Metaalcorrosie
Wanneer het metalen materiaal in contact komt met het omringende medium, wordt het materiaal vernietigd als gevolg van chemische of elektrochemische werking. Metaalcorrosie is een thermodynamisch spontaan proces, waarbij een metaal met een hoge energietoestand wordt omgezet in een metaalverbinding met een lage energietoestand. Onder hen is het corrosiefenomeen in de aardolie- en petrochemische industrie ingewikkelder, inclusief de elektrochemische corrosie van pekel, H2S en CO2.
De aard van de meeste corrosieprocessen is elektrochemisch. De elektrische eigenschappen van het grensvlak tussen metaal en elektrolyt (elektrische dubbele laag) worden veel gebruikt in onderzoeken naar corrosiemechanismen, corrosiemetingen en industriële corrosiemonitoring. De elektrochemische methoden die gewoonlijk worden gebruikt bij onderzoek naar metaalcorrosie zijn: open circuit potentiaal (OCP), polarisatiecurve (Tafelplot), elektrochemische impedantiespectroscopie (EIS).
Op een geïsoleerde metalen elektrode worden één anodereactie en één kathodereactie tegelijkertijd met dezelfde snelheid uitgevoerd, wat de koppeling van de elektrodereactie wordt genoemd. De reactie van wederzijdse koppeling wordt de “conjugatiereactie” genoemd, en het hele systeem wordt het “conjugaatsysteem” genoemd. In het geconjugeerde systeem zijn de twee elektrodereacties onderling met elkaar gekoppeld, en wanneer de elektrodepotentialen gelijk zijn, variëren de elektrodepotentialen niet met de tijd. Deze toestand wordt “stabiele toestand” genoemd, en het overeenkomstige potentieel wordt “stabiel potentieel” genoemd. In het corrosiesysteem wordt dit potentieel ook wel “(zelf)corrosiepotentieel E genoemdcorr”, of “open circuit potentiaal (OCP)”, en de overeenkomstige stroomdichtheid wordt “(zelf)corrosiestroomdichtheid icorr”. Over het algemeen geldt dat hoe positiever het open-circuitpotentieel is, hoe moeilijker het is om elektronen te verliezen en te corroderen, wat aangeeft dat de corrosieweerstand van het materiaal beter is.
Het CS-potentiostaat/galvanostaat elektrochemische werkstation kan worden gebruikt om het real-time elektrodepotentiaal van het metalen materiaal in het systeem gedurende lange tijd te bewaken. Nadat de potentiaal is gestabiliseerd, kan de open-circuitpotentiaal van het materiaal worden verkregen.
Over het algemeen wordt het fenomeen dat de elektrodepotentiaal afwijkt van de evenwichtspotentiaal wanneer er stroom doorheen gaat, “polarisatie” genoemd. Wanneer in een elektrochemisch systeem polarisatie optreedt, wordt de negatieve verschuiving van de elektrodepotentiaal ten opzichte van de evenwichtspotentiaal "kathodische polarisatie" genoemd, en de positieve verschuiving van de elektrodepotentiaal ten opzichte van de evenwichtspotentiaal wordt "anodische polarisatie" genoemd.
Om de polarisatieprestaties van een elektrodeproces volledig en intuïtief uit te drukken, is het noodzakelijk om experimenteel de overpotentiaal of de elektrodepotentiaal te bepalen als functie van de stroomdichtheid, wat de "polarisatiecurve" wordt genoemd.
De ikcorrvan het metaalmateriaal kan worden berekend op basis van de Stern-Geary-vergelijking.
B is de Stern-Geary-coëfficiënt van het materiaal, RPis de polarisatieweerstand van het metaal.
Principe om te verkrijgen icorrvia de Tafel-extrapolatiemethode
Corrtest CS studio-software kan automatisch aanpassen aan de polarisatiecurve. De tafel slop op anodesegment en kathodesegment, dwz bAen bCkan worden berekend.icorrkan ook worden verkregen. Gebaseerd op de wet van Faraday en in combinatie met het elektrochemische equivalent van het materiaal, kunnen we het omzetten in metaalcorrosiesnelheid (mm/a).
