典型金屬材料大氣腐蝕的模擬電化學(xué)研究.pdf

1、本論文采用自行設(shè)計(jì)的金屬大氣腐蝕的“室內(nèi)薄液膜和室內(nèi)干濕循環(huán)”模擬研究裝置,同時(shí)采用電化學(xué)阻抗譜(electrochemical impedance spectroscopy,EIS)、電化學(xué)噪聲(electrochemical noise,EN)技術(shù)、極化曲線(Potentiodynamicpolarization)等電化學(xué)技術(shù),并結(jié)合SEM/EDX等材料結(jié)構(gòu)測(cè)試手段,對(duì)常見(jiàn)的典型金屬材料2024-T3鋁合金、09CuPCrNi和Q4

2、00NQRL耐候鋼等的大氣腐蝕行為進(jìn)行了理論探討和室內(nèi)模擬加速實(shí)驗(yàn)研究。同時(shí),論文對(duì)基于PSD(Powerof Spectral Density)曲線的三個(gè)特征參數(shù)和因次分析法所得到的兩個(gè)新的腐蝕指數(shù)(SE&SG)在材料腐蝕監(jiān)檢測(cè)中的作用和意義進(jìn)行了研究。論文取得了如下主要研究成果： (1)理論研究成果 ◆針對(duì)大氣環(huán)境中薄液膜下金屬腐蝕研究所廣泛采用的傳統(tǒng)三電極體系,本論文首先建立并求解了薄液膜下金屬電極表面腐蝕電流分布

3、的理論模型,并獲得了表征其電流分布規(guī)律的數(shù)學(xué)表達(dá)式。結(jié)果表明,薄液膜下金屬電極表面的電流分布與單位溶液電阻Rs*和單位電極阻抗Z*的比值的平方√α有關(guān),√α的值存在著一定的范圍。在范圍內(nèi)其值越小,電流分布就越均勻。 ◆論文對(duì)由電化學(xué)噪聲的PSD曲線的三個(gè)特征參數(shù)和因次分析法研究所得到的兩個(gè)新的腐蝕參數(shù),SE和SG,在材料腐蝕監(jiān)檢測(cè)中的作用和意義進(jìn)行了理論和實(shí)驗(yàn)研究。通過(guò)采用包括SE和SG、數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)法(Skewness & Kur

4、tosis腐蝕參數(shù))和小波分析等多種技術(shù)對(duì)“由1Cr18Ni9Ti不銹鋼或純Al與NaCl溶液所組成的腐蝕體系”(這個(gè)體系主要發(fā)生點(diǎn)蝕反應(yīng))的腐蝕過(guò)程進(jìn)行研究后,明確了新參數(shù)SE和SG在材料腐蝕監(jiān)檢測(cè)中的作用和意義:SE可以用來(lái)表述電化學(xué)噪聲的分布情況,其值越大,電化學(xué)噪聲的波動(dòng)幅度越大,頻率越快。而SG則可以用來(lái)表征腐蝕反應(yīng)中的慢過(guò)程。 (2)應(yīng)用研究成果 ◆薄液膜下2024-T3鋁合金腐蝕的EIS和LSV(Linea

5、r Scanning Voltammetry)研究結(jié)果表明：金屬在各種厚度薄液膜下的腐蝕速度均快于其在同種介質(zhì)的本體溶液中的腐蝕速度,并且腐蝕速度隨著液膜厚度增大而減慢,直到接近本體溶液中的腐蝕速度。不同厚度液膜下,腐蝕的速率決定步驟(RDS)互相不同：(i)在126μm薄液膜下,RDS是陽(yáng)極反應(yīng),即2024-T3鋁合金的溶解；(ii)在199μm和399μm薄液膜下,RDS是氧氣在液膜中的擴(kuò)散過(guò)程；(Ⅲ)在本體溶液中,RDS是氧氣的擴(kuò)

