氢扩散能力测试实验

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2.1.1 渗氢抑制能力测试 (1) 实验原理 本文中渗氢抑制能力测试实验采用Devnathan-Stachurski双电解池进行，实验原理图如图2-1所示。 图2-1　渗氢实验原理图 Fig.2-1 Scheme for electrochemical hydrogen permeation 如图中所示，在“电解池Ⅱ”一边的界面称为极化面，“电解池Ⅰ”一边的界面称为扩散面。实验时，将被研究的金属片夹在两个电解池中间作为研究电极，加入测试溶液后，极化面产生氢原子，在扩散面用恒电位仪保持一定的电位，在此电位下，仅能使氢原子完全电离（H→H++e）而不发生其他的电化学反应。实验前预先在金属面的扩散面上镀镍，这样有利于氢原子的放电反应的进行。在金属片的极化面产生的原子氢部份或全部被金属吸收，然后通过金属向扩散面扩散，并在扩散面上电离，产生阳极电流，即渗氢电流，通过仪器记录渗氢电流与时间的关系曲线。 (2) 试片预处理 实验时所用试片为N80钢圆形薄片，工作面积为9 cm2，实验前，薄片表面依次用400#、600#、800#氧化铝砂纸打磨，再用W7金相砂纸将工作面磨至镜面，水洗，再用乙醇、丙酮擦拭，冷风吹干。然后将其在1:1的盐酸中浸泡3min，用水冲洗，再在6mol/L NaOH溶液中浸泡3min，再用水冲洗，最后用冷风吹干，放入干燥器，备用。 (3) 试片镀镍 采用CS350电化学工作站的恒电流极化对试片表面镀镍，电流密度为3mA/cm2，镀镍时间为10min。镀镍完成后，用蒸馏水小心冲洗金属片，然后放入干燥器，备用。 本实验所用镀镍液组成为：250g/L硫酸镍，45g/L氯化镍，40g/L硼酸。 (4) 渗氢测试 在进行渗氢测试实验时，将N80钢圆形薄片的镀镍面面向扩散面，即参比电极一面，在扩散面电解池中加入300mL 0.2mol/L 的NaOH溶液，整个实验在室温（20℃）下进行，采用CS350电化学工作站进行恒电位极化，极化电位为-150mV（V.S. Hg/HgO）。待电流稳定后在极化面电解池中加入300mL测试溶液（测试体系为二氧化碳饱和的1%NaCl溶液，再加入5mL醋酸，以及0.49g/L 的Na2S），待电流再次达到稳定后，加入一定浓度的缓蚀剂，并记录阳极电流－时间曲线直至达到新的稳定值。 缓蚀剂的渗氢抑制效率η按下式计算： 式中：i——空白溶液中渗氢电流； ia0——阳极残余电流； ii——加入缓蚀剂后的渗氢电流。 渗氢抑制能力 在以析氢反应为特征的腐蚀过程中，产生的氢原子可能从金属表面进入金属基体内部，尤其是当有S2-、CN-存在时，进入金属基体内部的氢原子更为可观，结果引起材料的脆裂——“氢脆”[55, 56]。在本实验合成的缓蚀剂A含有S原子，为了验证其在腐蚀介质中是否有看不见的“氢脆”现象，故进行了渗氢测试。 测试过程中，在极化面产生氢原子，在扩散面用恒电位仪保持一定的电位（-0.15V Vs Hg/HgO），在此电位下，仅能使氢原子完全电离（HH++e），而不发生其他的电化学反应。析氢过电位较低的金属（如Ni、W、Pd、Pt等）对氢原子反应有较好的催化活性，本实验中在扩散面上镀镍有利于氢原子放电反应。在金属片的极化面产生的氢原子部分或全部被金属吸收，然后通过金属向“扩散面”扩散，并在“扩散面”上电离，产生阳极电流，此阳极电流与氢通过金属达到的“扩散面”的速度相对应。 图4-9为记录的渗氢电流-时间曲线，其参数拟合值如表4-7所示。 图4-9不同缓蚀剂的氢扩散电流-时间曲线 从图4-9中可以看出：在扩散面加入NaOH后（测试开始），极化面加入测试溶液前，阳极电流先是急剧下降，再慢慢趋于一稳定值，这一稳定值即阳极残余电流，它是由钢片内部残留的氢或扩散面溶液中含有能被氧化的杂质产生的。在加入测试溶液后，电流迅速的增大，说明在金属腐蚀时又有大量的原子氢渗入金属内部。事实上，加入测试溶液后，由于醋酸和Na2S反应生成的H2S是氢扩散的促进剂，它能阻止氢原子结合成氢分子而析出，从而使金属在腐蚀时产生的原子氢大量渗入金属内部，导致渗氢电流的急剧增大。而加入缓蚀剂后，电流迅速下降，说明加入缓蚀剂后有效地抑制了渗氢过程。 在介质中加入不同的缓蚀剂时，与不加缓蚀剂前的空白溶液相比，阳极电流都有降低。通过对比还可以发现，相比于复配前单独使用缓蚀剂A时，复配后的缓蚀剂的渗氢抑制能力大大提高，缓蚀率从复配前的66.7%提高到88.6%；但相比于单独使用缓蚀剂B时，渗氢抑制能力则有所下降，由91.3%降至88.6%。 表4-7 渗氢参数拟合结果 Table 4-7 The values of parameters of fig.4-9 阳极残余电流 (μA·㎝-2) 空白 (μA·㎝-2) 100ppm 缓蚀剂 (μA·㎝-2) 缓蚀率 A 0.6 18.1 6.4 66.7% B 0.1 21.2 2.0 91.3% 复配 0.0 15.8 1.8 88.6%