Elektrochemische impedantietechnologie, ook bekend als AC-impedantie, meet de verandering van de spanning (of stroom) van een elektrochemisch systeem als functie van de tijd door de stroom (of spanning) van het elektrochemische systeem te regelen als een functie van sinusoïdale variatie in de tijd. De impedantie van het elektrochemische systeem wordt gemeten, en verder wordt het reactiemechanisme van het systeem (medium/coatingfilm/metaal) bestudeerd en worden de elektrochemische parameters van het fittingmeetsysteem geanalyseerd.
Het impedantiespectrum is een curve die is afgeleid van de impedantiegegevens die zijn gemeten door een testcircuit op verschillende frequenties, en het impedantiespectrum van het elektrodeproces wordt een elektrochemisch impedantiespectrum genoemd. Er zijn veel soorten EIS-spectrum, maar de meest gebruikte zijn de Nyquist-plot en de Bode-plot.
Aan de hand van een artikel gepubliceerd door een gebruiker die het CS350 elektrochemische werkstation als voorbeeld gebruikt, wordt een concrete introductie tot de methode van het metaalcorrosiemeetsysteem geïntroduceerd.
De gebruiker bestudeerde de corrosieweerstand van een stent van een Ti-6Al-4V-legering, vervaardigd volgens de conventionele kneedmethode (monster #1), de selectieve lasersmeltmethode (monster #2) en de smeltmethode met elektronenstralen (monster #3). De stent wordt gebruikt voor menselijke implantatie, dus het corrosiemedium is gesimuleerde lichaamsvloeistof (SBF). De temperatuur van het experimentele systeem moet ook op 37℃ worden geregeld.
Instrument:CS350 Potentiostaat/galvanostaat
Experimenteel apparaat:CS936 platte corrosiecel met mantel, droogoven met constante temperatuur
Experimentele medicijnen:Aceton, SBF, epoxyhars die uithardt bij kamertemperatuur
Experimenteel medium:
Gesimuleerde lichaamsvloeistof (SBF): NaCl-8.01, KCl-0.4, CaCl2-0,14,NaHCO3-0,35,KH2PO4-0,06, glucose -0,34, eenheid is: g/L
Specimen(WIJ)
Ti-6Al-4V-legeringsstent 20×20×2 mm,
Het blootgestelde werkgebied is 10×10 mm
Het niet-testgebied is bedekt/afgedicht met epoxyhars die bij kamertemperatuur uithardt.
Referentie-elektrode (RE):Verzadigde calomel-elektrode
Tegenelektrode (CE):CS910 Pt geleidbaarheidselektrode
2.1 Experimentstappen en parameterinstelling
2.1.1 OCP
Voordat u gaat testen. de werkelektrode moet worden gepolijst van grof naar fijn (360 mesh, 600 mesh, 800 mesh, 1000 mesh, 2000 mesh in volgorde) totdat het oppervlak glad is. Na het polijsten afspoelen met gedestilleerd water en daarna ontvetten met aceton, in een droogoven op constante temperatuur zetten en voor gebruik drogen op 37℃.
Monteer het monster op de corrosiecel, breng de gesimuleerde lichaamsvloeistof in de corrosiecel en steek de verzadigde calomelelektrode (SCE) met een zoutbrug in de platte corrosiecel. Zorg ervoor dat de punt van het Luggin-capillair rechts naar het oppervlak van de werkelektrode is gericht. De temperatuur wordt door watercirculatie op 37℃ geregeld.
Verbind de elektroden met de potentiostaat via de celkabel.
Experiment → stabiele polarisatie → OCP
U moet een bestandsnaam voor de gegevens invoeren, de totale testtijd instellen en de test starten. De OCP van metaalmateriaal in de oplossing verandert langzaam en het duurt relatief lang voordat deze stabiel blijft. Daarom wordt voorgesteld om de tijd niet korter in te stellen dan 3000s.
2.1.2 Polarisatiecurve
Experiment → stabiele polarisatie → potentiodynamisch
Stel het initiële potentieel, het uiteindelijke potentieel en de scansnelheid in, selecteer de potentiële uitvoermodus als “vs. OCP”.
Het “Gebruik” kan worden aangevinkt om de hoekpunten E#1 en hoekpunt E#2 te kiezen. Als dit niet is aangevinkt, zal de scan het overeenkomstige potentieel niet doorlopen.