6、散到電極表面和腐蝕產(chǎn)物從電極表面擴(kuò)散到溶液中。 ◆2024-T3鋁合金在不同pH值條件下的腐蝕EIS研究結(jié)果表明：在pH3.5的體系中,存在兩個(gè)獨(dú)立的電極界面變量,電位E和腐蝕產(chǎn)物覆蓋率θ；而pH4.5的體系只存在一個(gè)電位變量E。數(shù)學(xué)分析結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符。 ◆2024-T3鋁合金在不同pH值條件下的腐蝕EN研究結(jié)果表明：在pH3.5體系中,其腐蝕過(guò)程可以根據(jù)腐蝕EDP隨時(shí)間的演化規(guī)律分為三個(gè)階段：第一階段,點(diǎn)蝕過(guò)程和陰

7、極反應(yīng)物擴(kuò)散過(guò)程處于平衡狀態(tài)：第二階段,陰極反應(yīng)物的擴(kuò)散過(guò)程是整個(gè)腐蝕過(guò)程的控制步驟；第三階段,已有點(diǎn)蝕坑中發(fā)生新的點(diǎn)蝕并導(dǎo)致點(diǎn)蝕成為整個(gè)腐蝕過(guò)程的主要反應(yīng)。而在pH4.5和pH6.0體系中,腐蝕過(guò)程的能量均主要集中在低階晶胞中(除了腐蝕初期),雖然點(diǎn)蝕過(guò)程的相對(duì)能量分量較小,但其仍然是該體系腐蝕過(guò)程的重要腐蝕類型。 ◆Q400NQRL和09CuPCrNi兩種耐候鋼的薄液膜腐蝕過(guò)程主要受陰極過(guò)程控制；Q400NQRL耐候鋼在10

8、0μm薄液膜體系中腐蝕速度最快,而09CuPCrNi耐候鋼在200μm時(shí)達(dá)到最快；此外,兩種耐候鋼在本體溶液中的腐蝕速度相對(duì)其在薄液膜下的腐蝕速度慢。兩種耐候鋼的腐蝕行為存在一定的差異：在腐蝕初期,09CuPCrNi耐候鋼的主要腐蝕形式為均勻腐蝕,受薄液膜厚度影響較大；而Q400NQRL耐候鋼在腐蝕初期則主要發(fā)生局部腐蝕,受薄液膜厚度影響不大；09CuPCrNi耐候鋼的初期腐蝕行為對(duì)環(huán)境的變化較Q400NQRL明顯。在腐蝕后期,兩種耐候

9、鋼的腐蝕速度存在差異;但均不隨薄液膜厚度的變化而變化,而是各自趨于定值。 ◆2024-T3鋁合金和兩種耐候鋼(Q400NQRL和09CuPCrNi)的干濕循環(huán)加速腐蝕研究表明：在干濕交替時(shí),兩種腐蝕體系的電位均會(huì)產(chǎn)生明顯的負(fù)移現(xiàn)象,該現(xiàn)象可以從Evens極化原理圖進(jìn)行合理解釋；金屬在濕循環(huán)時(shí)的腐蝕速度快于其在干循環(huán)時(shí)的腐蝕速度。在pH3.5體系中,電極陰極反應(yīng)在一個(gè)循環(huán)中會(huì)由析氫反應(yīng)變?yōu)槲醴磻?yīng),而這個(gè)現(xiàn)象并不會(huì)在其他兩個(gè)體系(

10、pH4.5和pH6.0體系)中出現(xiàn)。2024-T3鋁合金在模擬酸雨中的腐蝕表面/截面的SEM形貌表明,2024-T3鋁合金在酸雨環(huán)境中的主要腐蝕類型為點(diǎn)蝕,其抗腐蝕能力及兩種耐候鋼的抗腐蝕能力均隨pH值的增大而顯著增強(qiáng)。 ◆Q400NQRL和09CuPCrNi耐候鋼腐蝕過(guò)程的EN研究表明：我們提出的SE &SG參數(shù)的分析結(jié)果與小波分析和陰極極化曲線測(cè)試結(jié)果都相吻合。Q400NQL耐候鋼易發(fā)生局部反應(yīng),而09CuPCrNi耐候鋼則