CN115901603A

CN115901603A - 一种钛合金缝隙腐蚀试验装置

Info

Publication number: CN115901603A
Application number: CN202211498551.6A
Authority: CN
Inventors: 于明东; 温杰平; 彭文山; 程文华; 侯健
Original assignee: 725th Research Institute of CSIC
Current assignee: 725th Research Institute of CSIC
Priority date: 2022-11-28
Filing date: 2022-11-28
Publication date: 2023-04-04

Abstract

本发明属于缝隙腐蚀技术领域，具体涉及一种针对钛合金进行缝隙腐蚀的试验装置，能够在海水环境中开展钛合金不同尺寸缝隙腐蚀试验，通过电化学噪声法对缝隙中钝化膜的腐蚀状态进行原位无损检测，对缝隙区域的膜层厚度和膜层成分分布进行分析，根据电化学参数的变化，判断钛合金表面钝化膜溶解情况，表征钛合金缝隙钝化膜的性能；通过表征缝隙的腐蚀产物成分、膜层厚度，结合电化学参数，探究钛合金缝隙条件下钛合金钝化膜状态随时间的演变规律、缝隙钝化膜性质与缝隙几何尺寸之间的关系；通过控制缝隙内外的各因素的浓度，以探究离子、氧浓度等对缝隙钝化膜溶解的影响，获取缝隙内外的电位差等信息。

Description

一种钛合金缝隙腐蚀试验装置

技术领域：

本发明属于缝隙腐蚀技术领域，具体涉及一种针对钛合金进行缝隙腐蚀的试验装置。

背景技术：

缝隙腐蚀属于电化学腐蚀，是指腐蚀介质中的金属表面上，在缝隙和其他隐蔽的区域内发生的局部腐蚀，缝隙腐蚀是由于金属离子和溶解气体在侵蚀溶液中造成缝隙内外浓度不均匀、形成电位差，从而影响电极过程动力学以至建立起电化学电池所致。凡是依靠氧化膜或钝化层抗腐蚀的金属特别易发生这种腐蚀，孔穴、垫片接触面、搭接缝内、沉积物下、紧固件缝隙内是常发生缝隙腐蚀的地方，在许多介质中，特别是含氧的介质中会发生缝隙腐蚀。

金属部件在介质中，由于金属与金属或金属与非金属之间形成特别小的缝隙(一般在0.025-0.1mm之间)，使缝隙内介质处于滞流状态,引起缝隙内金属的加速腐蚀，许多设备与金属构件，由于不合理的设计或加工等都会造成缝隙，如法兰连接面、螺母压紧面和焊缝等。

几乎所有的金属和合金在各种介质中都会形成缝隙腐蚀。但不同的金属在不同的介质中对腐蚀的敏感性不同，具有自钝化特性的金属和合金在充气的含有活性阴离子的中性介质中最易引起缝隙腐蚀。当在金属表面上始发局部腐蚀并进一步扩展时，其中，阳极区出现氧化过程，阴极区出现某些还原过程(如O₂的还原等)；当缝隙内溶液中的溶解氧完全消耗掉而得不到补充时，缝隙内的钝化膜就开始还原性溶解，由此导致腐蚀产物金属盐逐渐浓缩，浓缩的金属盐水解又使缝隙内的pH值急剧下降，当下降到该金属在浓缩溶液中失去钝化膜的pH值时，缝隙内不锈钢的钝化膜就会发生全面性的还原性破坏，从而产生缝隙腐蚀。

缝隙腐蚀的影响因素包括溶解O₂量、电解质的流速、温度、pH值、氯离子等破坏钝化膜的离子和合金元素。开展海水环境分隔电池模拟缝隙环境试验，探明在海水环境下关键因素如溶解氧、氯离子、氟离子等对钛合金缝隙钝化膜溶解的影响规律，有针对性地量化钛合金缝隙区域钝化膜溶解的环境条件，采用数学方法评估各因素对钝化膜溶解的影响程度，可为钛合金在海水环境中的腐蚀与防护提供理论基础，推动钛合金在海军装备中的广泛应用。

