Al-Zn-Bi系牺牲阳极材料的合金化及热处理研究

论文摘要

铝基牺牲阳极合金因具有资源丰富、原料成本低、理论电容量大、驱动电位适中、制造工艺简单以及绿色环保无污染等优点,而成为工程应用价值较高的防腐蚀材料,普遍受到人们的关注。对目前电流效率较低的Al-Zn-Bi系阳极材料进行合金化和热处理之后,提高合金的电化学性能,使其具有更高的应用价值。本文基于Al-Zn-xBi系三元阳极合金,通过单独添加Ga、Mg、RE以及复合添加Mg和RE,研究微合金化和热处理工艺对Al-Zn-Bi系阳极材料组织和电化学性能的影响。通过金相、扫描电镜以及能谱分析等方法,观察合金化和热处理过程中合金的微观组织变化特征,并结合恒电流法、动电位极化曲线、电化学阻抗谱等测试技术研究铝基阳极材料的电化学反应过程,初步探讨微量元素合金化作用下的协调作用和活化机理,以及由热处理引起的晶粒度和第二相形态及分布对电化学性能和溶解机制的影响,为进一步完善铝基阳极材料的合金化设计、优化热处理工艺提供理论依据。结果表明:合金元素Ga可增强Al-Zn-Bi系阳极合金的活化性能,使合金的开路电位负移、工作电位趋于稳定,产物粘附现象消失,电流效率大幅度提高;在Al-Zn-Bi系合金中,添加RE可使晶粒细化,且随着添加量的增大,电流效率先增后减,RE添加量为0.5%时,合金的综合电化学性能最好;添加Mg可使晶粒有一定程度的细化,但随着添加量的增大,晶粒度变化不太明显,第二相的数量增加,Mg添加量为2.0%时,合金的电流效率较高,腐蚀形貌较为均匀;Mg、RE复合添加时,合金的表面溶解均匀,但电流效率略有降低。510℃保温4h炉冷处理工艺能较好地改善Al-Zn-Bi-Mg-RE合金的综合性能,使合金表面均匀腐蚀;在一定温度范围内,温度越高电化学性能越好;保温时间对电流效率的影响较小。综合微观组织特征和电化学性能测试的实验结果,可以看出Al-Zn-Bi系合金中添加Ga元素后,其活化控制步骤由第二相粒子优先溶解-脱落机理转变为金属阳离子的溶解-再沉积机理,促进阳极合金的均匀溶解;等效电路RL（Cs（CpRp）（Q1Rd1）（LRa））和RL（Cs（CpRp）（Q1Rd1）（LRa）（Q2Rd2））能够分别较好地拟合Al-5Zn-0.5Bi和Al-5Zn-0.5Bi-0.015Ga两种合金在3.5%NaCl溶液中腐蚀的EIS图谱,可以反映两种合金的电化学腐蚀过程。在初始活化阶段,第二相的优先溶解-脱落均占据优势,导致腐蚀纵深发展,形成局部晶间腐蚀;随着合金的进一步活化,溶解-再沉积过程控制了持续的溶解步骤,此时横向扩展和纵向深入的两个速度匹配较好,最终表现出均匀的腐蚀形貌。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.1.1 金属的腐蚀与防护
• 1.1.2 牺牲阳极保护法
• 1.1.3 牺牲阳极材料的要求
• 1.2 牺牲阳极材料概述
• 1.2.1 国内外研究现状
• 1.2.2 铝合金牺牲阳极材料的应用
• 1.2.3 铝合金牺牲阳极材料的开发思路
• 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 铝基阳极材料的热处理工艺研究
• 1.4 铝基牺牲阳极材料的活化机理研究
• 1.4.1 铝基阳极的活化机理的研究
• 1.4.2 活化机理的研究方法和检测技术
• 1.5 铝基牺牲阳极材料的研究方法
• 1.5.1 铝基牺牲阳极的常规测试方法
• 1.5.2 组织分析法
• 1.5.3 电化学测试
• 1.6 本论文研究的内容和意义
• 1.6.1 本论文的研究目的及意义
• 1.6.2 本论文的研究内容及思路
• 第2章 实验条件和方法
• 2.1 引言
• 2.2 材料成分的设计
• 2.2.1 合金元素的选择
• 2.2.2 材料配方的拟定
• 2.3 试验部分
• 2.3.1 原材料及主要仪器
• 2.3.2 实验材料的预处理
• 2.3.3 熔炼工艺
• 2.3.4 试验方案
• 2.4 铝基阳极的热处理
• 2.4.1 热处理参数的确定
• 2.4.2 热处理的操作规程
