李曉孟，國秀花,3，張彥敏,3，宋克興,3，張素霞

1.河南科技大學材料科學與工程學院，河南 洛陽 471023；2.河南省有色金屬材料科學與加工技術重點實驗室，河南 洛陽 471023；

3.有色金屬共性技術河南省協(xié)同創(chuàng)新中心，河南 洛陽 471023

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人工海水沖刷時間對B10管電化學性能影響的研究*

李曉孟1,2，國秀花1,2,3，張彥敏1,2,3，宋克興1,2,3，張素霞1,2

1.河南科技大學材料科學與工程學院，河南 洛陽 471023；2.河南省有色金屬材料科學與加工技術重點實驗室，河南 洛陽 471023；

3.有色金屬共性技術河南省協(xié)同創(chuàng)新中心，河南 洛陽 471023

摘要：利用自行設計的循環(huán)沖刷試驗機，以人工配置海水為介質，對B10銅鎳合金管材Φ57×2.5 mm進行沖刷腐蝕試驗.結果表明，隨沖刷時間延長，開路電位正移，在沖刷192 h時達到0.08 V；腐蝕電流密度降低，腐蝕電位升高，在192 h時分別為9.060×10(-6) A·cm(-2)和0.039 V；阻抗譜高頻區(qū)和低頻區(qū)的容抗弧半徑增大，電荷轉移電阻和膜層電阻分別達到1764 Ω·cm2和232.1 Ω·cm2.說明在海水的沖刷過程中，B10銅鎳合金管的耐蝕性增強.

關鍵詞：B10管材；人工海水；電化學；性能

銅鎳合金不僅具有優(yōu)良的導電導熱性能、較好的強度、塑形以及加工性能，而且具有極好的耐海水腐蝕和生物污損性能.因此，在造船業(yè)、濱海發(fā)電和海水淡化等海洋工程的管路系統(tǒng)中得以廣泛應用，是國內(nèi)外公認的耐海水腐蝕的性能優(yōu)良的合金[1-4].B10作為管道材料在海洋工程中應用最多，因此，對B10管材直接進行沖刷研究具有重要意義.本研究通過自行設計的沖刷裝置，對B10管材進行沖刷實驗，研究其在人工海水介質中電化學性能的變化.

1實驗方法

試驗材料為B10銅鎳合金管材Φ57×2.5mm，試驗介質為人工配置海水，其成分列于表1.

表1　人工海水藥品成分

將Φ57×2.5mm管材加工成長22 mm管段用于沖刷試驗, 室溫下海水流速3.0 m/s.沖刷試驗后通過線切割在其內(nèi)表面取1 cm2試樣，進行電化學測試.

采用CHI660D型電化學工作站進行電化學測試，測試溫度為室溫.測試體系為三電極體系，其中輔助電極為石墨電極，參比電極為飽和甘汞電極(SCE).開路電位的測試時間為500 s，在開路電位下測量電化學阻抗譜，激勵電壓為5 mV，頻率范圍為10-1～105Hz.使用ZSimpWin軟件進行電化學阻抗譜的分析，極化曲線掃描速率為5 mV/s[5].

2結果與分析

2.1開路電位

室溫下管子在人工海水中沖刷不同時間后開路電位如圖1所示.由圖1可知，隨沖刷時間延長，開路電位不斷正移，在沖刷192 h時達到0.08 V.開路電位反映了合金活化能力的大小，開路電位正移，說明合金在人工海水中的腐蝕傾向降低.在海水中銅鎳合金表面會形成一層鈍化膜，隨著時間增加，鈍化膜不斷生長，其致密性會增加，使鈍化膜對基體的保護作用增強[6].

圖1　人工海水沖刷時間對B10管材開路電位的影響Fig.1　The effect of scouring times on open circuit potential of B10 pipes in artificial seawater

2.2極化曲線

圖2為人工海水中不同沖刷時間后管材的動電位極化曲線.通過極化曲線獲得的腐蝕電流密度和腐蝕電位列于表2.由圖2和表2可知，隨沖刷時間增加，腐蝕電流密度減小，腐蝕電位不斷正移，說明管材的耐蝕性提高.在海水的沖刷過程中，B10管表面的鈍化膜隨時間延長致密性提高，表面?zhèn)髻|和電荷轉移電阻增大，對基體的保護作用增強，使腐蝕作用減弱[7].

2.3交流阻抗譜

圖3(a)為不同沖刷時間后管材的電化學交流阻抗譜.從圖3(a)可看出，隨著沖刷時間延長，高頻區(qū)和低頻區(qū)的容抗弧半徑增大，在沖刷98 h和192 h時增加幅度比較顯著.通常認為，在交流阻抗譜中，高頻區(qū)容抗弧反映表面電荷轉移反應，而低頻區(qū)容抗弧反映電荷或物質通過表面腐蝕產(chǎn)物膜層的傳輸過程，半徑越大則相應的阻值越大[8-9].隨著沖刷時間延長，管子表面形成的鈍化膜不斷成長，尤其是后期已經(jīng)趨于成熟，致密性比前期有很大提高，管子表面與腐蝕介質間的電荷或物質傳輸以及腐蝕產(chǎn)物膜層電阻都不斷增大.