现有技术中的缝隙腐蚀试验装置或缝隙间距固定不可调，或无法对钛合金进行试验。例如，中国专利202010395363公开的一种金属缝隙腐蚀的模拟装置，包括具有夹腔的夹具，所述夹具包括底部支撑板、顶部盖板和支撑件，所述底部支撑板与所述顶部盖板之间设置有至少一组的缝隙垫片，每组所述缝隙垫片两两相对设置，且两个所述缝隙垫片之间预留有用于放置待测金属物的夹腔，所述支撑件支撑于所述底部支撑板和所述顶部盖板之间。中国专利202021498993公开的一种缝隙腐蚀原位监测试验装置，包括：槽体，所述槽体为透明槽体，所述槽体的顶部具有一开口端，所述槽体的内部设有电解液，所述电解液内设有工作电极、参比电极和对电极，所述工作电极、所述参比电极和所述对电极均通过导线连接有电化学工作站，所述槽体上设有用于调节所述电解液温度的恒温加热器；底板，水平设置于所述槽体的内部，所述底板可拆卸式连接有底板座，所述底板座用于对所述底板进行固定和支撑，所述底板上设有若干个通孔，所述通孔用于安装所述工作电极；盖板，设置于所述底板的上方并与所述底板平行，所述盖板连接有竖直移动机构使所述盖板可沿竖直方向做往复直线运动，所述盖板还连接有水平移动机构使所述盖板可沿水平方向做往复直线运动，所述盖板上还设有若干个微型pH电极，所述微型pH电极用于检测所述盖板与所述工作电极之间形成的腐蚀缝隙内的pH值。中国专利201921262967公开的一种可控缝隙腐蚀试验装置，包括水平设置的盖板和金属样板，所述金属样板固定在盖板下方且在盖板和金属样板之间设有密封垫圈，从而使得盖板和金属样板之间形成缝隙；盖板上均匀分布有若干竖直设置的微测头且所有微测头的顶杆顶部与金属样板刚好接触，并可通过调节所有微测头顶杆的伸出盖板下表面的长度来调节缝隙宽度；在盖板上方的一侧设有矩形加液槽，并在加液槽对应的盖板上设有加液口从而将加液槽和缝隙连通；在加液口处安装有辅助电极且辅助电极下端距离金属样板上表面有一间隙；在盖板上设有用于安装探针和盐桥的安装孔且所述安装孔位于加液槽同一侧，所述探针安装孔和盐桥安装孔连线与加液口的一条边平行，所述探针和盐桥穿过安装孔并插入缝隙内，所述盐桥上外接有参比电极。

针对新一代钛合金装备关键结构应用于海洋环境，面临的缝隙腐蚀关键因素影响规律和钝化膜溶解机理不明等问题，开展海水环境钛合金缝隙钝化膜溶解行为研究，分析钛合金在海水环境中钝化膜溶解的条件，建立钛合金钝化膜溶解机理模型，为钛合金在海军装备上的应用与腐蚀防护提供理论支撑。

发明内容：

本发明的目的在于克服现有技术存在的缺点，研发设计一种钛合金缝隙腐蚀试验装置，探明溶解氧、氯离子浓度对钛合金缝隙钝化膜溶解的影响规律。

为了实现上述目的，本发明涉及的钛合金缝隙腐蚀试验装置的主体结构包括螺纹连接的螺钉和螺母，以及螺钉与螺母之间设置的辅助垫片和碟形垫片；辅助垫片靠近螺钉，碟形垫片靠近螺母。

本发明涉及的螺钉、螺母、辅助垫片和碟形垫片的材质均为聚四氟乙烯塑料，其中，碟形垫片的外形呈飞碟状，尺寸与待测试的钛合金试样的尺寸匹配。

本发明涉及的钛合金缝隙腐蚀试验装置，使用时，将钛合金试样置于螺母与碟形垫片之间，钛合金试样与蝶形垫片之间的空隙形成缝隙，缝隙由外向内逐渐变小，制造出不同间距的过度区缝隙，能够观察不同缝隙的腐蚀状态；缝隙腐蚀发生的基本条件是，在腐蚀介质流动状态下，缝隙的宽度使浸蚀性溶液能够进入并停滞在缝隙内。

本发明与现有技术相比，能够在海水环境中开展钛合金不同尺寸缝隙腐蚀试验，采用OCP、EIS、极化曲线和Mott-Schottky曲线等电化学测试，获取膜层电位、阻抗、钝化电流密度、击穿电位等，采用扫描电子显微镜、原子力显微镜等手段分析材料腐蚀形貌，采用X射线光电子能谱技术、能谱仪等分析腐蚀产物成分及分布；通过电化学噪声法对对缝隙中钝化膜的腐蚀状态进行原位无损检测，对缝隙区域的膜层厚度和膜层成分分布进行分析，根据电化学参数的变化，判断钛合金表面钝化膜溶解情况，表征钛合金缝隙钝化膜的性能；通过表征缝隙的腐蚀产物成分、膜层厚度，结合电化学参数，探究钛合金缝隙条件下钛合金钝化膜状态随时间的演变规律、缝隙钝化膜性质与缝隙几何尺寸之间的关系；通过控制缝隙内外的各因素的浓度，以探究离子、氧浓度等对缝隙钝化膜溶解的影响，获取缝隙内外的电位差等信息。

