法律状态公告日
法律状态信息
法律状态
2022-07-29
授权
发明专利权授予
技术领域
本发明属于材料性能检测技术领域，具体涉及材料腐蚀电化学测试，尤其是金属钝化膜消长动态过程的测试装置。
背景技术
不锈钢、钛合金等金属材料优异的耐蚀性源自于其表面的钝化膜。这一薄层钝化膜在完好的状态下可以为材料提供充分的保护，使材料免受腐蚀介质的侵蚀。但当钝化膜发生破损时，材料局部的钝态将被破坏，小面积活态和大面积钝态间形成电偶对，电化学热力学平衡被打破，造成局部腐蚀加剧。在高压、低氧的深海环境，或其他苛性腐蚀介质中，亦或处于频繁磨损工况条件下，钝化膜的自愈行为受到极大的限制，这可能继而引发更严重的材料失效问题。因此，了解金属材料表面钝化膜消长动态过程对指导材料的研发和应用具有重要的意义。
为此，周虹晖等设计了一套用于材料钝化过程研究的装置，通过敲击杆下落冲断沉积在玻璃上的薄膜，同时测量新鲜截面的电化学信息，尽管此方法测量结果准确，但只适用于薄膜材料，试样预处理较困难。专利CN 108593536 A设计了一种动态电化学腐蚀磨损试验装置，实现了不同工况（载荷、转速、介质）下的电化学参数与摩擦学性能的实施监测，但无法实现高压环境下的测试。专利CN 102288504 B发明了一种高温高压原位划伤及腐蚀磨损试验装置，实现了高温高压环境下对试样表面原位单次划伤和往复多次的腐蚀磨损电化学研究，但由于需要考虑动密封的问题，装置结构较复杂，而且采用划头进行划伤，试样损伤表面积较小，这会影响测量精度。胡肆福等提出了一种采用电偶极化法评价材料自钝能力的方法，此方法实现了在相对较大面积试样上的测量，但需首先对试样进行阴极恒电位活化处理，这仅对以氧化物为主要成分的钝化膜可行，而且因阴极极化产生的析出物沉积在材料表面会对测试结果产生较大的影响。
发明内容
本发明的技术任务是解决现有技术的不足，提供一种金属钝化膜消长动态过程的电化学测试装置，以解决高压溶液环境中材料钝化膜原位磨损试验的难题，克服现有划伤电极技术划伤面积小、信噪比低的问题，实现钝化膜单次或多次磨损动态过程的电化学测试。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种金属钝化膜消长动态过程的电化学测试装置，包括：釜盖、釜体及内部组件和设备；
所述釜盖上设置工作电极、参比电极和辅助电极，构成电化学三电极体系，并通过与外部电化学测试设备的连接，实现试验动态过程的电化学测试，其中工作电极由试样加工后制得；
所述釜体内分为两个舱段：上部试验舱段和下部设备舱段，试验舱段与设备舱段之间通过导向盘相隔离；
其中试验舱段的釜体外侧设置进液管和出液管，进液管、出液管通过泵阀与外部溶液槽相连，实现试验溶液循环和试验舱段内压力条件的控制；
其中试验舱段中心设置若干相互交叠的砂片围成圆筒形砂片组，砂片由砂片支座夹持，砂片支座上部为活节，可使砂片自由转动，当砂片组向内转动缩小至试样直径大小时，砂片压紧在试样表面，将试样夹紧固定；
其中设备舱段上部设置旋转磨损组件，实现对试样表面钝化膜的磨损，旋转磨损组件包括：变径盘、支撑盘、支撑杆、主旋转电机、副旋转电机、传动杆。
方案优选地，所述导向盘上开有与砂片支座相对应的导向槽，砂片支座卡入导向槽中，导向盘通过连接杆固定在其轴心下方的主旋转电机上；
