大气环境中铝合金的局部腐蚀情况并不严重，然而在海水环境下，点蚀坑在侵蚀性Cl-的作用下会往纵深发展，严重的甚至导致铝合金穿孔，给舰艇船舶在海洋上航行带来了极大的危害。在阴极保护技术中，由于铝的电负性高，因此常用作牺牲阳极来使用。但对于现有的铝合金舰艇，一般通过传统的外加电流阴极保护法对铝合金进行保护，或者像绝大多数的钢质舰艇一样使用涂层来保护，或者以上两种方法联合使用。对于舰艇这种结构较复杂且体积巨大的金属构筑物，传统的外加直流阴极保护一般需要比较大的电流才能将船体保护住，导致远端和近端保护电位不均匀。这种外加大电流的保护方式带来两个问题：(1)铝属于两性金属，保护电流过小，铝合金会发生点蚀；保护电流过大，铝合金会发生析氢导致碱性腐蚀，两种情况都会造成舰体的破坏。(2)外加电流过大导致能耗大，从经济角度考虑也不是最好的方法。若使用涂层技术进行保护，破损处的涂层如果没有得到及时的修复，铝合金在海水中的点蚀特性就会被进一步放大，造成点蚀坑的迅速加深。
因此，需要一种能够实现保护距离长，保护电位分布均匀且能耗低等特性的技术来对铝合金进行保护，解决当下海水环境中铝合金保护的困境。
发明内容
(一)解决的技术问题
针对现有技术的不足，本发明提供了一种用于铝合金的脉冲电流阴极保护方法，具备防海水腐蚀等优点，解决了铝合金遭受海水腐蚀的问题。
(二)技术方案
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种用于铝合金的脉冲电流阴极保护方法，包括以下操作步骤：
S1：将现有的CS350电化学工作站改装成了专用脉冲电源，通过对脉冲原理进行分析，在原有的恒电位仪电路中加入开合时间为240ns的低延时ADG1401高频电子开关，在控制软件中加入极化时序功能控制脉冲输出时的占空比和周期参数，获得了参数可调的稳定脉冲电位/电流波形；
S2：采用控制变量法研究了脉冲电位阴极保护过程中幅值、占空比及周期对5083铝合金试样电位的影响,脉冲电位保护过程中试样电位在脉冲初始极化电位
Figure GDA0004157329500000031
和放电末端电位
Figure GDA0004157329500000032
之间进行变化,随着
Figure GDA0004157329500000033
幅值在-1.05V～-1.3V之间增大，
Figure GDA0004157329500000034
负移，但电位变化值
Figure GDA0004157329500000035
在
Figure GDA0004157329500000036
之间趋于稳定,随着占空比在1:1～1:20之间减小，电位-时间曲线稳定时各参数条件下
Figure GDA0004157329500000037
均正移，但
Figure GDA0004157329500000038
逐渐增大；随着周期在210ms～1260ms内增大，
Figure GDA0004157329500000039
负移，但变化值不大，
Figure GDA00041573295000000310
趋于稳定,幅值和占空比对脉冲阴极保护过程的影响大于周期；
S3：采用控制变量法研究了脉冲电流阴极保护过程中幅值、占空比及周期对5083铝合金试样电位的影响,脉冲电流阴极保护过程中试样电位逐渐变负，最终在初始极化电位
Figure GDA00041573295000000311
和放电末端电位
Figure GDA00041573295000000312
之间进行变化,电流I1幅值在-10μA～-60μA之间增大，
Figure GDA00041573295000000313
和
Figure GDA00041573295000000314
均发生负移，但电位变化值
Figure GDA00041573295000000315
趋于稳定,随着占空比在1:1～1:20区间减小，
Figure GDA00041573295000000316
和
Figure GDA00041573295000000317
均正移，但
Figure GDA00041573295000000318
也增大,与脉冲电位保护过程一样，周期小于1200ms对试样电位的影响比较小。
优选的，5083铝合金在使用前需要进行处理和准备，处理材料包括有：环氧树脂、邻苯二甲酸二甲酯、乙二胺、U-PVC管、无水乙醇、丙酮、水磨砂纸、抛光膏、超声波清洗器、干燥皿，处理步骤：
K1：切割；
K2：清洗；
K3：焊接；
K4：封装；
K5：打磨；
K6：抛光。
优选的，5083铝合金经线切割而成，并在非试验面开孔攻丝用于连接导线，所有试样大小均为10mm×10mm×8mm，试验面面积为1cm2。
