CN210347422U

CN210347422U - 一种可控缝隙腐蚀试验装置

Info

Publication number: CN210347422U
Application number: CN201921262967.1U
Authority: CN
Inventors: 林修洲; 羊锋; 窦宝捷; 骆文泽; 张润华; 胡豪; 梅拥军; 杨巧玲
Original assignee: Sichuan University of Science and Engineering
Current assignee: Sichuan University of Science and Engineering
Priority date: 2019-08-06
Filing date: 2019-08-06
Publication date: 2020-04-17
Anticipated expiration: 2029-08-06

Abstract

本实用新型公开了一种可控缝隙腐蚀试验装置，该试验装置的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，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；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，探针安装孔和盐桥安装孔连线与加液口的一条边平行，探针和盐桥穿过安装孔并插入缝隙内，盐桥上外接有参比电极。该装置可调节缝隙宽度和缝隙深度，有助于研究缝隙腐蚀的机理。

Description

一种可控缝隙腐蚀试验装置

技术领域

本实用新型属于电化学腐蚀技术领域，特别涉及一种可控缝隙腐蚀试验装置。

背景技术

金属的腐蚀长期并广泛的存在于工业生产和生活设施等几乎所有的领域中，并给国家和社会造成了巨大的经济损失。按照腐蚀的类型对金属造成的破坏程度而言，局部腐蚀对金属制品的破坏程度远大于全面腐蚀。据统计，局部腐蚀造成的腐蚀破坏事故是全面腐蚀的4倍左右。

缝隙腐蚀（宽度一般为0.025mm~0.1mm）是局部腐蚀的一种主要表现形式，通常发生在金属与金属或者金属与非金属之间构成的间隙中。大多数金属都会发生缝隙腐蚀，尤其是对如不锈钢和钛合金这类已钝化的金属而言更是如此。因为缝隙腐蚀发生的部位不明显，有着较长的孕育期，而且在发生时没有较为明显的前兆，所以很难进行实时监测；同时当缝隙腐蚀发生以后，其腐蚀速率会迅速增加并对材料造成严重的腐蚀。

评价材料耐缝隙腐蚀性能的电化学方法有GB/T13671《不锈钢缝隙腐蚀电化学试验方法》，该方法是通过试样表面与缝隙模具之间夹尼龙网形成缝隙，浸入氯化钠溶液，并施加极化电位，是一种加速腐蚀方法。该方法的局限性在于：缝隙宽度和深度不可控，无法评价不同缝隙宽度和深度下金属材料的缝隙腐蚀；同时也是一种极化状态下的加速腐蚀方法，与实际腐蚀情况差别大；缝隙内腐蚀介质离子浓度、pH值等无法进行监测。

中国专利201210303051.2公开了一种剥离涂层下缝隙内金属腐蚀试验装置。包括底板、置于底板上并与底板固定的盖板，其中盖板与底板之间具有缝隙，所述盖板一侧为溶液区，溶液区与缝隙区相通，另一侧上均匀间隔设置有盐桥，用以外接参比电极，每个盐桥两侧对应的位置均分别设置有辅助电极和复合微电极，辅助电极和复合微电极的一端均与缝隙内溶液相通，辅助电极和复合微电极的另一端分别通过铜导线与测量仪器相连接；底板上设置有两个以上的小试样放置区，小试样放置区的位置与辅助电极一一对应。该装置可以对缝隙内金属进行不同缝隙深度电化学测量，同时可以对缝隙内微环境变化进行实时监测，具有体积小，结构简单操作方便，检测精度高等优点，但无法对缝隙内金属进行不同缝隙宽度电化学测量。

张晋.硕士论文《5083和6061铝合金缝隙腐蚀行为研究》中的模拟缝隙环境实验装置通过一块中心掏空的矩形聚四氟乙烯环(360×80×0.2 mm)来制造缝隙，试样、聚四氟乙烯板、有机玻璃盖板用螺丝连接。该装置的缝隙宽度无法调节，所以也无法对缝隙内金属进行不同缝隙宽度电化学测量，同时在实际应用过程中，很难采用聚四氟乙烯板来控制缝隙的宽度。