所述导向盘下方为变径盘，变径盘绕主旋转电机连接杆旋转，所述变径盘上部设置有与砂片支座相匹配的凸条，变径盘下部沿周向固定有从动齿轮，所述从动齿轮附近设置有与副旋转电机相连的主动齿轮，从动齿轮和主动齿轮可与设置在其间的传动齿轮相啮合，传动齿轮安装在传动杆顶端，所述传动杆为液压杆，升起时，传动齿轮与主动齿轮和从动齿轮同时接触，完成变径盘的旋转动作；下降时，传动齿轮与主动齿轮和从动齿轮分离，旋转停止，随变径盘的旋转，砂片支座在变径盘上部凸条的推动下，在导向盘的导向槽内往复滑动，从而实现砂片组的变径；
所述副旋转电机可实现正向和反向的往复旋转，副旋转电机带动变径盘正向旋转时，凸条推动砂片支座在导向槽内正向滑动，使砂片组所围成圆筒形的直径减小，直至夹紧试样为止；副旋转电机带动变径盘反向旋转时，凸条推动砂片支座在导向槽内反向滑动，使砂片组所围成圆筒形的直径增大，直至恢复到初始位置；
所述变径盘下方设置支撑盘，支撑盘上部为滚珠轴承结构，支撑盘下部与支撑杆相连，支撑杆为液压杆，实现支撑盘及其上方变径盘的小幅度升降动作；支撑杆升起时，支撑盘推动变径盘上移，压紧变径盘与导向盘间的砂片支座，实现砂片间相对位置的锁死；支撑杆下降时，支撑盘带动变径盘下移，松开压紧的砂片支座，使其可以完成接下来的变径动作。
方案优选地，所述釜盖与釜体结合面间设置密封圈实现密封。
方案优选地，所述工作电极外部为绝缘密封壳，内部为导电芯，导电芯底端为螺纹接头，测试时采用圆柱试样，其顶端设置有螺纹孔，实现与工作电极内部导电芯的旋紧连接和电信号的导出。
方案优选地，所述釜盖与釜体间通过拉压杆连接，拉压杆为液压杆，充入液压油时，杆内形成正压力，上推釜盖使其打开；抽出液压油时，杆内形成负压力，下拉釜盖使其关闭，并实现对抗釜内压力的拉紧效果。
方案优选地，所述设备舱段下部放置液压系统和控制系统，液压系统为拉压杆、传动杆和支撑杆提供动力，控制系统通过控制主旋转电机、副旋转电机的启停和拉压杆、传动杆、支撑杆的升降动作，实现对试验程序的控制；所述釜体外配备控制面板，用于试验程序的设置，包括装置的停开机，以及旋转磨损的频次和时长。
方案优选地，所述导向盘与变径盘之间粘结有柔性密封垫，实现导向盘与变径盘之间小幅度相对远动时的防水密封。
方案优选地，所述导向盘边缘与固定在釜体内壁上的旋转密封圈相连，实现导向盘在主旋转电机的带动下绕轴旋转，同时使试验舱段和设备舱段相互隔离。
方案优选地，所述釜盖上还设有螺栓，用于釜盖关闭后，与釜体的进一步锁紧。
本发明的一种金属钝化膜消长动态过程的电化学测试装置与现有技术相比所产生的有益效果是：
本发明实现了高压溶液环境中材料钝化膜的原位磨损电化学试验，采用液压拉压杆、螺栓和密封圈相结合方式实现耐压密封；
借助外部泵阀实现试验溶液的循环和压力条件的控制；
通过相互交叠的砂片组的变径和旋转，实现对试样的夹紧和对其表面钝化膜的磨损，使试验在一定范围内不受试样原始尺寸及磨损过程中尺寸改变的限制；
通过带有滚珠轴承结构的支撑盘设计，同时实现砂片间相对位置的锁死和一体旋转动作；
通过设置旋转密封圈和柔性密封垫实现不同舱段的干湿分离。通过对旋转磨损频次和时长的控制，实现单次或多次磨损试验；
通过内置的电化学三电极系统，实现钝化膜消长动态过程的原位、实时电化学测试。
本发明原理简单，操作简便，相比于现有划伤电极技术增加了试样的有效测试面积，更准确的反映高压、苛性腐蚀环境中，或频繁磨损工况条件下，金属钝化膜磨损和自愈的动态电化学行为。
附图说明
为了更清楚地描述本发明一种金属钝化膜消长动态过程的电化学测试装置的工作原理，下面将附上简图作进一步说明。
附图1为本发明的外部结构示意图；
附图2为本发明的剖面结构示意图；
附图3为本发明的旋转磨损组件分解示意图；
附图4为本发明的砂片组旋转变径方式示意图。
图中各标号表示：
1、釜盖，2、釜体，3、进液管，4、控制面板，5、参比电极，