圖2　人工海水中沖刷不同時間后管材的動電位極化曲線Fig.2　The potentiodynamic polarization curves ofpipes after erosion-corrosion in artificial seawater with different times

表2人工海水中沖刷不同時間后B10管材的腐蝕電流密度和自腐蝕電位

Table 2IcorrandEcorrvalues of B10 pipes after erosion-corrosion in artificial seawater with different times

沖刷時間/h自腐蝕電位/V腐蝕電流密度/(A·cm-2)12-0.24621.54×10-624-0.24420.83×10-648-0.20219.66×10-696-0.02215.65×10-61920.0399.060×10-6

圖3(b)為管材在人工海水中不同沖刷時間后相應的等效電路.Rs為溶液電阻，Rf表示鈍化膜的膜層電阻，Rt表示電荷轉移電阻，Q1和Q2表示電容[10].

根據(jù)等效電路通過Zsimpwin軟件對不同沖刷時間得到的阻抗譜進行擬合，擬合結果列于表3(n值代表Q與電容的相似度).通常Rt表示在自腐蝕電位下，電荷穿過電極和溶液兩相界面過程的難易程度；Rf表示腐蝕反應物質通過表面氧化物膜的難易程度[10-11].由表3可知，隨著沖刷時間延長，Rt和Rf都在增大；在沖刷192 h時，Rt和Rf分別達到1764 Ω·cm2和232.1 Ω·cm2.說明在海水沖刷腐蝕中電荷通過管子表面鈍化膜的阻力很大，使管材的耐腐蝕性提高.

圖3　人工海水中不同沖刷時間后B10管材的交流阻抗譜(a)和等效電路圖(b)Fig.3　Nyquist diagram (a) and equivalent circuit (b) of B10 pipes after erosion-corrosion in artificial seawater with different times

Table 3Parameters of equivalent elements in equivalent circuit forB10 pipes after erosion-corrosion in artificial seawater

with different times

沖刷時間/hRs/(Ω·cm2)Q1/(Ω-1·cm2·s-1)n1Rf/(Ω·cm2)Q2/(Ω-1·cm2·s-1)n2Rt/(Ω·cm2)124.1941.308×10-51.005.3755.595×10-40.63221204244.6053.103×10-50.91511.344.622×10-40.64321184487.2513.07×10-50.753132.271.052×10-40.70511008965.7424.13×10-50.719119.52.578×10-170.714312511928.00725.29×10-50.627232.10.3009×10-40.76491764

3結論

在人工海水介質中隨沖刷時間延長，開路電位正移，在192 h時達到0.08 V；腐蝕電流密度降低，腐蝕電位升高，在192 h時分別為9.060×10-6A·cm-2和0.039 V; 阻抗譜高頻區(qū)和低頻區(qū)的容抗弧半徑增大，電荷轉移電阻和膜層電阻分別達到1764 Ω·cm2和232.1 Ω·cm2.在海水沖刷腐蝕的過程中，表面?zhèn)髻|和電荷轉移電阻增大，管材的耐腐蝕性增強.

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Effects of erosion time on the electrochemical performance of B10 pipe in artificial seawater

LI Xiaomeng1,2，GUO Xiuhua1,2,3，ZHANG Yanmin1,2,3，SONG Kexing1,2,3，ZHANG Suxia1,2

1.SchoolofMaterialsScienceandEngineering,HenanUniversityofScienceandTechnology,Luoyang471023,China; 2.HenanKeyLaboratoryofAdvancedNon-ferrousMetals,Luoyang471023,China; 3.HenanCollaborativeInnovationCenterofNon-ferrousMetalGenericTechnology,Luoyang471023,China

Abstract:Using self-designed circulation scouring machine, with water as a medium, manual configuration of B10 copper nickel alloy tube Φ57×2.5 mm erosion experiment was carried out. The results show that with the increase of scouring time, open circuit potential is moved upward, in flushing 192 h is 0.08 V. Reduce the corrosion current density and corrosion potential rise, at the time of 192 h were 9.060×10(-6) A·cm(-2) and 0.039 V. Impedance spectrum of high frequency area and frequency area capacitive reactance arc radius increases, the charge transfer resistance and membrane layer resistance, 1764 Ω·cm2 and 232.1 Ω·cm2, respectively. That is to say, in the process of seawater erosion, B10 copper corrosion resistance of nickel alloy tube does not drop.

Key words:B10 pipe; artificial seawater; electrochemical; performance

中圖分類號：TQ174.75

文獻標識碼：A

文章編號：1673-9981(2016)01-0053-04

作者簡介：李曉孟(1991-),男，河南省洛陽人，碩士研究生.通訊作者：張彥敏(1970-)，女，河南省洛陽人，教授.

*基金項目：河南省高?？萍紕?chuàng)新團隊(14IRTSTHN007)；河南省杰出人才項目(134200510011)

收稿日期：2015-11-17