一种异种金属材料电偶腐蚀的当量加速折算方法

技术领域

本发明涉及一种异种金属材料电偶腐蚀的当量加速折算方法，属于电偶腐蚀的当量化技术领域。

背景技术

海洋环境极其复杂，全球各海域的温度、盐度、湿度、凝霜条件各不相同。根据实践经验，热带海洋环境(高盐雾、高温、高湿)加速了海洋装备金属材料与构件的腐蚀速率。据统计，海洋装备因腐蚀导致的失效占比高达70％以上。然而，针对特定海域的气候环境的腐蚀损伤规律，目前国内各研究院所处于理论研究阶段，尚无一套行之有效的方法。GJB150A-2009《军用装备实验室环境试验方法》的酸性盐雾、酸性大气章节属于通用型的环境实验程序，缺乏特定海洋环境下腐蚀累积损伤的针对性。因此，科学研究在现有实验室条件下，准确模拟环境对装备金属材料的腐蚀损伤效应的问题，具有十分的必要性。

传统的模拟装备服役环境而开展的腐蚀试验研究，需要耗费大量的时间、经费等，而且技术存在瓶颈。为了在短时间内获得装备在服役环境下的腐蚀损失规律，要建立在实验室条件中可行的当量加速腐蚀折算关系，进而将装备在服役环境中的腐蚀损伤等当量地折算成实验室内能再现的当量加速环境谱，并将其有效地应用于工程实践。

环境加速法是目前比较常用和有效的研究方法，国内外研究者们都开展了不同程度的研究。国外在海洋装备实验室加速环境谱的编制、加速腐蚀当量化研究方面取得了很多成果。与国外相比，国内的相关研究明显滞后，多数处于初步研究阶段。也有少数研究机构和学者开展了加速当量化技术研究，编制了针对个别海域的试验是环境加速谱。

从已有关于加速当量化研究分析，均是以单一金属材料或复合材料或涂层为研究对象，建立服役环境与实验室条件加速当量关系，如专利号为″CN108256139A″，专利名称为″一种异种金属材料组合结构加速环境谱编制方法″的专利，其方法依据单一金属环境折算系数原理推导组合结构环境折算系数公式，建立环境折算系数数据库。基于仿真方法，建立异种金属接触时的电偶腐蚀模型，并获得电偶腐蚀的电位分布和总电流等信息，验证电偶腐蚀模型的正确性，补充组合金属结构环境折算系数数据库。选取飞机典型的异种金属组合接触结构进行试验，根据腐蚀损伤表征量来修正异种金属组合结构的加速当量环境谱。最终构建组合结构加速腐蚀当量化理论和工程方法，其虽然能进行加速腐蚀当量的研究，但是终归还是以单一金属材料或复合材料或涂层为研究对象；关于以异种金属材料相接触为研究对象，研究在服役环境与实验室条件的加速当量关系非常少见。然而，海洋装备在实际服役环境中，绝大多数都是异种金属材料相互接触的情况，不单单是单一金属材料的自身腐蚀，还存在电偶腐蚀的加速作用。关于异种金属材料电偶腐蚀评价、模拟及测试不仅是腐蚀学科研究的一个重要问题，也是海洋装备工程应用亟需解决的实际问题。因此，目前迫切需要以异种金属材料相接触为研究对象，建立在实验室条件中可行的当量加速腐蚀折算关系。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种异种金属材料电偶腐蚀的当量加速折算方法，能以异种金属材料相接触为研究对象，建立在实验室条件中可行的当量加速腐蚀折算关系，可以克服现有技术的不足。

本发明的技术方案是：一种异种金属材料电偶腐蚀的当量加速折算方法，该方法基于单一金属材料腐蚀当量折算原理，推理至异种金属材料相接触电偶腐蚀当量折算，同时区分出纯阳极和纯阴极组成的电偶腐蚀和非纯阳极和纯阴极组成的电偶腐蚀的当量折算，具体折算方法如下：

I、基于单一金属材料腐蚀当量折算原理；

(1)度量参量选取：由电化学原理可知，金属腐蚀(包括电偶腐蚀等)主要是由电化学腐蚀引起，阳极失去电子发生氧化反应，阴极得电子发生还原反应。腐蚀电流I

(2)当量折算原理：假设装备服役环境的作用时间t，则t时间内的金属电量为：

Q＝I

由于服役环境因素的影响，金属的腐蚀是时强时弱呈谱状变化，腐蚀电流I

式(2)中，F为法拉第常数。

在实验室条件下，对于同一金属构件，由选定的加速环境谱进行试验，腐蚀电流为I′

按腐蚀损失等效原理，对同种金属材料构件，使用服役环境条件中的腐蚀电量Q等于在实验室条件下的腐蚀电量Q′，即可建立两种环境下的等量关系，即：

为使问题简化，将腐蚀电流I

I

由式(5)可得：

由式(6)可知，可通过改变试验条件，如改变温度、湿度、盐雾等方法提高腐蚀电流为I′

(3)当量折算系数

令

t′＝α·t (7)