6、工作电极，7、辅助电极，8、螺栓，9、出液管，10、密封圈，
11、拉压杆，12、试验舱段，13、砂片，14、砂片支座，
15、导向盘，16、旋转密封圈，17、变径盘，18、设备舱段，
19、传动杆，20、副旋转电机，21、支撑杆，22、主旋转电机，
23、液压系统，24、控制系统，25、导向槽，26、凸条，
27、主动齿轮，28、传动齿轮，29、柔性密封垫，30、从动齿轮，
31、支撑盘。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如附图1、2所示，本实施例涉及的一种金属钝化膜消长动态过程的电化学测试装置，主体结构包括：釜盖1、釜体2及其内部的组件和设备。釜盖1与釜体2间通过拉压杆11连接。拉压杆11为液压杆，充入液压油时，杆内形成正压力，上推釜盖1使其打开；抽出液压油时，杆内形成负压力，下拉釜盖1使其关闭，并实现对抗釜内压力的拉紧效果。釜盖1上的螺栓8用于釜盖1关闭后，与釜体2的进一步锁紧。釜盖1与釜体2结合面间设置密封圈10实现密封。
釜盖1上设置工作电极6、参比电极5和辅助电极7，构成电化学三电极体系，并通过与外部电化学测试设备的连接，实现试验动态过程的电化学测试。工作电极6外部为绝缘密封壳，内部为导电芯，导电芯底端为螺纹接头。测试采用圆柱试样，其顶端设置有螺纹孔，实现与工作电极6导电芯的旋紧连接和电信号的导出。
釜体2外配备控制面板4，用于试验程序的设置，主要包括装置的停开机，以及旋转磨损的频次和时长等。
釜体2内分为两个舱段，包括上部试验舱段12和下部设备舱段18。试验舱段12的釜体2外侧设置进液管3和出液管9，管路通过泵阀与外部溶液槽相连，通过泵阀的配合，实现试验溶液循环和试验舱段12内压力条件的控制。
试验舱段12中心设置砂片13，砂片13可围成圆筒形砂片13组。砂片13由砂片支座14夹持，砂片支座14上部为活节，可使砂片13自由转动。试验舱段12与设备舱段18之间为导向盘15。导向盘15边缘与固定在釜体2内壁上的旋转密封圈16相连，实现导向盘15在主旋转电机22的带动下绕轴旋转，同时使试验舱段12和设备舱段18相互隔离。
设备舱段18上部设置旋转磨损组件，包括变径盘17、支撑盘31、支撑杆21、主旋转电机22、副旋转电机20、传动杆19，设备舱段18下部放置液压系统23和控制系统24。液压系统23为拉压杆11、传动杆19和支撑杆21提供动力。控制系统通过控制主旋转电机22、副旋转电机20的启停和拉压杆11、传动杆19、支撑杆21的升降动作，实现对试验程序的控制。
结合附图3，圆筒形砂片13组由若干相互交叠的砂片13所围成，每个砂片13由对应的砂片支座14夹持并随之变换位置。导向盘15上开有与砂片支座14相对应的导向槽25，砂片支座14卡入导向槽25中。导向盘15通过连接杆固定在其轴心下方的主旋转电机22上。主旋转电机22可实现单向高速旋转。
导向盘15下方为变径盘17，变径盘17可绕主旋转电机22连接杆旋转。变径盘17上部设置有与砂片支座14相匹配的凸条26。变径盘17下部沿周向固定有从动齿轮30。从动齿轮30附近设置有与副旋转电机20相连的主动齿轮27。从动齿轮30和主动齿轮27可与设置在其间的传动齿轮28相啮合，传动齿轮28安装在传动杆19顶端。传动杆19为液压杆，升起时，传动齿轮28与主动齿轮27和从动齿轮30同时接触，完成变径盘17的旋转动作；下降时，传动齿轮28与主动齿轮27和从动齿轮30分离，旋转停止。随变径盘17的旋转，砂片支座14在变径盘17上部凸条26的推动下，在导向盘15的导向槽25内往复滑动，从而实现砂片13组的变径。