研制一种可控制缝隙宽度和深度，同时能监测缝隙内腐蚀介质离子浓度、pH值等的新型缝隙腐蚀装置，并建立相应的试验方法，进而对各种材料的缝隙腐蚀行为和腐蚀机理进行系统深入的研究，对于丰富和发展腐蚀学相关理论具有重要的学术价值；对于减少工业中出现的缝隙腐蚀问题，延长各种设备的使用寿命，具有十分重要的现实意义和工程应用价值。

发明内容

针对现有技术存在的上述不足，本实用新型的目的就在于提供一种可调节缝隙宽度和缝隙深度的缝隙腐蚀试验装置，该试验装置能为研究金属缝隙腐蚀提供更准确、可靠的数据，进而有助于进一步研究不同缝隙宽度和缝隙深度下金属缝隙腐蚀的机理。

本实用新型的技术方案是这样实现的：

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。

进一步地，用于安装探针和盐桥的安装孔位于与加液口一条边平行的直线上，所述直线有多条且相互平行，每条直线上均设有用于安装探针和盐桥的安装孔；同一直线上的安装孔安装的探针和盐桥与加液口距离相等；不同直线上的安装孔安装的探针和盐桥与加液口距离不等从而实现不同缝隙深度的调节；在探针、盐桥和微测头上套设有密封圈以防止缝隙内、外介质交换。

进一步地，在盖板上设有若干通孔Ⅰ且所有通孔绕盖板四周均匀分布；密封垫圈和金属样板上分别设有若干与通孔Ⅰ对应的通孔Ⅱ和通孔Ⅲ，然后通过若干螺栓依次穿过通孔Ⅰ、通孔Ⅱ和通孔Ⅲ以将盖板、密封垫圈和金属样板固定连接。

更进一步地，在每个螺栓上套设有T型绝缘垫片。

进一步地，所述密封垫圈为硅胶密封圈。

进一步地，所述探针包括pH探针、氯离子探针；所述参比电极为甘汞电极；所述辅助电极为铂电极。

进一步地，所述盖板采用有机玻璃制成，其厚度为150 mm。

与现有技术相比，本实用新型具有如下有益效果：

1、本实用新型根据所需研究缝隙宽度选择相应的密封垫圈后，调节所有微测头顶杆伸出盖板下表面相同长度，然后用螺栓固定连接盖板、密封垫圈和金属样板并使微测头顶杆顶部刚好与金属样板接触，而密封垫圈可以实现一定范围内的缝隙宽度调节，从而实现微测缝隙宽度的调节，并且微测头的精度高，可以有效的保证缝隙宽度的精确度；并在盖板上设置若干距离加液口距离不同的探针和盐桥安装孔，实现不同缝隙深度的调节，从而可以获得不同缝隙宽度和缝隙深度下金属缝隙腐蚀的电化学数据采集，进而有助于进一步研究金属缝隙腐蚀的机理。

2、本实用新型采用硅胶材质的密封垫圈，硅胶密封垫圈柔软、密封性好，能与盖板和金属样板更好的贴合，并且具有耐蚀性。

3、本实用新型装置结构简单、操作方便、控制和测试精度高，试验重现性好。

附图说明

图1-本实用新型结构示意图。

图2-本实用新型使用状态结构示意图。

图3-参比电极结构示意图。

图4-pH探针的pH-电位曲线图。

图5-2024铝合金在氯化钠溶液中缝隙腐蚀和全浸腐蚀的极化曲线。

图6-2024铝合金缝隙腐蚀不同时间后的电化学阻抗谱Nyquist图。

图7-2024铝合金缝隙腐蚀不同时间后的电化学阻抗谱Bode图。

图8-2024铝合金缝隙腐蚀不同时间后缝隙内溶液的pH变化曲线图。

其中：1-盖板；2-密封垫圈；3-金属样板；4-微测头；5a-参比电极；5b-盐桥；5c-聚乙烯管；6-辅助电极；7-探针；8-螺栓；9-T型绝缘垫片；10-加液槽；11-电化学工作站；12-计算机；13-导线。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细说明。