附图说明：

图1为本发明的主体结构示意图。

图2为本发明主体结构爆炸图。

具体实施方式：

下面通过实施实例并结合附图对本发明做进一步描述。

实施例1：

本实施例涉及的钛合金缝隙腐蚀试验装置的主体结构包括螺钉1、螺母2、辅助垫片3和碟形垫片4；螺钉1与螺母2螺纹连接，二者之间设置有靠近螺钉1的辅助垫片3和靠近螺母2的碟形垫片4。

本实施例涉及的钛合金缝隙腐蚀试验装置以TA2、TC4等典型钛材为研究对象，进行缝隙试验，以研究海水环境下钛合金材料发生缝隙腐蚀的规律与机理。

一、钛合金缝隙几何尺寸对钝化膜溶解行为影响研究的具体过程如下：

(a)将钛合金试样100置于螺母2与碟形垫片4之间，通过调节压紧碟形垫片4的力度控制碟形垫片4的形变，使碟形垫片4与钛合金试样100之间的缝隙200达到设定的高度，通过调整碟形垫片4的直径控制缝隙200区域的面积；

(b)以温度为80-90℃的人工海水为试验介质，进行钛合金不同尺寸缝隙条件下的腐蚀浸泡试验，人工海水成分如下表所示，其中，腐蚀溶液的配置均采用去离子水：

(c)采用电化学噪声法原位检测试样缝隙200区域钝化膜状态；

(d)浸泡一定周期后，取出钛合金试样100，采用XPS(X射线光电子能谱技术)分析膜层的价态和组成；

采用SEM(电子显微镜)、AFM(原子力显微镜)、EDS(能谱仪)获取膜层特征(膜层厚度、成分分布等)，比较缝隙200边缘与缝隙200内部膜层结构和成分差异，分析缝隙200高度对缝隙200钝化膜的影响，探究缝隙200腐蚀的发展过程。

二、海水环境中典型因素对钛合金缝隙钝化膜溶解影响规律研究的具体过程如下：

(a)制作钛合金试样100，使置入模拟缝隙内环境的钛合金试样100的面积与置入模拟缝隙外环境的钛合金试样100得面积的比值等于实际缝隙内外的面积比；

(b)在温度为80-90℃的人工海水环境中进行分隔电池浸泡试验，采用通入氮气或空气的方法，调节模拟缝隙内外电解池溶液的溶解氧含量，通过溶解氧检测仪测得具体数值；调节模拟缝隙局部环境的pH值使其低于模拟人工海水环境的pH值；

(c)分别改变氯离子和氟离子的摩尔比浓度，探究侵蚀性离子对钝化膜溶解的影响；

(d)通过电化学技术进行开路电位、阻抗、极化曲线和Mott-Schottky曲线等电化学特征的测试，获取膜层电位、阻抗、钝化电流密度、击穿电位等，根据电化学参数的变化，判断钝化膜层的活化-钝化特征，分析各因素的变化对缝隙腐蚀的影响规律及影响程度；

三、钛合金海水环境缝隙钝化膜溶解机制研究的结果

以各因素对缝隙钝化膜溶解的影响规律为基础，深入分析由电化学检测手段获得的缝隙钝化膜溶解过程信息，结合钝化膜性能的表征结果，分析缝隙区域钛合金钝化膜的溶解原理，分别建立缝隙尺寸、环境因素与膜层状态(厚度、硬度等)之间的关系式，揭示钛合金缝隙钝化膜溶解机理。

Claims

1.一种钛合金缝隙腐蚀试验装置，主体结构包括螺纹连接的螺钉和螺母，其特征在于，还包括螺钉与螺母之间设置的辅助垫片和碟形垫片。

2.根据权利要求1所述的钛合金缝隙腐蚀试验装置，其特征在于，辅助垫片靠近螺钉，碟形垫片靠近螺母。

3.根据权利要求1或2所述的钛合金缝隙腐蚀试验装置，其特征在于，螺钉、螺母、辅助垫片和碟形垫片的材质均为聚四氟乙烯。

4.根据权利要求3所述的一种钛合金缝隙腐蚀试验装置，其特征在于，碟形垫片的外形呈飞碟状，尺寸与待测试的钛合金试样的尺寸匹配。

5.根据权利要求4所述的钛合金缝隙腐蚀试验装置，其特征在于，使用时，将钛合金试样置于螺母与碟形垫片之间，钛合金试样与蝶形垫片之间的空隙形成缝隙，缝隙由外向内变小，得到不同间距的过度区缝隙，基于此，能够观察不同缝隙的腐蚀状态。