α定义为当量折算系数，环境谱经等损伤当量折算后，在实验室加速环境谱的作用下，试验时间缩短α倍，可实现与服役环境等腐蚀损伤加速试验的目的；

无论是针对单一的金属材料还是相接触的异种金属材料，依据法拉第定律，金属腐蚀量总是与腐蚀电流密切相关，因此，以上的当量折算原理均使用；

II、异种金属电偶腐蚀的当量加速折算

两种不同腐蚀电位的金属相互接触形成电偶时，在腐蚀电位较低的金属材料上除了它自身的发生腐蚀外，还由于同腐蚀电位高的金属材料接触所形成的短路的原电池的作用而使阳极溶解；依据腐蚀电化学原理可知，同腐蚀电位高的金属材料接触所形成的原电池本质上是对腐蚀电位低的金属材料的自身腐蚀进行加速，而不是引起新的腐蚀；因此，相对于单一金属，异种金属相接触形成的电偶腐蚀是在加速阳极金属材料自身的腐蚀；

综上所述，异种金属相接触发生电偶腐蚀时的腐蚀电流I

I

式(8)中，I

因此，α可以改写为：

式(9)中，I

a、纯阳极和纯阴极组成的电偶腐蚀

异种金属相接触后，阳极金属主要进行阳极氧化(溶解)反应，在它表面上去极化剂阴极还原反应的速度小到可以忽略不计；与此同时，在阴极金属表面主要进行去极化剂的阴极还原反应，它的阳极氧化(溶解)反应速度小到可以忽略不记。腐蚀电流I

I

式(10)中，I

因此，式(9)可以改写成：

式(11)中，I

b、非纯阳极和纯阴极组成的电偶腐蚀

阳极、阴极金属表面有杂质，且杂质含量不可忽略情况下，阳极金属表面上去极化剂的阴极还原反应不可忽略，而且阴极还原反应速度由扩散控制了；在此种情况下，异种金属接触后，阳极金属的溶解电流密度要比接触腐蚀电偶的外电路中测得的阳极电流密度大，也即当阳极金属面积相等的情况下，腐蚀电流I

式(12)中，A

因此，式(9)可以改写成：

综上所述，纯阳极和纯阴极组成的电偶腐蚀情况下，当量折算系数α为两不同溶液或环境条件下的接触腐蚀电偶的外电路中测得的电流之比；非纯阳极和纯阴极组成的电偶腐蚀情况下，当量折算系数α为两不同溶液或环境条件下的金属阳极的自腐蚀电流(未偶接前)之比；当量折算系数α可以表示为：

式(14)中，a为纯阳极和纯阴极组成的电偶腐蚀情况；b为非纯阳极和纯阴极组成的电偶腐蚀情况；I

与现有技术比较，本发明异种金属材料电偶腐蚀的当量加速折算方法，推导异种金属相接触所产生的电偶腐蚀在服役环境与实验室环境的折算关系，采用电化学测试方法测定自身腐蚀电流与电偶电流，也即异种金属相接触在不同环境中的折算系数待定项，以确定折算系数a值，建立折算系数a数据库，建立在实验室条件中可行的当量加速腐蚀折算关系，进而将装备在服役环境中的腐蚀损伤等当量地折算成实验室内能再现的当量加速环境谱，并将其有效地应用于工程实践，这样能代替传统的模拟装备服役环境而开展的腐蚀试验研究，避免耗费大量的时间、经费等；同时以确定折算系数a值，建立折算系数a数据库，也为编制实验室加速环境谱提供基础。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：

图1是本发明的连接结构示意图。

具体实施方式

以下将参照附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。应当理解，优选实施例仅为了说明本发明，而不是为了限制本发明的保护范围。

实施例1.如图1所示，一种异种金属材料电偶腐蚀的当量加速折算方法，该方法基于单一金属材料腐蚀当量折算原理，推理至异种金属材料相接触电偶腐蚀当量折算，同时区分出纯阳极和纯阴极组成的电偶腐蚀和非纯阳极和纯阴极组成的电偶腐蚀的当量折算，具体折算方法如下：