参见图1、图2和图3，一种可控缝隙腐蚀试验装置，包括水平设置的盖板1和金属样板3，所述金属样板3固定在盖板1下方且在盖板1和金属样板3之间设有密封垫圈2，从而使得盖板1和金属样板3之间形成缝隙；盖板1上均匀分布有若干竖直设置的微测头4且所有微测头4的下端顶住金属样板3，并可通过调节所有微测头4顶杆的伸出盖板1下表面的长度来调节缝隙宽度；在盖板1上方的一侧设有矩形加液槽10，并在加液槽10对应的盖板1上设有加液口从而将加液槽10和缝隙连通，加液口的尺寸与加液槽的尺寸对应；在加液口处安装有辅助电极6且辅助电极6下端距离金属样板3上表面有一间隙；在盖板1上设有用于安装探针7和盐桥5b的安装孔且所述安装孔位于加液槽10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7和盐桥5b穿过安装孔并插入缝隙内，所述盐桥5b上外接有参比电极5a。

这样，当微测头的顶杆伸出盖板下表面的长度变化时，而微测头顶杆的顶部又与金属样板刚好接触，然后再将盖板、密封垫圈和金属样板固定连接，因密度垫圈在一定缝隙宽度范围内具有伸缩性，所以可以对一定宽度范围内的缝隙进行有效密封，当研究的缝隙宽度范围跨度较大时，需要更换相应的密封垫圈对缝隙进行密封，进而就可以实现对缝隙宽度的调节。盖板、金属样板和密封垫圈的尺寸可以根据实验需要制作，一般采用的尺寸有260 mm×100 mm，165 mm×100 mm，120 mm×100 mm；在试验过程中，只要辅助电极下端与金属样板（即工作电极）上表面不接触即可，一般为1 mm。微测头有0.001 mm、0.002 mm、0.005 mm的多种精度，优选0.001 mm，这样调节得到的缝隙宽度的精确度越高，试验得到的数据也越精确。

在实施时，用于安装探针7和盐桥5b的安装孔位于与加液口一条边平行的直线上，所述直线有多条且相互平行，每条直线上均设有用于安装探针7和盐桥5b的安装孔；同一直线上的安装孔安装的探针和盐桥与加液口距离相等；不同直线上的安装孔安装的探针和盐桥与加液口距离不等从而实现不同缝隙深度的调节；在探针7、盐桥5b和微测头4上套设有密封圈以防止缝隙内、外介质交换。

这样就可以通过在距离加液口不同距离的安装孔上安装探针和盐桥就可实现不同缝隙深度的调节，调节方式简单，只需在调节过程没有安装探针和盐桥的安装孔需要密封，保证缝隙内的密封性。

在盖板1上设有若干通孔Ⅰ且所有通孔绕盖板1四周均匀分布；金属样板3和密封垫圈2上分别设有若干与通孔Ⅰ对应的通孔Ⅱ和通孔Ⅲ，然后通过若干螺栓8依次穿过通孔Ⅰ、通孔Ⅱ和通孔Ⅲ以将盖板1、密封垫圈2和金属样板3固定连接。

在每个螺栓8上套设有T型绝缘垫片9，所述T型绝缘垫片用于隔绝螺栓和三电极体系（工作电极、参比电极和辅助电极），防止在试验过程中溶液对螺栓造成腐蚀而影响试验结果。

所述密封垫圈2为硅胶密封圈。硅胶材质的密封圈柔软，密封性好、耐腐蚀、贴合性好，只要将金属样板和盖板擦拭干净，密封垫圈就能分别与金属样板和盖板完美贴合在一起。在试验过程中可以根据缝隙宽度选择相应厚度的硅胶密封垫圈，其厚度规格有0.005mm、0.01 mm、0.02 mm等多种。

所述探针7包括pH探针、氯离子探针；所述参比电极5a为甘汞电极；所述辅助电极6为铂电极。pH探针可监测缝隙内溶液的pH值，氯离子探针可监测缝隙内溶液的氯离子浓度变化，根据试验需求选择相应的探针即可。

本实施例中盐桥5b的外径为3 mm，内径为1 mm，尖端内径为0.1 mm，参比电极与盐桥的连接过程为：将外径3 mm，内径1 mm，尖端内径0.01 mm的毛细管制备成盐桥，采用聚乙烯管5c加热收缩后包裹在盐桥上后，采用704硅胶水密封连接处，将毛细管安装在该装置盖板上后，向聚乙烯管内加入适量饱和氯化钾溶液，然后再插入参比电极。辅助电极为10 mm×10 mm×0.1 mm、纯度为0.999的铂片。

