Fe、Si、Cu和In含量对铝合金牺牲阳极性能影响研究

摘要

铝合金牺牲阳极广泛应用于各类船舶、采油平台等海洋基础设施的腐蚀防护。目前国内外在牺牲阳极研究工作中主要采用改变合金元素含量或冶炼工艺的方法，然而关于杂质元素含量对铝合金阳极电化学性能影响的研究工作鲜见报导。因此，研究Fe、Si和Cu等对铝合金阳极在海水中电化学性能的影响规律具有现实意义。本文采用电化学、微观扫描电化学测试方法和扫描电镜、电子探针、电感耦合等离子体质谱等现代物理测试技术，考察了不同Fe、Si、Cu和In含量对Al-Zn-In-Mg-Ti合金阳极在海水中电化学性能的影响规律。
　　本研究主要内容包括：⑴Al-5Zn-0.02In-1Mg-0.05Ti（wt.％）合金中添加0.10wt.％Fe时，可使牺牲阳极在海水中的工作电位处于-1.052～-1.067V之间，实际电容量为2665.97 A·h·kg-1，电流效率达到92.89％。阳极的开路电位足够负，电化学极化性能较好，呈现低钝化膜电阻和高双电层电容的特性。而当Fe含量超过0.10 wt.％后，阳极活性溶解阻力增大，电流效率降低。⑵Al-5Zn-0.02In-1Mg-0.05Ti（wt.％）合金中添加0.09wt.％Si时，可使牺牲阳极在海水中的工作电位处于-0.918～-0.935 V之间，实际电容量为2450.94 A·h·kg-1，电流效率为85.42％。阳极的平均晶粒尺寸为47μm，等轴晶增多，组织均匀性得到改善，在阴极保护过程中溶解均匀。当Si含量超过0.09wt.％后，铝合金钝化膜电阻增大，电流效率降低。⑶Al-5Zn-0.02In-1Mg-0.05Ti(wt.％）合金中添加0.005wt.％Cu时，可使牺牲阳极在海水中的工作电位处于-1.057～-1.078 V之间，实际电容量为2674.73 A·h·kg-1，电流效率高达93.22％，具备较好的溶解表观形貌。当Cu含量超过0.005 wt.％后，大幅增加腐蚀产物粘度，使合金钝化膜的电阻升高，活性溶解阻力增大，电流效率降低。⑷Al-5Zn-0.02In(wt.％)三元合金中添加0.10wt.％ Fe、0.09wt.％ Si和0.005wt.％Cu时，可使铝合金牺牲阳极在海水中的工作电位处于-1.086～-1.102 V，实际电容量为2595.34 A·h·kg-1，电流效率达到90.43％，阳极表面溶解均匀，能够提供稳定的驱动电位和溶解电流。同时添加Fe、Si和Cu，可产生元素间的协同作用，并验证了此含量配比对Al-Zn-In牺牲阳极电化学性能的影响规律存在普遍性。⑸Al-5Zn-In-0.09Si-0.1Fe-0.005Cu（wt.％）合金中添加0.02wt.％In时，可使铝合金牺牲阳极在海水中的工作电位大小适中，促使被保护金属发生阴极极化，避免阴极区的析氢自腐蚀。当In含量低于0.02 wt.％时，阳极不能被充分活化易出现局部腐蚀。当In含量高于0.02wt.％后，阳极易形成较多的偏析相诱发大量晶间腐蚀，引起晶粒剥离，降低铝合金阳极电流效率。