Er zijn maximaal 4 onafhankelijke polarisatiepotentiaalinstelpunten. De scan begint vanaf het initiële potentieel, naar “vertex E#1” en “vertex E#2”, en uiteindelijk naar het uiteindelijke potentieel. Klik op het selectievakje "Inschakelen" om "Tussenpotentieel 1" en "Tussenpotentieel 2" in of uit te schakelen. Als het selectievakje niet is ingeschakeld, zal de scan deze waarde niet passeren en wordt de potentiële scan ingesteld op de volgende.
Het is opmerkelijk dat de meting van de polarisatiecurve alleen kan worden uitgevoerd op voorwaarde dat de OCP al stabiel is. Meestal openen we na 10 minuten stilte de OCP-stabiele functie door op het volgende te klikken:
→
De software start automatisch met testen zodra de potentiële fluctuatie lager is dan 10 mV/min
In dit experimentvoorbeeld heeft de gebruiker het potentieel ingesteld op -0,5~1,5V (vs. OCP)
U kunt de voorwaarde instellen om de scan te stoppen of om te keren. Dit wordt voornamelijk gebruikt bij het meten van putpotentiaal en het meten van de passivatiecurve.
2.2 Resultaten
2.2.1 OCP
Door een potentiaaltest in een open circuit kunnen we het vrije corrosiepotentieel verkrijgenEcorr, waaruit we de corrosieweerstand van het metalen materiaal kunnen beoordelen. Over het algemeen geldt: hoe positiever deEcorris, hoe harder het materiaal wordt gecorrodeerd.
Uit de grafiek kunnen we concluderen dat de corrosieweerstand van monster #1 en 2 beter is dan #3.
2.2.2 Tafelplotanalyse (meting van de corrosiesnelheid)
De polarisatie van dit experiment is als volgt:
Zoals blijkt kunnen we uit de berekende waarde van de corrosiesnelheid dezelfde conclusie trekken als wat we verkregen door OCP-meting. De corrosiesnelheid wordt berekend met behulp van de Tafelplot. We kunnen zien dat de waarden van de corrosiesnelheid overeenkomen met de conclusie die we hebben verkregen met de OCP-methode.
Op basis van de Tafelplot kunnen we de corrosiestroomdichtheid verkrijgenicorrdoor de analyse-aanpassingstool die is geïntegreerd in onze CS studio-software. Vervolgens wordt op basis van andere parameters, zoals het werkelektrodeoppervlak, de materiaaldichtheid en het equivalentgewicht, de corrosiesnelheid berekend.
Stappen zijn:
Importeer het gegevensbestand door op te klikken
Gegevens passend
Klik op celinfo. en voer de waarde dienovereenkomstig in.
Als u de parameters al vóór het testen in de cel- en elektrode-instelling heeft ingesteld, hoeft u geen celinformatie in te stellen. hier weer.
Klik “Tafel” op het Tafelbeslag. Kies de automatische Tafelfitting of handmatige fitting voor de gegevens van het anodesegment/kathodesegment, dan kunnen de corrosiestroomdichtheid, het vrije corrosiepotentieel en de corrosiesnelheid worden verkregen. U kunt het passende resultaat naar de grafiek slepen.
3. EIS-meting
Experimenten → Impedantie → EIS versus frequentie
EIS van Q235 koolstofstaal in 3,5% NaCl-oplossing is als volgt:
De bovenstaande Nyquist-grafiek bestaat uit de capaciteitsboog (gemarkeerd door het blauwe kader) en de Warburg-impedantie (gemarkeerd door het rode kader). Over het algemeen geldt: hoe groter de capaciteitsboog, hoe beter de corrosieweerstand van het materiaal.
Equivalente circuitfitting voor de Q235 koolstofstaal EIS-resultaten
De stappen zijn als volgt:
Teken het equivalente circuit van de capaciteitsboog - gebruik het model in de "quick fit" om R1, C1, R2 te verkrijgen.
Teken het equivalente circuit van het Warburg-impedantiedeel - gebruik het model in de “quick fit” om de specifieke waarde van Ws te verkrijgen.
Sleep waarden naar het complexe circuit → wijzig het type van alle elementen in “Vrij+” → klik op Passen
Uit de resultaten zien we dat de fout minder dan 5% bedraagt, wat aangeeft dat het zelfgedefinieerde equivalente circuit dat we tekenen in overeenstemming is met het impedantiecircuit van de daadwerkelijke meting. Het Bode-pasplot komt in grote lijnen overeen met het oorspronkelijke perceel.
