一种基于点蚀机理的金属试样小尺寸点蚀坑预制方法

摘要

本发明提出了一种基于点蚀机理的金属试样小尺寸点蚀坑预制方法，以满足预制微米级点蚀坑的需求，进而用于探索小尺寸点蚀坑如何影响材料疲劳寿命的研究。本发明方法先对试样打磨抛光，切割回字形绝缘胶带粘贴在试样预制点蚀坑的位置，胶带中央孔为2～3mm大小，对试样除胶带中央孔外的暴露部位进行绝缘密封，将封好的试样作为工作电极搭建制坑系统；再使试样暴露位置产生一定厚度的钝化膜；然后测量试样的点蚀电位和保护电位，使用恒电位功能在试样上制取微米级的单点蚀坑。本发明实现了在金属试件上预制小尺寸点蚀坑，不需要预先对点蚀坑所在位置进行加工，不会引入残余应力，并能较快生成单个小尺寸点蚀坑，满足实验需求。

说明书

技术领域

本发明涉及金属材料试样前处理技术领域，尤其是涉及一种在金属试样上预制形貌和自然产生的点蚀坑相似的小尺寸点蚀坑方法。

背景技术

点蚀是局部腐蚀的一种，也是较为常见的金属腐蚀形式。点蚀的产生会影响材料和结构的性能，降低它们的使用寿命，甚至会使材料和结构破坏，完全失去功能。点蚀造成的失效事故约占各类腐蚀失效事故总数的25％，常见于石油化工、船舶、核工业、航空等领域，点蚀的发生严重影响生产安全性与生产效率，引发安全事故并造成巨大经济损失。尤其是对于承受交变载荷的构件，较小尺寸的点蚀坑都将严重降低构件寿命。为了研究点蚀坑对受交变载荷构件疲劳寿命尤其是疲劳裂纹扩展的影响，需要开发一种能够在金属试样上以可控的方式制取小尺寸点蚀坑的方法。

常用的预制点蚀坑的方法如GB/T 17897和ASTM.G48都是采用化学浸泡来产生点蚀坑，这种方法产生的点蚀坑随机性大且数量过多。公告号为CN202547997U的实用新型专利在2012年11月21日公开了滴定式预制点蚀坑装置，该装置通过滴定的方式在试样表面的特定区域预制出所需点蚀坑，降低了点蚀坑产生的随机性，但仍存在制坑周期长的问题。

公告号为CN111398001A的发明专利在2020年7月10日公开了一种在金属材料试样上快速制备腐蚀坑的方法，进一步解决了制坑周期长的缺点，但该方法在制坑时使用了台钻打孔的方式，会在试样打孔出留下残余应力，同时该方法制出的点蚀坑尺寸过大，如加工制备了长4mm、宽4mm、深1.5mm的半椭圆形腐蚀坑，而承受交变载荷的构件上产生的点蚀坑在尺寸较小时就已经造成了构件的破坏，大尺寸点蚀坑无法满足研究需求。

因此，有必要开发一种能解决以上方法缺陷、能在金属试件上预制小尺寸点蚀坑的方法。

发明内容

针对需要在金属上预制单个小尺寸点蚀坑，以更方便对构件进行实验研究的需求，本发明提供了一种基于点蚀机理的金属试样点蚀坑预制方法，以解决现有技术中金属试样上点蚀坑预制会引入残余应力，且点蚀坑尺寸过大的问题。

本发明提供的一种基于点蚀机理的金属试样小尺寸点蚀坑预制方法，包括以下步骤：

(1)试样打磨和抛光：用砂纸对试样表面进行打磨抛光，使试样Ra值小于1μm，对试样最后的抛光沿同一方向；

(2)封样：使用无水乙醇清洁经步骤(1)处理的试样的表面，在试样端部以不损坏试样的方式连接导线，切割回字形绝缘胶带粘贴在试样预制点蚀坑位置，胶带外边长为15～20mm，内边长为2～3mm，胶带中央孔为试样上预制点蚀坑的位置，然后继续用绝缘胶带或石蜡或绝缘漆包裹试样除回字形胶带孔其它暴露部位，再次用无水乙醇清洁试样暴露位置并在光学显微镜下观察该位置确保无任何污染物；

(3)将封好的试样作为电化学工作站三电极体系的工作电极搭建制坑系统：按照研究目的配置好腐蚀溶液，然后将步骤(2)中准备好的试样作为工作电极与铂对电极和参比电极组成三电极体系，电解液为配置好的腐蚀溶液，然后将各电极与电化学工作站连接，电化学工作站与电脑连接，制坑系统搭建完成；