所述盖板1采用有机玻璃制成，其厚度为150 mm。

采用前面所述的一种可控缝隙腐蚀试验装置进行试验，具体包括以下步骤：

（1）根据所需研究的缝隙深度，预先在盖板上加工若干距离加液口不同距离的探针和盐桥安装孔；并在盖板、密封垫圈和金属样板上分别加工若干个通孔Ⅰ、通孔Ⅱ和通孔Ⅲ；

（2）在水平操作平台上将微测头安装在盖板上，并调节微测头使得微测头顶杆顶部刚好与水平操作平台接触并保证盖板下表面与水平操作平台完全贴合，记录下此时各微测头的起始读数；

（3）在盖板下安装密封垫圈和金属样板，根据所需的缝隙宽度调节所有微测头，使得各微测头的顶杆伸出盖板下表面相同长度，该长度等于缝隙宽度，此时各微测头的读数分别为各微测头起始读数加上缝隙宽度之和，然后用螺栓将盖板、密封垫圈和金属样板固定连接并使微测头顶杆顶部刚好与金属样板接触，并在螺栓上套设T型绝缘垫片；

（4）根据所需的缝隙深度，在某条直线对应的探针和盐桥安装孔内安装参比电极和探针，其他安装孔用硅胶水密封，然后往加液槽内缓慢加入浓度为3.5%的氯化钠溶液，并在加液口处安装辅助电极，参比电极、探针和辅助电极分别通过导线13与电化学工作站11对应端口连接，所述电化学工作站11与计算机12连接，从而形成电化学腐蚀测量系统；

（5）通过电化学腐蚀测量系统测量得到的金属样板的电化学腐蚀数据，用以研究该缝隙宽度和缝隙深度条件下金属样板的电化学腐蚀情况；

（6）改变探针和盐桥安装孔对应的直线，重复步骤（4）和（5），可以得到在该缝隙宽度和不同缝隙深度条件下金属样板的电化学腐蚀数据；改变各微测头的顶杆伸出盖板下表面的长度并使之相同以得到另外的缝隙宽度，重复步骤（3）、（4）和（5）可以得到在不同缝隙宽度和不同缝隙深度条件下金属样板的电化学腐蚀数据。

其中，所述探针为pH探针，其制备方法为：

S1：截取1~2 cm直径为0.01 mm铱丝，弯曲成90°，在6 mol/L盐酸中超声清洗30min后丙酮除油，再用去离子水冲洗，冷风干燥；

S2：在坩埚底部放置一张金箔，加入坩埚容积1/4的Li₂CO₃，将步骤S1得到的铱丝放入坩埚，再次加入坩埚容积1/4的Li₂CO₃；

S3：将步骤S2放置有铱丝的坩埚放入870 ℃马弗炉中氧化5 h，再用1 mol/L盐酸清洗铱丝；清洗后的铱丝放入120 ℃烘箱加热12 h后，静置5 d；静置后的铱丝用铜线缠绕焊后，包裹绝缘表皮，AB胶密封，即得到pH探针。

制备得到的pH探针的pH-电位曲线如图4所示，静置5d和20d后的pH-电位曲线基本吻合，能满足缝隙腐蚀不同时间后的缝内pH值监测。探针制备过程中，盐酸超声清洗和丙酮除油使探针基体表面洁净，制备的氧化膜附着力好；坩埚底部放置金箔可以避免氧化后的探针附着在干锅底部，在取出探针时保证氧化膜的完整性，而金箔不参与氧化反应；加入1/4的Li₂CO₃后放置探针，再次加入相同量的Li₂CO₃，保证Li₂CO₃均匀覆盖，使制备的氧化膜均匀覆盖在探针表面；最后探针焊接铜线后一定保证密封性，否则溶液渗透进焊接点后会造成腐蚀，对探针的稳定性和电连接性有很大影响。

其中，电化学工作站的恒电位范围为-10~+10V，电流密度-时间的最小采样间隔为1μs，交流阻抗测量频率为0.00001至1 MHz，电位扫描速度范围为0.000001V/s至10000V/s。