结合附图4，副旋转电机20可实现正向和反向的往复旋转。副旋转电机20带动变径盘17正向旋转时，凸条26推动砂片支座14在导向槽25内正向滑动，使砂片13组所围成圆筒形的直径减小，直至夹紧试样为止。副旋转电机20带动变径盘17反向旋转时，凸条26推动砂片支座14在导向槽25内反向滑动，使砂片13组所围成圆筒形的直径增大，直至恢复到初始位置。
导向盘15与变径盘17之间粘结有柔性密封垫29，实现导向盘15与变径盘17之间小幅度相对远动时的防水密封。
变径盘17下方设置支撑盘31。支撑盘31上部为滚珠轴承结构，支撑盘31下部与支撑杆21相连。支撑杆21为液压杆，实现支撑盘31及其上方变径盘17的小幅度升降动作。支撑杆21升起时，支撑盘31推动变径盘17上移，压紧变径盘17与导向盘15间的砂片支座14，实现砂片13间相对位置的锁死；支撑杆21下降时，支撑盘17带动变径盘17下移，松开压紧的砂片支座14，使其可以完成接下来的变径动作。
本发明在使用时，将试样的顶面和底面两个非测试面用环氧树脂涂封，使其电绝缘，然后将试样旋紧在工作电极6上。启动拉压杆11下拉釜盖1使其关闭，并用螺栓8将釜盖1锁紧在釜体2上。此时，试样洽好落入砂片13组围成的圆筒形结构的中心位置。将工作电极6、参比电极5和辅助电极7连接至外部电化学测试设备。
向试验舱段12内充入在外部溶液槽中预先配置好的试验溶液，并通过外部泵阀使试验溶液在外部溶液槽和试验舱段12间循环，并使试验舱段12内维持在所需的压力条件下。
通过控制面板4设置旋转磨损频次和时长等试验程序后启动试验，并同时开启外部电化学测试设备，监测试验过程的动态电化学信息。
试验开始后，传动杆19带动传动齿轮28上移，使其与主动齿轮27和从动齿轮30接触。此时，副旋转电机20启动正向旋转，使变径盘17正向转动。变径盘17上部的凸条26推动砂片支座14在导向盘15上的导向槽25内正向滑动，使相互交叠的砂片13组直径减小，直至直径缩小至试样直径大小，并压紧在试样表面为止。副旋转电机20停机，同时支撑杆21推动支撑盘31上移，使砂片支座14压紧在导向盘15与变径盘17之间，由此锁定砂片13间的相对位置。传动杆19回落，使传动齿轮28与主动齿轮27和从动齿轮30分离。此时，主旋转电机22启动，使相互压紧的导向盘15和变径盘17共同旋转，并带动压紧在试样表面的砂片13组绕试样高速旋转，对试样表面钝化膜进行磨损。当旋转磨损时长达到预设值时，主旋转电机22停机，支撑杆21带动支撑盘31下移，松开夹紧的砂片支座14。传动杆19上移，使传动齿轮28再次与主动齿轮27和从动齿轮30接触。此时，副旋转电机20启动反向旋转。变径盘17上部的凸条26推动砂片支座14在导向盘15上的导向槽25内反向滑动，使砂片13组直径增大，直至恢复到初始位置。副旋转电机20停机，传动杆19回落，使传动齿轮28与主动齿轮27和从动齿轮30分离。由此完成一次磨损过程。在进行多次磨损试验时，控制系统24按照预设的旋转磨损频次和时长重复上述步骤，完成相应的试验流程。在此过程中，外部电化学测试设备通过电化学三电极体系原位记录钝化膜磨损和自愈动态过程的电化学电位和电流变化情况。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
机译： 具有掩膜的电池，该掩膜可电化学钝化金属部件的有限表面
机译： 具有掩膜的电池，该掩膜可电化学钝化金属部件的有限表面
机译： 具有掩膜的电池，该掩膜可电化学钝化金属部件的有限表面