优选的，经线切割后的5083铝合金先用软毛牙刷刷去表面杂质，再使用丙酮和超声波清洗器进行超声波清洗15min。
优选的经清洗后的铝合金试样用焊锡在攻丝后的孔内使用纯铜导线进行焊接。
优选的，采用U-PVC管做模具，环氧树脂对5083铝合金进行封装，环氧树脂材料的配比为环氧树脂80wt.％，邻苯二甲酸二甲酯15wt.％，乙二胺5wt.％，封装固化48小时后待用。
优选的，封装好后的5083铝合金工作面使用水磨砂纸进行打磨，水磨砂纸依次采用400目、800目、1200目、2000目打磨。
优选的，打磨好后的5083铝合金进行机械抛光，抛光膏为W1.5的Al2O3，抛光完成后用丙酮进行去油，再用无水乙醇清洗后吹干，5083铝合金经打磨抛光清洗后放置于干燥皿中24h待用。
(三)有益效果
与现有技术相比，本发明提供了一种用于铝合金的脉冲电流阴极保护方法，具备以下有益效果：
1、该一种用于铝合金的脉冲电流阴极保护方法，通过在占空比和周期不变的情况下，随着幅值从-1.05V负移到-1.3V,初始极化电位与放电末端电位都发生负移，但两电位之差
Figure GDA0004157329500000051
基本保持不变，在幅值和脉冲极化时间不变的条件下，随着占空比从1:1减小到1:20，放电末端电位逐渐发生正移，且极化初始电位和放电末端电位之差
Figure GDA0004157329500000052
逐渐增大，占空比对试样电位的影响主要体现在延长了空置时间。
2、该一种用于铝合金的脉冲电流阴极保护方法，通过在幅值，占空比恒定的条件下，随着周期从210ms增大到1260ms，试样的放电末端电位先逐渐增大，而后基本保持不变，极化初始电位和放电末端电位之差
Figure GDA0004157329500000053
先增大后保持基本稳定，但当周期继续大幅增大时，
Figure GDA0004157329500000054
也会随之增大。
具体实施方式：
一种用于铝合金的脉冲电流阴极保护方法，包括以下操作步骤：
S1：将现有的CS350电化学工作站改装成了专用脉冲电源，通过对脉冲原理进行分析，在原有的恒电位仪电路中加入开合时间为240ns的低延时ADG1401高频电子开关，在控制软件中加入极化时序功能控制脉冲输出时的占空比和周期参数，获得了参数可调的稳定脉冲电位/电流波形；
S2：采用控制变量法研究了脉冲电位阴极保护过程中幅值、占空比及周期对5083铝合金试样电位的影响,脉冲电位保护过程中试样电位在脉冲初始极化电位
Figure GDA0004157329500000055
和放电末端电位
Figure GDA0004157329500000056
之间进行变化,随着
Figure GDA0004157329500000057
幅值在-1.05V～-1.3V之间增大，
Figure GDA0004157329500000058
负移，但电位变化值
Figure GDA0004157329500000059
在
Figure GDA00041573295000000510
之间趋于稳定,随着占空比在1:1～1:20之间减小，电位-时间曲线稳定时各参数条件下
Figure GDA00041573295000000511
均正移，但
Figure GDA00041573295000000512
逐渐增大；随着周期在210ms～1260ms内增大，
Figure GDA00041573295000000513
负移，但变化值不大，
Figure GDA00041573295000000514
趋于稳定,幅值和占空比对脉冲阴极保护过程的影响大于周期；
S3：采用控制变量法研究了脉冲电流阴极保护过程中幅值、占空比及周期对5083铝合金试样电位的影响,脉冲电流阴极保护过程中试样电位逐渐变负，最终在初始极化电位
Figure GDA00041573295000000515
和放电末端电位
Figure GDA00041573295000000516
之间进行变化,电流I1幅值在-10μA～-60μA之间增大，
Figure GDA00041573295000000517
和
Figure GDA00041573295000000518
均发生负移，但电位变化值
Figure GDA00041573295000000519
趋于稳定,随着占空比在1:1～1:20区间减小，
Figure GDA0004157329500000061
和
Figure GDA0004157329500000062
均正移，但
Figure GDA0004157329500000063