(4)使用恒电位法或者使用化学浸泡法使试样暴露位置产生一定厚度的钝化膜；

(5)使用电化学工作站测量试样的点蚀电位和保护电位；

(6)制取点蚀坑：根据步骤(5)得到的点蚀电位和保护电位，使用电化学工作站的恒电位功能在试样上施加稍大于点蚀电位的电位，同时观察电流的变化，当电流开始上升，此时点蚀已经萌生，停止电位施加，然后在试样上施加一个低于点蚀电位高于保护电位的电位，萌生的点蚀坑开始生长，根据需要的点蚀坑尺寸控制电位作用时间，一个点蚀坑制取完成。

进一步地，步骤(4)中，使用电化学工作站的塔菲尔曲线功能测得试样塔菲尔曲线，从曲线的钝化区选取一个相对较小的电位，使用电化学工作站的恒电位功能将该电位作用于试样5～10min，使试样产生一定厚度的钝化膜，电位作用时间根据材料不同应作相应调整，也可以将试样直接浸泡在溶液中0.5～1h来产生一定厚度的钝化膜，浸泡时间根据材料不同作相应调整；使用恒电位法或者使用化学浸泡法使试样暴露位置产生一定厚度的钝化膜。

进一步地，步骤(5)中，使用电化学工作站的循环极化功能测得试样的循环极化曲线，通过测得的曲线得到试样的点蚀电位和保护电位。

进一步地，步骤(6)中点蚀坑萌生后，施加一个低于点蚀电位，高于保护电位的电位值，根据需要的点蚀坑尺寸确定施加电位的时间，电位施加时间与点蚀坑尺寸的关系符合幂律。

本发明在进行金属构件性能研究时，发现有裂纹在尺寸为30微米的点蚀坑处萌生，而如发动机热端部件涡轮叶片所在工作环境恶劣，承受载荷巨大，小尺寸点蚀坑的产生就会严重影响其疲劳寿命，因此需要探索小尺寸的点蚀坑会如何影响材料疲劳寿命，进而有预制微米级的点蚀坑的需求。相比现有技术，本发明的优点与积极效果在于：

(1)本发明方法解决了现有技术制备点蚀坑尺寸过大的问题，能制备长度、宽度与深度的尺寸约30-100μm的点蚀坑，满足在金属试件上预制小尺寸点蚀坑的需求；

(2)采用本发明方法预制点蚀坑时，不需要预先对点蚀坑所在位置进行加工，不会引入残余应力，并且能较快生成单个小尺寸点蚀坑。

附图说明

图1是本发明实施例的金属试样小尺寸点蚀坑预制方法的流程图；

图2是本发明实施例的电化学工作站连接示意图；

图3是点蚀萌生的典型电流时间曲线示意图；

图4是利用本发明方法在DD5镍基单晶高温合金方块试样上制备单个点蚀坑的示意图；其中，a为点蚀坑形貌图，b为点蚀坑截面图；

图5是利用本发明方法在DZ125镍基定向凝固高温合金棒状试样上制备单个点蚀坑的示意图。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

现有技术在制备点蚀坑时，一般按照已有标准作为指导预制真实点蚀坑，如将金属放到腐蚀溶液中浸泡，这会产生大量腐蚀坑，但是不符合本发明对单个小尺寸点蚀坑的制备需求。而现在技术要制备单个腐蚀坑，一般采用直接用钻头打孔激光打孔的方式，并寻求几何外形上的相似，但对腐蚀坑的腐蚀特征带来的影响直接忽略了。

本发明在进行金属构件性能研究时，发现有裂纹在尺寸为30微米的点蚀坑处萌生，于是想探索小尺寸的点蚀坑会如何影响材料疲劳寿命，所以有了这种预制小尺寸点蚀坑的需求，因此在各种尝试后，成功采用本发明方法制出微米级的点蚀坑。

本发明提供的一种基于点蚀机理的金属试样小尺寸点蚀坑预制方法，如图1所示，主要包括以下6个步骤。

步骤1、试样打磨和抛光：用砂纸对试样表面进行打磨抛光，使试样表面粗糙度Ra值小于1μm，试样最后的抛光应沿同一方向。

步骤2、封样，包括：首先，使用无水乙醇清洁经步骤1处理的试样的表面，在试样端部以不损坏试样的方式连接导线；其次，使用切割的回字形绝缘胶带粘贴在试样预制点蚀坑位置，胶带外边长为15～20mm，内边长为2～3mm。本发明实施例中，用刀片切下边长15～20mm的正方形绝缘胶带并在胶带中间位置切下边长2～3mm的正方形胶带，或直径2～3mm的圆型胶带，得到一块回字形胶带，然后将胶带贴在试样上，胶带中央切除位置为试样上预制点蚀坑的位置；然后，继续用绝缘胶带或石蜡或绝缘漆包裹试样除回字形胶带孔外的其它暴露部位，再次用无水乙醇清洁试样暴露位置并在光学显微镜下观察该位置确保无任何污染物。

步骤3、搭建制坑系统：按照研究目的配置好腐蚀溶液，然后将步骤2中准备好的试样作为工作电极，并与铂对电极和参比电极组成三电极体系，电解液为配置好的腐蚀溶液，然后将各电极与电化学工作站连接，电化学工作站与电脑连接，如图2所示，制坑系统搭建完成。

