Ga、Bi合金化Al-Zn-Sn系牺牲阳极材料及其热处理研究

论文摘要

铝基牺牲阳极合金具有理论电容量大、驱动电位适中、原料成本低等优点,而成为有工程应用价值的防腐蚀材料,普遍受到人们的重视。对目前电流效率仅在70%80%左右的Al-Zn-Sn系阳极材料进行进一步的合金化和热处理研究,提高合金的电化学性能,使其具有推广价值,为铝基牺牲阳极材料提供一种新的选择。进一步考察合金化和热处理对该系阳极合金组织和电化学过程的影响,探讨阳极合金在合金化作用下和热处理影响中有关微观组织和溶解机理变化,进一步丰富铝基阳极材料的合金化设计理论和活化机理研究。本文在Al-Zn-Sn三元合金阳极的基础上,通过单独添加Ga以及复合添加Ga和Bi,研究Ga含量和Ga、Bi复合合金化对Al-Zn-Sn系合金电化学性能影响;并考察热处理对铝基阳极材料电化学性能的影响。通过金相技术和扫描电镜技术观察合金化和热处理过程中合金的微观组织变化特征,并结合极化曲线、电化学阻抗谱等电化学手段研究铝基阳极材料复合合金化和热处理后的电化学反应过程,初步分析Ga、Bi复合合金化作用下的协调溶解作用和程机理,以及由热处理引起阐述第二相形状及分布对电化学性能和溶解机制变化。结果表明:Ga的加入提高了Al-Zn-Sn合金的活化性能,使合金开路电位和工作电位负移,产物粘附现象消失,电流效率大幅度提高。Ga加入量为0.015%时,Al-Zn-Sn-Ga合金的电流效率达到96.4%,开路电位达到-1.0906V,试样表面腐蚀均匀。Ga、Bi复合合金化充分发挥了各组元的协调活化作用,使电流效率进一步增大到97.4%,且工作电位平稳,溶解形貌较均匀,综合性能得到明显提高。通过对合金化前后的EIS进行解析,提出Al-Zn-Sn和Al-Zn-Sn-Bi合金的等效电路为:RS（CpRp（QR1）（L1Rad1）（L2R ad2））,可以用该等效电路来表征Sn、Bi为主要活化元素时的控制因素。对于Al-Zn-Sn-Ga和Al-Zn-Sn-Ga-Bi合金,等效电路RS（QR1（C1Rw1）（C2Rw2）（LRad））则反应出合金中主活化元素Ga与其他活化元素协调作用下的活化反应机理。在合金化基础上,考察热处理对该系合金的电化学性能影响,结果表明:退火和固溶处理未能明显提高Al-Zn-Sn-0.01Ga合金和Al-Zn-Sn-0.02Ga合金的综合性能。而460℃保温4h固溶处理工艺能较好提高Al-Zn-Sn-0.015Ga合金综合性能,使合金电流效率>95.0%且表面腐蚀均匀。固溶处理则能使Al-Zn-Sn-Ga-Bi合金在电流效率降低不大的情况下,工作电位平稳,腐蚀形貌均匀。经过480℃固溶,该合金的开路电位为-1.071V（SCE）,工作电位-1.063V-1.078V,电流效率达到96.6%,综合电化学性能最好。结合微观组织特征和电化学分析手段,认为Al-Zn-Sn-Ga-Bi合金的活化过程是有第二相优先溶解脱落机理和固溶的主活化元素Ga的溶解-再沉积机制共同组成。铸态和退火态合金中第二相（偏析相）为数较多,在初始活化和溶解发展阶段第二相的优先溶解脱落均占据优势,导致腐蚀纵深发展,形成局部腐蚀形貌。合金固溶后,第二相数量大为减少,Ga元素的溶解-再沉积过程控制了持续活化步骤,此时横向扩展速度和纵向深入速度匹配较好,最终表现出均匀溶解形貌。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 牺牲阳极保护法
• 1.1.1 钢铁腐蚀及其危害
• 1.1.2 牺牲阳极保护法
• 1.1.3 牺牲阳极材料要求
• 1.2 铝基牺牲阳极材料
• 1.2.1 铝基牺牲阳极的优点和当前不足
• 1.2.2 铝基阳极材料开发的思路
• 1.2.3 铝基牺牲阳极材料的发展
• 1.3 铝基阳极材料的合金化理论和热处理研究
• 1.3.1 合金元素在铝基阳极材料中的作用
• 1.3.2 铝基阳极材料的合金化原则
• 1.3.3 铝基牺牲阳极材料的热处理
• 1.4 铝基牺牲阳极材料的活化机理研究
• 1.4.1 活化机理的研究方法和技术
• 1.4.2 铝基阳极材料的活化机理研究进展
• 1.5 本论文研究的意义和内容
• 1.5.1 本论文研究的意义
• 1.5.2 本论文研究的内容和思路
• 第2章 实验条件与方法
• 2.1 材料成分确定和合金熔炼
• 2.1.1 合金成分的选择
• 2.1.2 实验材料的预处理
• 2.1.3 熔炼工艺
• 2.2 铝基阳极的热处理规程
• 2.2.1 热处理参数的确定
• 2.2.2 热处理操作注意事项
• 2.3 电化学性能测试
• 2.3.1 实验准备
• 2.3.2 试验装置