其中，加入氯化钠溶液后，加液槽的液位位于其三分之二处，这样可以保证加液槽开放区内有足够的氯化钠溶液，避免加液口处的溶氧量对试验结果的影响。

验证试验：

缝隙条件：缝隙宽度为0.1 mm；缝隙深度为40 mm。

工作电极：120 mm×100 mm×5 mm的2024铝合金。

盖板：120 mm×100 mm×150 mm的有机玻璃板。

密封垫圈：120 mm×100 mm×0.2 mm的硅胶板。

探针：pH探针，实时监测缝隙内溶液的pH值变化。

试验介质：浓度为3.5%的氯化钠溶液，温度为25±0.5℃。

电化学测试主要参数为：开路电位E测试时间为600 s，交流阻抗谱测量频率为0.01至1 MHz，极化曲线极化电位为：-0.3~+0.4 V（vs OCP），扫描速度为0.001 V/s，选择自动灵敏度。

利用本实用新型的可控缝隙腐蚀试验装置控制缝隙测得2024铝合金在氯化钠溶液中缝隙腐蚀和全浸腐蚀的极化曲线如图5所示，从图中可知：缝隙条件下测得的极化曲线稳定，2024铝合金的自腐蚀电位较全浸腐蚀更低，腐蚀电流密度更大，即缝隙内2024铝合金具有更强的腐蚀倾向，和更大的腐蚀速度，且2024铝合金缝隙腐蚀的击穿电位较全浸腐蚀低，这与缝隙腐蚀相关理论相符合，进一步说明利用本实用新型的可控缝隙腐蚀试验装置进行缝隙腐蚀试验是可行的。

2024铝合金缝隙腐蚀不同时间后的电化学阻抗谱Nyquist图和Bode图分别如图6和图7所示，由图6可知，随着腐蚀时间延长，阻抗弧半径逐渐较小；由图7可知，其阻抗模值随腐蚀延长，总体呈减小变化，说明缝隙内NaCl对2024铝合金的腐蚀性逐渐增强。通过所得数据采用相关等效电路拟合，可得到反映腐蚀行为的溶液电阻R _s，电荷转移电阻R _ct，常相位角原件Q等，这些参数均能有效说明缝隙腐蚀的发展过程。

2024铝合金缝隙腐蚀不同时间后缝内溶液的pH变化曲线图如图8所示，由图可知，随腐蚀时间延长，溶液pH总体降低。有闭塞腐蚀电池理论可知，随腐蚀进行，生成的腐蚀产物堆积在缝隙中，进一步阻碍缝内外的离子迁移，缝内H⁺浓度逐渐升高，因此pH值减小。所测pH曲线符合闭塞腐蚀电池理论，说明利用本实用新型的自制pH探针与装置进行缝隙腐蚀实验室可行的。

最后需要说明的是，本实用新型的上述实施例仅是为说明本实用新型所作的举例，而并非是对本实用新型实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化和变动。这里无法对所有的实施方式予以穷举。凡是属于本实用新型的技术方案所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本实用新型的保护范围之列。

Claims

1.一种可控缝隙腐蚀试验装置，其特征在于，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。

2.根据权利要求1所述的一种可控缝隙腐蚀试验装置，其特征在于，用于安装探针和盐桥的安装孔位于与加液口一条边平行的直线上，所述直线有多条且相互平行，每条直线上均设有用于安装探针和盐桥的安装孔；同一直线上的安装孔安装的探针和盐桥与加液口距离相等；不同直线上的安装孔安装的探针和盐桥与加液口距离不等从而实现不同缝隙深度的调节；在探针、盐桥和微测头上套设有密封圈以防止缝隙内、外介质交换。

3.根据权利要求1所述的一种可控缝隙腐蚀试验装置，其特征在于，在盖板上设有若干通孔Ⅰ且所有通孔绕盖板四周均匀分布；密封垫圈和金属样板上分别设有若干与通孔Ⅰ对应的通孔Ⅱ和通孔Ⅲ，然后通过若干螺栓依次穿过通孔Ⅰ、通孔Ⅱ和通孔Ⅲ以将盖板、密封垫圈和金属样板固定连接。

4.根据权利要求3所述的一种可控缝隙腐蚀试验装置，其特征在于，在每个螺栓上套设有T型绝缘垫片。

5.根据权利要求1所述的一种可控缝隙腐蚀试验装置，其特征在于，所述密封垫圈为硅胶密封圈。

6.根据权利要求1所述的一种可控缝隙腐蚀试验装置，其特征在于，所述探针包括pH探针、氯离子探针；所述参比电极为甘汞电极；所述辅助电极为铂电极。

7.根据权利要求1所述的一种可控缝隙腐蚀试验装置，其特征在于，所述盖板采用有机玻璃制成，其厚度为150 mm。