步骤4、产生试样钝化膜：使用电化学工作站的塔菲尔曲线功能测得试样塔菲尔曲线，从曲线的钝化区选取一个相对较小的电位，使用电化学工作站的恒电位功能将该电位作用于试样5～10min，使试样产生一定厚度的钝化膜，电位作用时间根据材料不同应作相应调整，也可以将试样直接浸泡在溶液中0.5～1h来产生一定厚度的钝化膜，浸泡时间根据材料不同作相应调整。

步骤5、点蚀的关键电位测量：使用电化学工作站的循环极化功能测得试样的循环极化曲线，通过测得的曲线得到该试样的点蚀电位和保护电位。

通常，点蚀电位在曲线中不能很好的被确定，只能在一个电位范围内选择。当选择的电位太小，点蚀不容易萌生，而且可能导致试样暴露区域发生均匀腐蚀；当选择的电位过大，点蚀萌生较快，但可能同时有多个点蚀坑萌生。合理的电位选择需要进行多次实验尝试。注意观察试样的电流特征，一般点蚀萌生时电流会有一个逐渐升高的过程，整个电流时间曲线呈凹字形，如图3所示。

步骤6、点蚀坑制取：根据步骤5得到的点蚀电位和保护电位，使用电化学工作站的恒电位功能在试样上施加稍大于点蚀电位的电位，同时观察此时电流的变化，当电流开始上升，点蚀已经萌生，停止电位施加，然后在试样上施加一个低于点蚀电位稍高于保护电位的电位，萌生的点蚀坑开始生长，根据需要的点蚀坑尺寸控制电位作用时间，一个点蚀坑制取完成。

点蚀坑萌生后，施加一个低于点蚀电位，高于保护电位的电位值，根据需要的点蚀坑尺寸确定施加电位的时间，电位施加时间与点蚀坑尺寸的关系符合幂律。

当观察到点蚀萌生的电流特此，停止电位施加，将试样暴露表面清洗干净后使用显微镜观察表面是否产生了点蚀坑。若产生了满足要求的单个点蚀坑，将作用的电位降低到高于保护电位，低于点蚀电位，所选择的电位尽量更靠近保护电位，使点蚀坑长大到满足要求的点蚀坑尺寸。进行多次实验以记录作用的电位大小、作用时间和产生的点蚀坑尺寸，以获得它们之间的关系。将此作为之后点蚀坑预制的指导。

循环极化曲线可大致分为三个区域：活化区、钝化区和过钝化区。当电位由低电位的活化区向高电位的过钝化区扫描时，首先达到开路电位进入钝化区，然后电位继续上升达到点蚀电位进入过钝化区。当电位达到测试时设置的最大电位后，开始由高电位向低电位回扫，回扫的极化曲线和原来的曲线相交，交点即为保护电位。当腐蚀性溶液中金属电位低于保护电位时，无点蚀萌生；当电位高于保护电位，低于点蚀电位时，已经形成的点蚀坑将继续发展但不会有新的点蚀萌生；当电位高于点蚀电位时，已经形成的点蚀坑将继续发展且会有新的点蚀萌生。由此可知，要想制出单一可控的点蚀坑，需要控制电位高于点蚀电位，待点蚀萌生后，再将电位降低到低于点蚀电位但高于保护电位，使萌生的点蚀坑继续生长。也可以通过控制电流达到控制电位的目的。

使用本发明方法，步骤6制出的点蚀坑形貌，与试样直接在步骤3所用腐蚀溶液中自然产生的点蚀坑的形貌相似，但是采用本发明方法能更快地生成点蚀坑，并且能生成小尺寸的单个点蚀坑，满足了现有对金属试件上预制小尺寸点蚀坑的需求。

将本发明方法应用在DD5镍基单晶高温合金方块试样和DZ125镍基定向凝固高温合金棒状试样上预制单个点蚀坑。在DD5方块试样上的形成的点蚀坑形貌和点蚀坑截面形貌，如图4的a和b所示。本发明实施例制备的单个点蚀坑的长度和宽度均约40μm，深度约10μm。

在DZ125棒状试样上制备的点蚀坑，形貌如图5所示，直径大致有20μm。

本发明为小尺寸点蚀坑对发动机热端部件材料疲劳寿命影响的研究提供了一种试样制备方法。因为发动机热端部件比如涡轮叶片工作环境恶劣，承受载荷巨大，使得小尺寸点蚀坑的产生就会严重影响其疲劳寿命，有了这个小尺寸点蚀坑制备方法，就能更加深入的对这个问题进行研究。

除说明书所述的技术特征外，均为本专业技术人员的已知技术。本发明省略了对公知组件和公知技术的描述，以避免赘述和不必要地限制本发明。上述实施例中所描述的实施方式也并不代表与本申请相一致的所有实施方式，在本发明技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性的劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围内。