• 2.5 电化学性能测试
• 2.5.1 实验准备
• 2.5.2 试样制备
• 2.5.3 试验装置
• 2.5.4 试验程序
• 2.5.5 电流效率的计算
• 2.6 极化曲线和电化学阻抗谱测试
• 2.6.1 试样制备
• 2.6.2 试验装置
• 2.6.3 试验程序
• 2.7 合金的微观组织分析
• 第3章 Ga 对 Al-Zn-Bi 系阳极材料组织和性能的影响
• 3.1 引言
• 3.2 Al-Zn-xBi 合金的电化学性能
• 3.2.1 Al-Zn-xBi 合金的开路电位和电流效率
• 3.2.2 Al-Zn-xBi 合金的工作电位
• 3.2.3 Al-Zn-xBi 合金的极化曲线
• 3.3 Ga 对Al-Zn-Bi 系合金电化学性能的影响
• 3.3.1 Ga 对Al-Zn-Bi 系合金开路电位和电流效率的影响
• 3.3.2 Ga 对Al-Zn-Bi 系合金工作电位的影响
• 3.3.3 Ga 对Al-Zn-Bi 系合金极化曲线的影响
• 3.3.4 Ga 对Al-Zn-Bi 系合金电化学阻抗谱的影响
• 3.4 Ga 对Al-Zn-Bi 系合金微观组织的影响
• 3.5 合金的活化与腐蚀机理探讨
• 3.6 小结
• 第4章 Al-Zn-Bi-（RE, Mg）系阳极合金的组织和性能
• 4.1 引言
• 4.2 Al-Zn-Bi-xRE 阳极合金的组织和电化学性能
• 4.2.1 Al-Zn-Bi-xRE 阳极合金的开路电位和电流效率
• 4.2.2 Al-Zn-Bi-xRE 阳极合金的工作电位
• 4.2.3 Al-Zn-Bi-xRE 阳极合金的极化曲线
• 4.2.4 Al-Zn-Bi-xRE 阳极合金的电化学阻抗谱
• 4.2.5 Al-Zn-Bi-xRE 阳极合金的微观组织分析
• 4.3 Al-Zn-Bi-xMg 阳极合金的组织和电化学性能
• 4.3.1 Al-Zn-Bi-xMg 阳极合金的开路电位和电流效率
• 4.3.2 Al-Zn-Bi-xMg 阳极合金的工作电位
• 4.3.3 Al-Zn-Bi-xMg 阳极合金的极化曲线
• 4.3.4 Al-Zn-Bi-xMg 阳极合金的电化学阻抗谱
• 4.3.5 Al-Zn-Bi-xMg 阳极合金的微观组织分析
• 4.4 Mg、RE 复合添加对Al-Zn-Bi 合金组织和性能的影响
• 4.4.1 Mg、RE 复合合金化Al-Zn-Bi 合金的开路电位和电流效率
• 4.4.2 Mg、RE 复合合金化Al-Zn-Bi 合金的极化曲线
• 4.4.3 Mg、RE 复合合金化Al-Zn-Bi 合金的电化学阻抗谱
• 4.4.4 Mg、RE 复合合金化Al-Zn-Bi 合金的微观组织分析
• 4.5 小结
• 第5章 Al-Zn-Bi-Mg-RE 阳极合金的热处理工艺研究
• 5.1 引言
• 5.2 热处理温度对Al-Zn-Bi-Mg-RE 合金组织与性能的影响
• 5.2.1 热处理温度对合金表面腐蚀形貌及电流效率的影响
• 5.2.2 热处理温度对合金极化性能的影响
• 5.2.3 热处理温度对合金电化学阻抗谱的影响
• 5.2.4 热处理温度对合金组织的影响
• 5.3 热处理冷却方式对Al-Zn-Bi-Mg-RE 合金组织与性能的影响
• 5.3.1 热处理冷却方式对合金表面腐蚀形貌及电流效率的影响
• 5.3.2 热处理冷却方式对合金工作电位的影响
• 5.3.3 热处理冷却方式对合金电化学阻抗谱的影响
• 5.3.4 热处理冷却方式对合金组织的影响
• 5.4 热处理时间对Al-Zn-Bi-Mg-RE 合金组织与性能的影响
• 5.4.1 热处理时间对合金电流效率的影响
• 5.4.2 热处理时间对合金工作电位的影响
• 5.4.3 热处理时间对合金极化性能的影响
• 5.4.4 热处理时间对合金电化学阻抗谱的影响
• 5.5 小结
• 第6章 综合分析和讨论
• 6.1 合金元素的作用
• 6.2 热处理工艺分析
• 6.3 活化机理探讨
• 第7章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间的研究成果