• 2.3.3 电流效率计算
• 2.4 极化曲线和电化学阻抗谱测试
• 2.4.1 试验装置
• 2.4.2 测试步骤
• 2.5 阳极合金的微观组织分析
• 2.5.1 金相组织观察
• 2.5.2 扫描电镜及能谱分析
• 第3章 Ga、Bi 对 Al-Zn-Sn 系合金组织和电化学性能的影响
• 3.1 Al-Zn-Sn-xGa 阳极材料的电化学性能
• 3.1.1 Al-Zn-Sn-xGa 合金的开路电位和电流效率
• 3.1.2 Al-Zn-Sn-xGa 合金的工作电位
• 3.2 Al-Zn-Sn-xGa 合金微观组织分析
• 3.3 Al-Zn-Sn-xGa 合金极化曲线和电化学阻抗谱分析
• 3.3.1 Al-Zn-Sn-xGa 合金极化曲线分析
• 3.3.2 Al-Zn-Sn-xGa 合金电化学阻抗谱分析
• 3.4 Ga、Bi 复合合金化对Al-Zn-Sn 合金的电化学性能的影响
• 3.4.1 Ga、Bi 复合合金化对Al-Zn-Sn 合金开路电位和电流效率的影响
• 3.4.2 Ga、Bi 复合合金化对Al-Zn-Sn 合金工作电位的影响
• 3.5 Ga、Bi 复合合金化对Al-Zn-Sn 合金微观组织的影响
• 3.5.1 Ga、Bi 复合合金化Al-Zn-Sn 合金的金相组织
• 3.5.2 Ga、Bi 复合合金化Al-Zn-Sn 合金的SEM 形貌和EDS 分析
• 3.6 Al-Zn-Sn 合金Ga、Bi 复合合金化溶解机理分析
• 3.6.1 Al-Zn-Sn 合金Ga、Bi 复合合金化的极化曲线分析
• 3.6.2 Al-Zn-Sn 合金Ga、Bi 复合合金化电化学阻抗谱分析
• 3.7 小结
• 第4章 热处理对 Al-Zn-Sn-xGa 合金电化学性能的影响
• 4.1 热处理温度对Al-Zn-Sn-0.01Ga 合金电化学性能的影响
• 4.2 退火温度对Al-Zn-Sn-0.015Ga 合金电化学性能的影响
• 4.2.1 退火温度对Al-Zn-Sn-0.015Ga 合金开路电位和电流效率的影响
• 4.2.2 退火温度对Al-Zn-Sn-0.015Ga 合金工作电位的影响
• 4.2.3 退火温度对Al-Zn-Sn-0.015Ga 合金溶解形貌和产物粘附的影响
• 4.3 固溶温度对Al-Zn-Sn-0.015Ga 合金电化学性能的影响
• 4.3.1 固溶温度对Al-Zn-Sn-0.015Ga 合金开路电位和电流效率的影响
• 4.3.2 固溶温度对Al-Zn-Sn-0.015Ga 合金工作电位和溶解形貌的影响
• 4.3.3 固溶温度对Al-Zn-Sn-0.015Ga 合金微观组织的影响
• 4.4 热处理Al-Zn-Sn-0.02Ga 合金电化学性能的影响
• 4.5 小结
• 第5章 热处理对 Al-Zn-Sn-Ga-Bi 合金电化学性能的影响
• 5.1 固溶处理对Al-Zn-Sn-Ga-Bi 合金电化学性能的影响
• 5.1.1 固溶温度对Al-Zn-Sn-Ga-Bi 合金开路电位和电流效率的影响
• 5.1.2 固溶温度对Al-Zn-Sn-Ga-Bi 合金工作电位的影响
• 5.1.3 固溶温度对Al-Zn-Sn-Ga-Bi 合金表面溶解形貌的影响
• 5.2 固溶温度对Al-Zn-Sn-Ga-Bi 合金微观组织的影响
• 5.3 固溶温度对Al-Zn-Sn-Ga-Bi 合金极化性能和EIS 的影响
• 5.3.1 不同固溶温度对Al-Zn-Sn-Ga-Bi 合金极化性能的影响
• 5.3.2 不同固溶温度对Al-Zn-Sn-Ga-Bi 合金的电化学阻抗谱分析
• 5.4 热处理冷却方式对Al-Zn-Sn-Ga-Bi 合金电化学性能影响
• 5.4.1 冷却方式对Al-Zn-Sn-Ga-Bi 合金开路电位和电流效率的影响
• 5.4.2 冷却方式对Al-Zn-Sn-Ga-Bi 合金工作电位的影响
• 5.4.3 冷却方式对Al-Zn-Sn-Ga-Bi 合金腐蚀形貌的影响
• 5.5 不同冷却方式对Al-Zn-Sn-Ga-Bi 合金微观组织的影响
• 5.5.1 不同冷却方式下Al-Zn-Sn-Ga-Bi 合金的金相组织
• 5.5.2 不同冷却方式对Al-Zn-Sn-Ga-Bi 合金的SEM 和EDS 分析
• 5.6 不同冷却方式对Al-Zn-Sn-Ga-Bi 合金溶解形貌的影响
• 5.7 小结
• 第6章 综合分析和讨论
• 6.1 添加元素的合金化作用
• 6.2 热处理工艺分析
• 6.3 活化机理讨论
• 第7章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间的研究成果