也增大,与脉冲电位保护过程一样，周期小于1200ms对试样电位的影响比较小，5083铝合金在使用前需要进行处理和准备，处理材料包括有：环氧树脂、邻苯二甲酸二甲酯、乙二胺、U-PVC管、无水乙醇、丙酮、水磨砂纸、抛光膏、超声波清洗器、干燥皿，处理步骤：
K1：切割；
K2：清洗；
K3：焊接；
K4：封装；
K5：打磨；
K6：抛光。
5083铝合金经线切割而成，并在非试验面开孔攻丝用于连接导线，所有试样大小均为10mm×10mm×8mm，试验面面积为1cm2，经线切割后的5083铝合金先用软毛牙刷刷去表面杂质，再使用丙酮和超声波清洗器进行超声波清洗15min，经清洗后的铝合金试样用焊锡在攻丝后的孔内使用纯铜导线进行焊接，采用U-PVC管做模具，环氧树脂对5083铝合金进行封装，环氧树脂材料的配比为环氧树脂80wt.％，邻苯二甲酸二甲酯15wt.％，乙二胺5wt.％，封装固化48小时后待用，封装好后的5083铝合金工作面使用水磨砂纸进行打磨，水磨砂纸依次采用400目、800目、1200目、2000目打磨，打磨好后的5083铝合金进行机械抛光，抛光膏为W1.5的Al2O3，抛光完成后用丙酮进行去油，再用无水乙醇清洗后吹干，5083铝合金经打磨抛光清洗后放置于干燥皿中24h待用。

Claims (8)

1.一种用于铝合金的脉冲电流阴极保护方法，其特征在于，包括以下操作步骤：
S1：将现有的CS350电化学工作站改装成了专用脉冲电源，通过对脉冲原理进行分析，在原有的恒电位仪电路中加入开合时间为240ns的低延时ADG1401高频电子开关，在控制软件中加入极化时序功能控制脉冲输出时的占空比和周期参数，获得了参数可调的稳定脉冲电位/电流波形；
S2：采用控制变量法研究了脉冲电位阴极保护过程中幅值、占空比及周期对5083铝合金试样电位的影响,脉冲电位保护过程中试样电位在脉冲初始极化电位φ1和放电末端电位φ2之间进行变化,随着φ1的幅值在-1.05V～-1.3V之间增大，φ2负移，但电位变化值Δφ在|φ1-φ2|之间趋于稳定,随着占空比在1:1～1:20之间减小，电位-时间曲线稳定时各参数条件下φ2均正移，但Δφ逐渐增大；随着周期在210ms～1260ms内增大，φ2负移，但变化值不大，Δφ趋于稳定,幅值和占空比对脉冲阴极保护过程的影响大于周期；
S3：采用控制变量法研究了脉冲电流阴极保护过程中幅值、占空比及周期对5083铝合金试样电位的影响,脉冲电流阴极保护过程中试样电位逐渐变负，最终在初始极化电位φ1和放电末端电位φ2之间进行变化,电流I1幅值在-10μA～-60μA之间增大，φ1和φ2均发生负移，但电位变化值Δφ趋于稳定,随着占空比在1:1～1:20区间减小，φ1和φ2均正移，但Δφ也增大,与脉冲电位保护过程一样，周期小于1200ms对试样电位的影响比较小。
2.根据权利要求1所述的一种用于铝合金的脉冲电流阴极保护方法，其特征在于，所述5083铝合金在使用前需要进行处理和准备，处理材料包括有：环氧树脂、邻苯二甲酸二甲酯、乙二胺、U-PVC管、无水乙醇、丙酮、水磨砂纸、抛光膏、超声波清洗器、干燥皿，处理步骤：
K1：切割；
K2：清洗；
K3：焊接；
K4：封装；
K5：打磨；
K6：抛光。
3.根据权利要求2所述的一种用于铝合金的脉冲电流阴极保护方法，其特征在于，5083铝合金经线切割而成，并在非试验面开孔攻丝用于连接导线，所有试样大小均为10mm×10mm×8mm，试验面面积为1cm2。
4.根据权利要求2所述的一种用于铝合金的脉冲电流阴极保护方法，其特征在于，经线切割后的5083铝合金先用软毛牙刷刷去表面杂质，再使用丙酮和超声波清洗器进行超声波清洗15min。
5.根据权利要求2所述的一种用于铝合金的脉冲电流阴极保护方法，其特征在于，经清洗后的铝合金试样用焊锡在攻丝后的孔内使用纯铜导线进行焊接。
6.根据权利要求2所述的一种用于铝合金的脉冲电流阴极保护方法，其特征在于，采用U-PVC管做模具，环氧树脂对5083铝合金进行封装，环氧树脂材料的配比为环氧树脂80wt.％，邻苯二甲酸二甲酯15wt.％，乙二胺5wt.％，封装固化48小时后待用。
7.根据权利要求2所述的一种用于铝合金的脉冲电流阴极保护方法，其特征在于，封装好后的5083铝合金工作面使用水磨砂纸进行打磨，水磨砂纸依次采用400目、800目、1200目、2000目打磨。
8.根据权利要求2所述的一种用于铝合金的脉冲电流阴极保护方法，其特征在于，打磨好后的5083铝合金进行机械抛光，抛光膏为W1.5的Al2O3，抛光完成后用丙酮进行去油，再用无水乙醇清洗后吹干，5083铝合金经打磨抛光清洗后放置于干燥皿中24h待用。
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