I、基于单一金属材料腐蚀当量折算原理；

(1)度量参量选取：由电化学原理可知，金属腐蚀(包括电偶腐蚀等)主要是由电化学腐蚀引起，阳极失去电子发生氧化反应，阴极得电子发生还原反应。腐蚀电流I

(2)当量折算原理：假设装备服役环境的作用时间t，则t时间内的金属电量为：

Q＝I

由于服役环境因素的影响，金属的腐蚀是时强时弱呈谱状变化，腐蚀电流I

式(2)中，F为法拉第常数。

在实验室条件下，对于同一金属构件，由选定的加速环境谱进行试验，腐蚀电流为I′

按腐蚀损失等效原理，对同种金属材料构件，使用服役环境条件中的腐蚀电量Q等于在实验室条件下的腐蚀电量Q′，即可建立两种环境下的等量关系，即：

为使问题简化，将腐蚀电流I

I

由式(5)可得：

由式(6)可知，可通过改变试验条件，如改变温度、湿度、盐雾等方法提高腐蚀电流为I′

(3)当量折算系数

令

t′＝α·t (7)

α定义为当量折算系数，环境谱经等损伤当量折算后，在实验室加速环境谱的作用下，试验时间缩短α倍，可实现与服役环境等腐蚀损伤加速试验的目的；

无论是针对单一的金属材料还是相接触的异种金属材料，依据法拉第定律，金属腐蚀量总是与腐蚀电流密切相关，因此，以上的当量折算原理均使用；

II、异种金属电偶腐蚀的当量加速折算

两种不同腐蚀电位的金属相互接触形成电偶时，在腐蚀电位较低的金属材料上除了它自身的发生腐蚀外，还由于同腐蚀电位高的金属材料接触所形成的短路的原电池的作用而使阳极溶解；依据腐蚀电化学原理可知，同腐蚀电位高的金属材料接触所形成的原电池本质上是对腐蚀电位低的金属材料的自身腐蚀进行加速，而不是引起新的腐蚀；因此，相对于单一金属，异种金属相接触形成的电偶腐蚀是在加速阳极金属材料自身的腐蚀；

综上所述，异种金属相接触发生电偶腐蚀时的腐蚀电流I

I

式(8)中，I

因此，α可以改写为：

式(9)中，I

a、纯阳极和纯阴极组成的电偶腐蚀

异种金属相接触后，阳极金属主要进行阳极氧化(溶解)反应，在它表面上去极化剂阴极还原反应的速度小到可以忽略不计；与此同时，在阴极金属表面主要进行去极化剂的阴极还原反应，它的阳极氧化(溶解)反应速度小到可以忽略不记。腐蚀电流I

I

式(10)中，I

因此，式(9)可以改写成：

式(11)中，I

b、非纯阳极和纯阴极组成的电偶腐蚀

阳极、阴极金属表面有杂质，且杂质含量不可忽略情况下，阳极金属表面上去极化剂的阴极还原反应不可忽略，而且阴极还原反应速度由扩散控制了；在此种情况下，异种金属接触后，阳极金属的溶解电流密度要比接触腐蚀电偶的外电路中测得的阳极电流密度大，也即当阳极金属面积相等的情况下，腐蚀电流I

式(12)中，A

因此，式(9)可以改写成：

综上所述，纯阳极和纯阴极组成的电偶腐蚀情况下，当量折算系数α为两不同溶液或环境条件下的接触腐蚀电偶的外电路中测得的电流之比；非纯阳极和纯阴极组成的电偶腐蚀情况下，当量折算系数α为两不同溶液或环境条件下的金属阳极的自腐蚀电流(未偶接前)之比；当量折算系数α可以表示为：

式(14)中，a为纯阳极和纯阴极组成的电偶腐蚀情况；b为非纯阳极和纯阴极组成的电偶腐蚀情况；I

自身腐蚀电流I

自身腐蚀电流I

将当量折算系数应用于实验室加速环境谱的编制，基本的技术思路(见图1)如下：

步骤1：收集装备服役环境下的环境数据(如全年温度、湿度、盐雾、凝露等)，依据已有的文献研究方法基础，制定出该服役环境下的环境谱；步骤2：选择实验室加速环境试验方式及基本条件，可依据GJB1720-93《异种金属的腐蚀与防护》、GJB150《军用准备实验室环境试验方法》等进行选择；步骤3：依据本发明的异种金属当量折算系数a或数据库，进行实验室加速环境当量计算，编制实验室加速环境谱；步骤4：分别在服役环境谱下与实验室加速环境谱条件下进行试验，对试验结果进行相互验证，进一步优化异种金属当量折算关系算法及实验室加速环境谱。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。