目录

声明

摘要

引言

第一章 文献综述

1．1 腐蚀与电化学保护

1．2 阴极保护和牺牲阳极法

1．2．1 阴极保护原理

1．2．2 外加电流阴极保护技术

1．2．3 牺牲阳极阴极保护技术

1．2．4 牺牲阳极材料的性能要求

1．2．5 表征牺牲阳极的物理量

1．3 牺牲阳极材料概述

1．3．1 镁和镁合金阳极

1．3．2 锌和锌合金阳极

1．3．3 铝基牺牲阳极材料

1．4 铝合金牺牲阳极活化溶解与腐蚀机理的研究进展

1．4．1 “溶解-再沉积”理论

1．4．2 其他活化机理

1．4．3 铝合金的腐蚀类型

1．4．4 铝合金的点蚀历程

1．5 影响铝合金阳极性能的因素

1．5．1 合金元素的影响

1．5．2 微观结构的影响

1．5．3 影响阳极腐蚀过程的介质因素

1．6 Fe、Si和Cu对铝基牺牲阳极电化学性能的影响

1．6．1 Fe对阳极的影响

1．6．2 Si对阳极的影响

1．6．3 Cu对阳极的影响

1．7 本文主要研究内容

第二章 Fe含量对Al-Zn-In-Mg-Ti合金牺牲阳极电化学性能的影响

2．1 铝合金阳极试样的制备

2．2 实验方法

2．2．1 阳极恒电流加速实验

2．2．2 阳极溶解形貌分析

2．2．3 电偶腐蚀实验

2．2．4 ICP-MS测试

2．2．5 电化学性能测试

2．2．6 微观扫描电化学测试

2．3 结果与讨论

2．3．1 阳极的电流效率与溶解状况

2．3．2 扫描电镜观察结果

2．3．3 EPMA分析结果

2．3．4 阳极的电偶腐蚀实验

2．3．5 ICP-MS测定元素溶解量

2．3．6 微观扫描电化学分析

2．3．7 开路电位测试结果

2．3．8 极化曲线测试结果

2．3．9 交流阻抗测试结果

2．3．10 Fe在铝合金牺牲阳极溶解过程中的作用

2．4 本章小结

第三章 Si含量对Al-Zn-In-Mg-Ti合金牺牲阳极电化学性能的影响

3．1 铝合金阳极试样的制备

3．2 实验方法

3．2．1 阳极恒电流加速实验

3．2．2 阳极溶解形貌分析

3．2．5 电偶腐蚀实验

3．2．6 电化学性能测试

3．3．1 阳极的电流效率与溶解状况

3．3．2 金相分析

3．3．3 恒电位腐蚀的形貌分析

3．3．4 ICP-MS测定元素溶解量

3．3．5 微观扫描电化学分析

3．3．6 阳极的电偶腐蚀实验

3．3．7 极化曲线测试结果

3．3．8 交流阻抗测试结果

3．4 本章小结

第四章 Cu含量对Al-Zn-In-Mg-Ti合金牺牲阳极电化学性能的影响

4．1 铝合金阳极试样的制备

4．2 实验方法

4．2．6 电化学性能测试

4．3 结果与讨论

4．3．1 阳极的电流效率与溶解状况

4．3．2 恒电位腐蚀的形貌分析

4．3．3 阳极的电偶腐蚀实验

4．3．4 ICP-MS测定元素溶解量

4．3．5 微观扫描电化学分析

4．3．6 开路电位测试结果

4．3．7 极化曲线测试结果

4．3．8 交流阻抗测试结果

4．4 本章小结

第五章 Fe、Si和Cu含量对Al-Zn-In合金牺牲阳极电化学性能的影响

5．1 铝合金阳极试样的制备

5．2 实验方法

5．2．1 阳极恒电流加速实验

5．2．2 电偶腐蚀实验

5．2．3 ICP-MS测试

5．2．4 微观扫描电化学测试

5．3 结果与讨论

5．3．1 阳极的电流效率与溶解状况

5．3．2 电偶腐蚀实验

5．3．3 ICP-MS测定元素溶解量

5．3．4 微观扫描电化学分析

5．3．5 关于Fe、Si和Cu在铝合金阳极溶解过程中协同作用的讨论

5．4 本章小结

第六章 In含量对Al-Zn-In-Si-Fe-Cu合金牺牲阳极电化学性能的影响

6．1 铝合金阳极试样的制备

6．2 实验方法

6．2．1 阳极恒电流加速实验

6．2．2 电偶腐蚀实验

6．2．3 阳极溶解形貌分析

6．2．4 微观扫描电化学测试

6．3 结果与讨论

6．3．1 阳极的电流效率与溶解状况

6．3．2 阳极的电偶腐蚀实验

6．3．3 恒电位腐蚀形貌分析

6．3．4 微观扫描电化学分析

6．4 本章小结

结论

展望

参考文献

攻读学位期间公开发表论文

致谢

作者简介